纳米结构太阳能电池-综述.ppt

纳米结构太阳能电池的前景与挑战,刘君 集成电路工程硕士,作者简介,马太C胡子大叔 耶鲁大学化学PHD NREL的高级研究员,科罗拉多州 美国国家能源部可再生能源实验室 研究新能源并致力于推动家庭，汽车，和商业的发展,CONTENTS,纳米结构太阳能电池的简介,纳米结太阳能电池面临的挑战,引言,1.太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万亿千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012 千瓦小时(度)，相当于目前世界上能耗的40 倍。 2.地球上大部分可再生能源，例如风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮妙能都是来源于太阳。即使是地球上的化石能源（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古动植物存的太阳能。 3.传统化石能源（如煤炭、石油、天然气等）在使用过程中会产生粉尘、二氧化碟、二氧化琉等大气污染物，对环境产生极大的污染。人类历史上的大型环境污染事件，比如美国的光化学污染，英国的雾霾污染，都与化石能源的过度利用密切相关。,据欧洲光伏工业协会预测，太阳能光伏发电在世纪会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。,太阳能电池的简介,太阳能电池属于物理电池，它依靠光伏效应来实现对太阳能的有效利用。,阳光照射在电池表 面，会在电池pn结交界处产生光生载流子。结结区产生的光生载流子被正负电极所收集，最终形成光电流提供给外电路。,太阳能电池具有结构简单，制造方 便，使用寿命长，维护简便，可靠性高，原材料来源丰富，使用过程无污染，无噪音等优点。,太阳能电池结构的分类,从1954年第一块太阳能电池发明至今。太阳能电池的发展已历经三代。 目前正大规模生产和应用的晶体太阳能电池为第一代太阳能电池技术，薄膜太阳能电池为第二代太阳能电池技术。 1.第一代太阳能电池制作工艺简单，转换效率一般在15-25%之间。由于使用体硅材料，其成本和重量的下降空间有限，转换效率也不可能进一步提高。 2.第二代太阳能电池虽然具有很大的成本潜力，但其转换效率更低，只有6-10%。太阳能产业的持续发展，对转换效率和成本必将提出更高的要求。 3.第三代太阳能技术来实现。从图所给出的三代太阳能电池的成本和转换效率区间图可以看出，第三代太阳能电池转换效率可达60%,而且成本优势明显。,为什么要发展纳米结构太阳能电池,传统的Si太阳能电池相关的研究已经非常成熟,光电转换效率较低,制造成本较高,竞争力依然不如传统化石能源,将传统的三维体材料电池,变成二维的纳米结构太阳能电池,甚至是一维的量子点结构太阳能电池,纳米结构太阳能电池的发展,传统SI电池已经很成熟了，难以降低成本,将传统的三维体材料电池，变成二维的纳米线太阳能电池，甚至 是一维的量子点结构太阳能电池,聚光叠层太阳能电池,将不同材料制成的太阳能电池堆叠在一起形成叠层太阳能电池结构，解决光能耗散的问题,纳米线太阳能电池,传统的太阳能电池相关的研究已经非常成熟，占到全球光伏发电量的70%。但是因为它的光电转换效率较低，制造成本较高，争力依然不如传统化石能源。,纳米 线是长度在微米级别，直径在几十至几百纳来左右的线柱，因而纳米线与衬底之 间极小的接触面积让他们之间的应力变小，这样可以大大减小异质结生长时产生 的晶格失配。,纳米线在太阳能电池上的应用主要有种：1.纳米线结构作为减反层； 2.轴向结纳米线电池；3.径向结纳米线电池。,1.纳米线结构作为减反层；2.轴向结纳米线电池；,2.轴向结纳米线电池的设计与制作起源于叠层薄膜电池。它采用各种不同禁带宽度的子电池沿轴向堆叠形成。实际制作中，它是依靠不同子电池的掺杂不同或者制作材料不同而形成堆叠的结。轴向结纳米线电池现在的研究方向主、要是在纳来线中制作叠层的量子胖以提高电池的效率。,1.纳米线太阳能电池有优异的减反射效果。这是由于入射光在纳米线中会进行多次散射，形成“陷光效应”，从而增加被吸收的几率。并且纳米线对入射光的偏振方向，入射角度，入射波长也不敏感，导致纳来线对入射光有很强的捕获能力。,光路,3.径向结纳米线电池,如图所示，传统平板电池面临的一个主要问题是：电子扩散长度太短而无法将光生载流子顺利输运至空间电荷区，从而未能被电极有效收集。,加州理工 径向结的纳米线的结构,如图所示，纳米线较长的轴向方向（长度方向）用于吸收光子，而较短的径向方向（直径方向）用于收集光生载流子。由于纳米线太阳能电池的载流子是径向漂移的，因而载流子的漂移长度大大减少，有利于减少载流子的复合，以提高电池的效率。,如何解决载流子搜集不足的问题？,聚光叠层太阳能电池,叠层太阳能电池的原理,叠层太阳能电池的原理是用具有不同带隙的材料做成多个子太阳能电池，然后把它们按照从大到小的频序累叠起来，形成串联的太阳能电池结构。如 图所示，每个子太阳能电池只吸收自己禁带宽度相对应的光子，这样整个电池的光谱吸收范围就能覆盖太阳光光谱的较大范围，不会出现大量光子无法吸收的情况，也不会出现大量高能光子的多佘能量以热能形式耗散的情况。,纳米结构太阳能电池面临的挑战,产能过剩,中国不仅在传统的制造行业存在产能过剩的问题，在新兴的光伏设备，风电设备等领域也存在严重的产能过剩的问题，影响了行业的可持续健康发展。,技术不成熟,比如叠层设计是目前发展最好的可通过聚光系统或降低成本或从优化薄膜设计增加效率等方面改进从而降低每瓦成本的技术，然而该技术的稳定性不是很好。,国家政策,太阳能电池主要应用于光伏发电领域，国家关于光伏发电产业政策主要包括：投资补贴、统一收购、优惠利率、优惠税收等。,产能过剩,产能过剩是维持我国经济持续稳定发展亟待解决的问题，除了在传统行业存在外，在光伏设备、风电设备、新材料等新兴产业也较为严重，太阳能光热产业也未能避免。 由于盲目投资、低水平重复建设，整个太阳能产业产能大大超过市场需求，太阳能热水器产品产能严重过剩，产品同质化严重，难以满足新兴市场需求。产能过剩问题的解决已势在必行。,国家政策,国家宏观政策不会直接影响纳米结构太阳能电池的研究进展，但是长远来看，宏观政策可以影响科学家促使本行业研究的决心。