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新型太阳能电池发展
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摘
要：
<
/p>
太阳能电池发电是解决目前能源问题，
促进社会经济及环境健康发
展的
重要途径之一。
目前，
在市场占主
导地位的硅基太阳能电池发电成本还不能和传
统化石能源竞争。
在此背景下，
致力于高效率低成本的新型太阳能电池研究空前
活
跃。目前发展起来的有多结叠层太阳能电池、中间带太阳能电池
、多激子产
生太阳能电池、
热载流子太阳能电池和热光伏太阳
能电池，
以及新型钙钛矿太阳
能电池。
这些被称为第三代太阳能电池主要以超高效率、
薄膜化、
低成本
为目标。
关键词：
太阳能电池，多结叠层，钙钛矿，量子点，多激子产生
一、
引言
太阳能电池
(
solar
cell
,
SC
< br>)
是一种可以直接将太阳光转换成电能的光电器
件
,
具有永久性、
清洁性和灵活性三大优点。<
/p>
自从第一块硅单晶
p-n
结
SC
于
1954
年在贝尔
实验室问世
[1]
,
半个多世纪以来，
人们对
SC
的研究经久不衰。
迄今为止
,
已使用多种材料的单晶、多晶
、无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳
能电池。
但研究人员对器件性能的优化以及新材料和新结构电池的探索时刻没有
停止
,
并且一直受到人们的热切关注。
2001
年
,<
/p>
Green
[2]
提出把太阳能电池的发
展过程划分为
3
个阶段
,
其中第一代
体硅太阳能电池
(
单晶
Si
和多晶
Si
)
和第二代薄膜太阳能电池
(
非晶
Si
,
GaAs
,
CdTe
,
CIGS
等
)
都是单结电池
,
已基本实现了商品化。第三代太阳能电池除了继
续保持薄膜化并采用丰富、无毒的原材料外
,
最大的特点就是具
有更高的光电转
换效率。
如果我们取太阳表面温度为
6000K
,
电池温度为
300K,
根据卡诺定理
,
可
得电池能量转换的热力学极限效率为
95
%
；但是
Shockley
和
Queisser
[3]
通过细
致平衡极限原理计算得出
,
理想单结太阳能电池的效率是材料
带隙能量
(
Eg
)
的
函数
,
当
Eg
≈
1.3eV
时
,1
sun
照射下的极限效
率
(
也称
S-Q
极限
)
仅为
31 %,
全
聚光
(46200
suns
)
下的极限效率为
< br> 40%
。
二者相差如此之大
,
原因是电池在吸收太
阳光并转化成电能的过程中
,
各种方式导致的能量损失最终限制了它的效率。能
量
损失的内部原因主要有以下
3
方面：
(1)
太阳光谱中能量
(h
ν
)
小于
Eg
的光子
不能被吸收
,
从电池中透过；
(2)
能量大于
Eg
的光子被吸收后激发出热载流子
(
电子和空
穴
),
超过
Eg
的那部分能量
(
h
ν
-
Eg
)
< br>很快都以热能的形式释放掉了；
(3)
光生载流子的辐射
复合
,
所有太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光。
另外
,
在实际电
池中由于结构设计和工艺条件等外部因素的影响
,
还会产生一些
损失机制使效率降低
,
例如表面反射、
串联电阻
、晶格缺陷等。
[4]
目前
,
单结
GaAs
薄膜电池的实验室纪录效率为
26.1%
,
该值已接近于理论
极限
,
但从太阳能利用率的角度来看还是比较低。
为了研制高效太阳能电池技
术
,
必须突破限制单结电池效率的主要束缚
,
也就是减小上述
(1)
和
(2)
两点造成的能
量损失。
近年来
,
研究者提出了一系列新型电池设计方案以超
越
S-Q
极限
,
包括
多结叠层电池、中间带电池、多激子产生电池、热载流
子电池、热光伏电池等。
下面主要介绍几种新型太阳能电池和最新研究进展。
二、
多结太阳能电池
(MJSC)
提高电
池效率的一种重要方法是采用多结
(
multi-
junction
,
MJ
)
叠层结构
,
通常做法是将带隙不同的两个或
多个子电池按带隙大小依次串联在一起。
当太阳
光入射时
,
高能量光子先被带隙大的子电池吸收
,
随后低能量光子再被带隙较窄
的子电池吸收
,
依此类推。
其实质相当于把太阳光谱分成了几段
,
各子电池吸收与
它带隙最接近的那一段光。这样既
增加了对低能量端光谱的吸收率
,
又降低了高
< br>能量光子的能量损失
,
提高电池效率的优势是很明显的。
在实际工艺中
,
制备
MJSC
需要从
3
个方面来考虑。
首先
,
各
子电池的带隙要
满足电流匹配原则
,
因
为带隙决定电流的大小
,
串联在一起的子电池如果各自产
生的光电流不同
,
有效电流将以最小的光电流
值为准。这暴露出叠层电池的一个
缺点
,
即对太阳光谱的分布非常敏感。
其次
,
不同材料间要有很好的晶格匹配度
,
失配过大必然会造成
大量的缺陷复合中心。最后
,
子电池之间要通过超低阻方式
连接
,
以减小电流损失。
< br>一种方法是采用多芯片机械叠加技术
,
通过金属电极把独
立制作的电池压焊在一起。
该方法适用于大失配的材料体系
,
但因其成本高
,
可靠
性和工艺兼容性差
,
制备的电池质
量重、体积大
,
应用空间也相对狭小
,
所以不利
于大规模推广。另一种则是所谓的单片集成式技术
,
使整个电池直接生长在一个
衬底上
,
子电池由重掺杂的宽带隙隧道结相连
,
这是目前普遍应用的连接方式。
MJSC
的概念自提出以来
,
一直是人们研究
的重要内容。
有多篇文献计算了
MJSC
的理论极限效率
,
由于使用的计算模型、
条件假设
、
太阳光谱和工作参数
等有
所不同
,
因而计算结果也略有差别
,<
/p>
但基本一致
[5]
。当能隙实现最佳匹配
,
子电池数目为
2, 3,
4
时
,
在
1
sun(
或全聚光
)
照射下的极限效率
分别为
43%(55%)
、
49%(63%)
和
53%(68%),
当结数无限增大时
,
MJSC
效率的理论极限值
可达
68%(86%)
[6]
。
目前有两种材料体系的
MJSC
实现了商业化生产。其中，基于
III-V
族
G
aInP/GaAs
单晶体系的
2
结和
< br>3
结电池已广泛应用于太空领域
,
在标准测试条
件下
(
AM1.5<
/p>
, 100mW/cm
2
, 25
°
C)
的实验室纪录效率分别为
32.3%
和
35.8
%,
商
业模组效率达到
29
%
。表
1
给出了
MJSC
的最新纪录效率
[7]
。另外
,
用于改善
电池性能和可靠性的非晶硅
(
a-Si
)
/
微晶硅
(
nc-
Si
)
系列
3
结电池的纪录效率达
到
12.5
%,
模组效率为
10.4 %
。由此可
见
,
多结电池要获得高效率应首选单晶材
料。人们在研究
III-V
族
MJSC
的同时
,
也在寻找其他适合制备
MJSC
的新材
料。
三、
量子点太阳能电池
(QDSC)
量子点
(
quantum
dot
,
QD
)
是指尺寸在几十纳米范围内的纳米晶粒
,
电子被
约束在三维势阱中
,
其
运动在各个方向都是量子化的
,
因而形成类似于原子内的
分裂能级结构
,
所以
QDs
也被称为人造原子。
最初提出
QDSC
的概念
,
是考虑到
QWs
,
QDs
等低维结构在改善激光器、发光二极管及光电探测器等器件性能方<
/p>
面的成功应用。
与传统的体材料相比
,
QDs
的基本优势在于：
通过共振隧穿
效应
,
能提高电池对光生载流子的收集率
,
从而增大光电流；通过调节量子点的尺寸和
形状
,
可以优化量子化能级与太阳光谱的匹配度。
近年来
,
随着各种新概念太阳
能电池的
提出
,
人们认为
QDs
结构具有的物理特征使其有望在某些新型电池的
制备
中得到重要应用。
1.
QDSC
的发展趋势
基
于
QDs
纳
米
结
构
的
新
型
太
阳
能
电
池
主
要<
/p>
有
两
种
,
即
QD-IBSC
和
QD-MEGSC
,
它们均通过提高电
池的短路电流来提高转换效率。但二者的理论基
础不同
,
前者是依靠
QDs
阵列在主体材料中产生的
IB
增加
对低能光子的吸
收；
而后者则是通过
Q
Ds
中热载流子的碰撞电离
MEG
提高对高能光子的利用率。
这两种电池的理论极限效率都很高<
/p>
(45%,1sun
光照条件下
),
而且各自存在的基
本要素已得到实验证实
,
但是
,
目前制备的
QDSC
的效率还远远没有达到预期
目标。
对
QD-IBSC
而言
,
研究最多的是
InAs/GaAs QDs
电池
,
这个材料体系主要的
问题是能带结构与理想情况相差甚大；其次是实际电池的效率比期望值低得多
,
具体表现在
JSC
增加不大
,
VOC
< br>反而有所降低。针对以上问题
,
改进
QD-IBSC
的性能需从以下
3
方面入手
:
第一
,
寻找满足最佳带隙分配的新的
QD/
势垒层材
料组合
,
Zunger
[8]
等经过计算
,
建议尝试
InAs/InP
和
GaSb/GaAs
材料体系；
第
二
,
在平衡应力
生长技术的基础上增加
QDs
层数以
提高光吸收；第三
,
采用带隙
更大的势
垒层抵消
QDs
引起的有效带隙的窄化
[9]
. <
/p>
QDs
中的
MEG
现象已经在多种材料中被证实
,
而且理论上也给出了制作
MEGSC
所需材料的最佳带隙
值。但在电池中还没有发现明显的
MEG
过程对光电
流的贡献
,
而利用
QDs
结构研制的
QDs
敏化太阳能电池和<
/p>
QDs
/
聚合物太阳能电
池的效率还比较低
(<5 %)
。所以当前的工作重点
是在现有材料基础上
,
选择碰撞
电离能
量阈值低的半导体
QDs
作吸收层来研制
p-i-n
结构
MEGSC
,
并通过对电
池性能的表征和理论分析
,
来改进结构设计和工艺
参数
,
从而加快其走向实用化
的步伐。
制备
QDSC
在材料生长方面还有一定的技术难度。例如生长的
QDs
要有
一
定的尺寸
,
而且需要其密度高、均匀
性好、排列规则
,
还有在多层结构中如何减
< br>小界面态和应力积累形成的缺陷等。即便有合适的材料体系
,
这些要求对生长工
艺而言仍是相当严格的。所以要制作高效率的
QDSC
,
还需要在材料制备技
术上
进行不断的探索和研究。
四、
新型钙钛矿太阳能电池
新型钙钛矿太
阳能电池的光电转换效率在过去两年内提升极为显著，
认证效
率
达到
20.1%
[10]
，受到科学界
和技术界的广泛关注。
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