量子点材料光伏电池的研究.doc

本文由xiazyan贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 SOLAR ENERGY 技术与产品 太 阳 能 量子点材料光伏电池的研究 大连交通大学薛钰芝 摘要：本文简单分析现有光伏电池的发展现状，介绍第三代太阳电池的研发目标，对多层膜、 量子点材料的光伏电池的原理进行阐述。 关键词：太阳能电池；多层膜；量子点 概述 太阳能是最清洁的可再生能源。当前，各国将太 阳能光伏发电摆在可再生能源利用的重要位置， 它已 成为全球增长最快的高新技术产业之一。 太阳能光伏 电池的研发经历了三个阶段， 目前研发和商品化的为 第一、二代太阳电池（表 ） 。由表可见，已商品化的 大部分为单晶、多晶硅材料的太阳电池。 常规单结半导体电池只能转换接近和高于带隙 能量的光子。导致效率降低的主要因素是（图 ） ： （）光子激发电子 空穴对通过能带间隙时，较高 能量（频率高）和较低能量（频率低）的光子的产 表 第一、二代太阳电池 太阳电池 第一代太阳电池 组分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 铜铟硒薄膜太阳 第二代太阳电池 （薄膜太阳电池） 电池（） 太阳能电池 染料敏化 太阳电池 （实验室） 将商品化 效率 （） （实验室） （产品） 商业化情况 实验室 商品化 商品化 商品化 商品化 特点 高效率 价格较贵 产品很多 价格较低但有衰退 铟是稀有贵金属 效率较高，价格贵 价格较低 不太稳定 （实验室）正在实现商品化 超过 空间应用 出效率相同，导致效率降低 ； （）光子激发电 子 空穴的复合作用与材料缺陷及光激发逆过程有 关； （）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 谱能量并未得到充分的利用。根据理论计算，最大 的太阳能光电转换效率可达 ；串列式太阳电 池的光电转换效率最大为。 目前实验室单晶硅 太阳电池最高效率仅为 ，因此，提高太阳能电 池的光电转换效率大有潜力。 充分利用太阳能的全光谱，提高太阳电池的光 电转换效率；降低成本，并有利于环境保护和生态 平衡，是第三代光伏电池的目标。为此，各国正在 开展以下几方面的研究： （）应用自然界含量丰富，无毒的原材料；经 15 掺杂建立中间能隙，发挥杂质光伏作用，增加能隙 值范围的材料； （）对入射光进行波长调制，以获 得与电池匹配的特性，在光伏电池中运用，以充分 利用全波长太阳光谱； （）研究“热载流子”的光 伏特性； （）进行光伏学的模拟计算，研发应用软 件； （）研究光与电磁相关的问题，进行天线结构 收集光的热动力学计算、 表面电子振荡的表面等离 子体的研究等； （）其他相关问题的研究。 欧共体 国综合项目提出的目标为：研究多结 太阳电池（MJC） ；热光伏学（TPV） ；中间带太阳电 池和材料（IBC） ；探索分子基础的概念（MBC） ；研 究加工技术和预期标准化工作（MFG） 。 SOLAR ENERGY 1/2007 SOLAR ENERGY 太 阳 能 技术与产品 （） 图导致光伏电池效率降低的因素示意图 关于多层膜材料光伏电池 采用纳米多层膜微结构的材料制作光伏电池， 突破常规光伏电池的基本原理， 有望获得较高的能 量转换效率。主要原因为： （）纳米微结构材料的 晶粒尺寸与载流子的散射长度是同数量级， 散射速 率减小，增长载流子的收集效率； （）由于微结构 的电子态密度增大，使其具有较强的吸收系数，控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子； （） 通过层与层的堆垛， 可在较宽的波长范围内光的吸 收能力增强， 将会提高光电转换效率（） ； 纳米多层 膜中，多量子阱结构及杂质能级将形成超晶格中的 微带效应，使得电子可以在垂直于超晶格界面的方 向输运， 发生共振隧穿、 场致局域态间的跳跃导电等 现象， 从而可大大提高光电转换效率 （） ； 低维材料 热载流子辐射收集时间比能量松弛时间短，运用热 载流子的原理， 就有可能使全部电流输出， 而热晶格 即热吸收体存在可以阻碍光生载流子能量发生松弛， 从而提高光电转换效率。新一代光伏电池的研究将 按照由“多层膜叠层半导体材料量子阱材 料量子点材料”的路线发展。 关于量子点材料光伏电池 量子点具有比量子阱更强的作用， 可用量子点从 太阳光吸收一个宽排的光子能量后再发射几个波长 的能量。 在实验室开发量子点物 质，推进单层高效率太阳电池的研究。 用多层氧化硅（多层膜）中排列的 量子点层夹在 （ 型） （） 之间制成电池， 当达到层时， 量 子点的密度增大， 红外光谱的吸收增强了 （与无 夹层比） ，使光生电流增加（低能区） ；但由于 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开 路电压减小了。 可见为提高短路电流、 开路电压， 必 须优化设计量子点结构，以获得较高的光电转换效 率。 更重要的是， 要对 量子点层的机理进行研 究，并用以指导最佳化设计。 量子点被称为“人造原子” ，一般尺度为几十纳 米， 其能带结构与原子相象。 电子和空穴受到三维量 子限域效应影响而呈现不连续的能级。尺度直接决 定量子点的能级。对于一维情况， 能级遵从式 （） ： 16 其中， 为普朗克常数（） ， 为 方向波矢量（） ， 为粒子等效 质量， 为膜层厚度， 而为量子数。 所以厚度愈小， 量子化能级之间的能量差愈大。图 为量子尺寸效 应的示意图， 当尺寸减小时， 使得能隙上升。 式 （） 为一维情况，而量子点在三维情况下均有量子尺寸 效应，若采用量子点材料，将会有以下作用： 图量子尺寸效应示意图 （） 吸收系数增大 量子点限域效应使能隙随粒 ： 径变小而增大，所以量子点结构材料可吸收宽光谱 的太阳光。量子点尺度更小时，处于强限域区易形 成激子，产生激子吸收带，随着粒径的减小，吸收 系数增加。激子的最低能量蓝移。也使其对光的吸 收系数范围扩大。 （）带间跃迁，形成子带：其光谱是由于带间 跃迁的一系列线谱组成。带间跃迁可以使得入射光 子能量小于主带隙的光子转化为载流子的动能。可 以有多个带隙起作用，产生电子空穴对。 （）量子隧道效应与载流子的输运：光伏现象 的实质是材料的内光电转换特性，与电子的输运特 性有密切关系。 电子在纳米尺度量子点空间中运动， 当有序量子点阵列内的量子点尺寸与密度可控时， 量子隧道效应更显现，利于载流子输运。因量子阱 在横向的尺度不是纳米量级，所以可能使得光生载 流子的逃逸容易在两层膜之间发生。而量子点有三 维的量子限域作用，如果尺寸与密度控制得当，这 个问题可以避免。 关于量子点对光生载流子的逃逸、 捕获与复合的过程的机理有待于进一步探讨。例如 量子点中光生载流子如何贡献于光生电流 量 ； 子点能级的分布如何影响辐射复合几率，从而影响 光伏电池的暗电流、开路电压等；由量子点尺寸 决定的量子点能级的空间分布与量子点电池的转换 效率之间有怎样重要的关系；量子点尺寸和密度 控制在怎样的程度方可以使转换效率得到提高等等。 随着量子点材料在发光材料的成功，量子点材料光 伏电池的研发也将取得成果。 （参考文献编者略） SOLAR ENERGY 1/2007 1本文由888ronglin贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 麴 匦厘 量子点材 料光伏 电池 的研究 大连交通大学 薛钰芝 摘 要： 本文简单分析现有光伏电池的发展现状 ， 介绍第三代太阳电池的研发 目标 ，对多层膜 、 量子点材料 的光伏 电池的原理进行阐述 。 关键词 ：太 阳能电池；多层膜 ；量子点 概 述 太阳能是最清洁 的可再生能源 。当前 ，各国将太 大部分为单晶 、多晶硅材料的太阳电池。 阳能光伏发电摆在 可再生能源利用 的重要位置 ，它已 成为全球增长最快 的高新技 术产业之一 。太阳能光伏 电池的研发经历了三个阶段 ， 目前研发和商品化的为 第一 、二代太阳电池 （ 。由表可见，已商品化的 表 ） 常 规单结半 导 体 电池 只能转换 接近 和高 于带 隙 能量 的光子 。导致 效率 降低 的主 要因 素是 （ ： 图 ） （ ）光子激发电子 一空穴对通过能带间隙时 ， 较高 能量 （ 频率高）和较低能量 （ 频率低）的光 了的产 表 第 一、二代太阳 电池 一硼哪 ， 一 唧 一 第一代 太阳电池 单晶硅太阳电池 多晶硅太 阳电池 （ ） 实验室 商品化 高效率 磊贵 衰 产品很多 第 二 代 太 阳 电 池 非硅阳 晶太电 池 嚣 价较 有 格低 衰 但退 篙 验 在 商 铟 有 属 ） 川 室 实品 是贵 ）正 现 化 稀 金 太阳能电池 超过 染料敏 化 太阳电池 （ 薄膜太阳电池） 空间应用 将商 品化 效率较高 ，价格贵 价格较低 不太稳定 （ 实验室） 出效率相同，导致效率降低 ；（）光子激发电 子 一空穴 的复合 作 用与材 料缺 陷及 光激 发逆 过程 有 关 ；（）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 谱 能量并 未得 到充 分 的利用 。根据理 论 计算 ，最 大 的 太 阳能光 电转换 效 率可达 ；串列式 太 阳电 池 的光 电转换 效率 最大 为 。 目前 实验室 单晶硅 太 阳电池最高效 率仅 为 ，因此 ，提 高太阳能电 池 的光 电转换效 率大有潜力 。 充 分利 用太 阳能 的全光 谱 ，提高 太 阳电池 的光 电转 换效 率 ；降 低 成本 ，并有 利 于环境 保护 和 生态 平衡 ，是 第三代 光伏 电池的 目标 。为此 ，各 国正在 开 展 以下 几 方面 的研 究 ： 掺 杂建立 中 间能隙 ，发挥杂 质光 伏作 用 ，增 加能隙 值范围的材料；（）对入射光进行波长调制 ，以获 得 与电池 匹配 的特 性 ，在光 伏 电池 中运用 ，以充分 利 用全波 长太 阳光谱 ；（）研 究 “ 热载 流子 ”的光 伏特性；（）进行光伏学的模拟计算 ， 研发应用软 件 ；（）研 究光与 电磁 相关 的 问题 ，进行 天 线结构 收集光的热动力学计算 、 表面电子振荡的表面等离 子 体 的研 究 等 ； （）其 他相 关 问题 的研 究 。 欧共 体 国 综合项 目提 出的 目标为 ：研 究多 结 太阳电池 （ ； ）热光伏学 （ ） ；中间带太阳电 池和材料 （ ； ） 探索分子基础的概念 （ ） 研 究加工 技术 和预 期标 准化 作 （ ） 二 。 （）应用 自然界含量丰富 ，无毒的原材料 ；经 其 中 ，为 普 朗克 常数 （ ） ， 为 向波矢 量 （ ， 为粒子 等 效 方 ） 木 质 量 ， 为 膜 层厚 度 ， 量 子数 。 以厚度 愈小 ， 而 为 所 图 导致光伏电池效率降低 的因素示意 图 量子 化能 级 之 间的 能量 差愈 大 。图 为量 子尺 寸效 应 的示意 图 ， 当尺 寸减 小时 ， 得 能隙 上升 。（ ） 使 式 关于多层膜材料光伏 电池 采 用 纳米 多 层膜 微 结 构 的材 料 制作 光伏 电 池 ， 突破常规光伏电池的基本原理 ， 有望获得较高的能 量转 换效 率 。主 要原 因 为 ：（）纳 米微 结 构材料 的 晶粒 尺寸 与载 流子 的散 射 长度 是 同数 量 级 ，散 射速 率减小，增长载流子 的收集效率；（ ）由于微结构 的 电子态 密度增 大 ，使其 具有 较强 的吸 收 系数 ，控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子；（） 通过 层 与层 的堆垛 ，可在 较 宽的 波长 范 围内光 的吸 收能力增强 ， 将会提高光电转换效率；（） 纳米多层 膜 中 ，多量 子阱 结构 及杂 质能级 将形 成超 晶格 中的 为一 维情 况 ，而量 子 点在三 维情 况 下均 有量 子尺 寸 效 应 ，若 采 用量 子 点材料 ，将 会 有 以下作 用 ： 一 收 系数范 围扩 大 。 图 量 子 尺 寸 效应 示 意 图 微带 效 应 ，使得 电 子可 以在垂 直于超 晶格 界面 的方 向输运 ， 发生共振 隧穿 、 场致局 域态 间的跳跃 导 电等 现象， 从而可大大提高光电转换效率；（） 低维材料 热 载流子 辐射 收集 时 间比能量松 弛 时 间短 ，运 用热 载流子 的原理 ， 就有 可能使 全部 电流输 出 ， 而热 晶格 即热吸 收体存在可 以阻碍光生载流 子能量 发生松弛 ， 从 而提高 光 电转 换效 率 。新一 代光伏 电池的研 究将 按照 由 “ 多层膜 叠层 半导体 材料 量子 阱材 料 量子点材 料 ”的路 线发展 。 （） 吸收系数增大： 量子点限域效应使能隙随粒 径变 小而 增 大 ，所 以 量子 点结 构材 料可 吸 收宽 光谱 的 太 阳光 。量 子 点尺 度 更小 时 ，处 于强 限域 区易形 成激 子 ，产 生激 子吸 收带 ，随 着粒 径 的减 小 ，吸收 系数 增加 。激 子 的最 低能 量蓝 移 。也使 其对 光 的吸 （）带间跃迁 ，形成子带 ：其光谱是由于带 间 跃迁 的一 系列线 谱组 成 。带 闻跃迁 可 以使得 入 射光 子 能量小 于 主带 隙 的光子 转化 为 载流 子 的动 能 。可 以 有 多个 带 隙起 作用 ，产生 电子 一空穴对 。 （）量子隧道效应与载流子的输运 ：光伏现象 的 实质是 材 料 的 内光 电转 换 特性 ，与 电子 的输运 特 性有密切关系。 电子在纳米尺度量子点空间中运动 ， 当 有 序量 子 点 阵列 内的 量子 点尺 寸 与 密度 可 控时 ， 量子 隧道 效 应更 显现 ，利 于载 流子 输 运 。因量子 阱 在横 向的尺 度不 是纳 米 量级 ，所 以可能 使 得光生 载 流子 的逃 逸 容 易在两 层膜 之 间发 生 。而 量子 点 有三 维 的量 子限 域作 用 ，如 果尺寸 与 密度控 制 得 当 ，这 个 问题可 以 避免 。 关于 量 子点对 光 生载 流子 的逃 逸 、 捕获 与 复合 的过 程 的机理 有待 于 进一 步探 讨 。例 如 量子 点 中光 生载 流 子如 何贡 献于 光 生 电流 ； 量 子 点能级 的 分布 如何 影 响辐射 复 合 几率 ，从 而影 响 光伏 电池 的暗 电流 、开 路 电压 等； 由量 子点 尺寸 决 定的量 子 点能级 的空 间分布 与量 子 点 电池的 转换 效 率之 间有 怎样 重要 的关 系； 量 子 点尺寸 和 密度 控制 在怎样 的程 度方 可以使转 换效率 得到提 高等等 。 随 着量子 点 材料 在发 光材料 的成功 ，量 子点 材料 光 伏 电池 的研 发也 将取 得 成果 。 （ 参考文献编者略 ） 关于量子点材料光伏电池 量子点具有 比量子 阱更强 的作 用 ， 可用 量子点从 太 阳光吸收 一个 宽排 的光 子能 量后再 发 射几个 波长 的能量 。 在实 验室 开发量子 点物 质 ，推进 单层高 效率太 阳 电池 的研究 。 用多层氧化硅 （ 多层膜 ）中排列的 量子点层夹在 （ 型） 之间制成电池 ， 一 （ ） 当达到 层时， 量 子点的密度增大 ， 红外光谱的吸收增强了 （ 与无 夹层 比） ，使光 生 电流增加 （ 能区 ） 低 ；但 由于 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开 路电压减 小 了。 见为提 高短路 电流 、 可 开路 电压 ， 必 须优化 设计 量子 点结 构 ，以获得 较高 的光 电转 换效 率。更重要 的是 ， 要对 量子 点层 的机理 进行研 究 ，并 用 以指导 最佳化 设计 。 量 子点被称 为 “ 造原子” 人 ，一般 尺度为 几十纳 米， 其能带结构与原子相象。 电子和空穴受到三维量 子限域 效 应影 响而呈 现不 连续 的能级 。尺度直 接决 定量子点的能级。对于 一 维情况 ， 能级遵从式 （） ： 1本文由xiazyan贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 SOLAR ENERGY 技术与产品 太 阳 能 量子点材料光伏电池的研究 大连交通大学薛钰芝 摘要：本文简单分析现有光伏电池的发展现状，介绍第三代太阳电池的研发目标，对多层膜、 量子点材料的光伏电池的原理进行阐述。 关键词：太阳能电池；多层膜；量子点 概述 太阳能是最清洁的可再生能源。当前，各国将太 阳能光伏发电摆在可再生能源利用的重要位置， 它已 成为全球增长最快的高新技术产业之一。 太阳能光伏 电池的研发经历了三个阶段， 目前研发和商品化的为 第一、二代太阳电池（表 ） 。由表可见，已商品化的 大部分为单晶、多晶硅材料的太阳电池。 常规单结半导体电池只能转换接近和高于带隙 能量的光子。导致效率降低的主要因素是（图 ） ： （）光子激发电子 空穴对通过能带间隙时，较高 能量（频率高）和较低能量（频率低）的光子的产 表 第一、二代太阳电池 太阳电池 第一代太阳电池 组分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 铜铟硒薄膜太阳 第二代太阳电池 （薄膜太阳电池） 电池（） 太阳能电池 染料敏化 太阳电池 （实验室） 将商品化 效率 （） （实验室） （产品） 商业化情况 实验室 商品化 商品化 商品化 商品化 特点 高效率 价格较贵 产品很多 价格较低但有衰退 铟是稀有贵金属 效率较高，价格贵 价格较低 不太稳定 （实验室）正在实现商品化 超过 空间应用 出效率相同，导致效率降低 ； （）光子激发电 子 空穴的复合作用与材料缺陷及光激发逆过程有 关； （）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 谱能量并未得到充分的利用。根据理论计算，最大 的太阳能光电转换效率可达 ；串列式太阳电 池的光电转换效率最大为。 目前实验室单晶硅 太阳电池最高效率仅为 ，因此，提高太阳能电 池的光电转换效率大有潜力。 充分利用太阳能的全光谱，提高太阳电池的光 电转换效率；降低成本，并有利于环境保护和生态 平衡，是第三代光伏电池的目标。为此，各国正在 开展以下几方面的研究： （）应用自然界含量丰富，无毒的原材料；经 15 掺杂建立中间能隙，发挥杂质光伏作用，增加能隙 值范围的材料； （）对入射光进行波长调制，以获 得与电池匹配的特性，在光伏电池中运用，以充分 利用全波长太阳光谱； （）研究“热载流子”的光 伏特性； （）进行光伏学的模拟计算，研发应用软 件； （）研究光与电磁相关的问题，进行天线结构 收集光的热动力学计算、 表面电子振荡的表面等离 子体的研究等； （）其他相关问题的研究。 欧共体 国综合项目提出的目标为：研究多结 太阳电池（MJC） ；热光伏学（TPV） ；中间带太阳电 池和材料（IBC） ；探索分子基础的概念（MBC） ；研 究加工技术和预期标准化工作（MFG） 。 SOLAR ENERGY 1/2007 SOLAR ENERGY 太 阳 能 技术与产品 （） 图导致光伏电池效率降低的因素示意图 关于多层膜材料光伏电池 采用纳米多层膜微结构的材料制作光伏电池， 突破常规光伏电池的基本原理， 有望获得较高的能 量转换效率。主要原因为： （）纳米微结构材料的 晶粒尺寸与载流子的散射长度是同数量级， 散射速 率减小，增长载流子的收集效率； （）由于微结构 的电子态密度增大，使其具有较强的吸收系数，控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子； （） 通过层与层的堆垛， 可在较宽的波长范围内光的吸 收能力增强， 将会提高光电转换效率（） ； 纳米多层 膜中，多量子阱结构及杂质能级将形成超晶格中的 微带效应，使得电子可以在垂直于超晶格界面的方 向输运， 发生共振隧穿、 场致局域态间的跳跃导电等 现象， 从而可大大提高光电转换效率 （） ； 低维材料 热载流子辐射收集时间比能量松弛时间短，运用热 载流子的原理， 就有可能使全部电流输出， 而热晶格 即热吸收体存在可以阻碍光生载流子能量发生松弛， 从而提高光电转换效率。新一代光伏电池的研究将 按照由“多层膜叠层半导体材料量子阱材 料量子点材料”的路线发展。 关于量子点材料光伏电池 量子点具有比量子阱更强的作用， 可用量子点从 太阳光吸收一个宽排的光子能量后再发射几个波长 的能量。 在实验室开发量子点物 质，推进单层高效率太阳电池的研究。 用多层氧化硅（多层膜）中排列的 量子点层夹在 （ 型） （） 之间制成电池， 当达到层时， 量 子点的密度增大， 红外光谱的吸收增强了 （与无 夹层比） ，使光生电流增加（低能区） ；但由于 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开 路电压减小了。 可见为提高短路电流、 开路电压， 必 须优化设计量子点结构，以获得较高的光电转换效 率。