【《第三代太阳电池转化效率提高方法分析》2200字】

第三代太阳电池转化效率提高方法分析目录TOC\o"1-3"\h\u32312第三代太阳电池转化效率提高方法分析 1172751.1多能级法 1140011.1.1叠层太阳能电池 131331.1.2硅基薄膜太阳能电池 2218841.1.3染料敏化叠层太阳电池 2219591.2量子限制结构的太阳电池 3214391.3中间能级太阳电池 3257281.4量子增殖 4155401.5小结 51.1多能级法1.1.1叠层太阳能电池叠层太阳能电池是Jackson在1955年提出的新型太阳能电池[7]，是由禁带宽度不同的材料所制成的多个P-N结叠加而成。叠层太阳能电池将具有最大禁带宽度的P-N结置于电池最顶端，其余P-N结则按禁带宽度大小依次堆叠在底部。相比于普通的太阳能电池，叠层太阳能电池中不同禁带宽度的P-N结可以根据自身能隙的宽度来吸收不同能量的光子，这样高能量的光子由宽能隙的结吸收，而低能量的光子由窄能隙的结吸收，不仅可以充分利用光谱中的能量，还有效的降低了较高能量光子的热损失并能更多地利用低能量的光子。商用的多结太阳电池已经开始在太阳能发电系统中发挥作用，专家预言与聚焦器配合一起使用的多结太阳电池将来会发挥其成本和效率上的优势[8-10]现在这种多结太阳电池的转换效率已经超过40%[11]。图1.1叠层太阳电池示意图1.1.2硅基薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池分为无定形硅(a-Si)薄膜太阳能电池,微晶硅(UC-Si)薄膜太阳能电池,纳米硅(a-Si)薄膜太阳能电池,及其复合层压能源电池。非晶硅通常用于制造单结太阳能电池，但由于非晶硅中的高缺陷浓度，其效率仅为4%〜5%[12]。无定形硅太阳能电池的顶层由无定形硅制成，底层由无定形硅和GE的合金制成。这种层压电池通常是串联的,并通过化学气相沉淀或其他真空沉淀技术进行生长。尽管在实验室中这种双结或三结层压电池的效率可以达到19.8%[13]，但很难实现10%的批量生产效率。微晶硅的能量带为1.1eV，非晶硅的能量带为1.7eV两者的结合接近理想的层压电池结构。1994年，IMT纳沙泰尔首次提出了μC-Si:H/a-Si:H层压太阳能电池[14]，转换效率可以显着提高。该结构使用非晶硅作为顶部电池,微晶硅作为底部电池,并具有高效率和高稳定性。Shah[15]计算得出,此类细胞的理论转化效率可能超过30%。目前，其转换效率可以达到8.5%〜11%[16]。1.1.3染料敏化叠层太阳电池在过去的20年中,染料敏化太阳能电池(DSSC)一直是基于有机小分子的最有效和最具潜力的电池设备。与普通的硅基太阳能电池相比,DSSC的生产成本和环境保护较低,因此受到了越来越多的关注[17-19]。1991年，Gratzel组[20]成功制备了具有Ru金属络合物(N3)作为染料分子和具有高比表面积作为半导体材料的纳米多孔二氧化钛薄膜的电池系统,光电转换效率的实际测量已达到8%。这一结果引起了全世界的关注，并为染料分子太阳能电池的相关研究打开了序幕。从理论上讲,此类电池的效率可以达到33%〜36%[21]，但是由于技术和其他实际因素，当前达到的效率远非上限。根据2008年5月的媒体报道，索尼开发了用于商业应用的染料敏化太阳能电池,效率为10%[22]。据日经新闻社BP[23]称:Gratzel的小组，牛津大学和丰山大学独立开发了固态染料敏化太阳能电池，2013年的转化效率超过15%。根据这种说法使用当前的材料和技术,太阳能电池的转换效率可以达到17%，将来可能会上升到21%.1.2量子限制结构的太阳电池为了能利用晶体材料及薄膜技术的优点，同时又可避开III-V族化合物晶体外延技术的高成本，可使用晶体硅薄膜。目前用这种材料制得的单结太阳电池效率只有10%。为提高利用这种材料制成的叠层电池的效率且保持第三代太阳电池的优点，目前研究人员正研究在Si叠层太阳电池中引入量子限制的微结构以提高其性能。利用量子限制效应调整材料的等效禁带宽度，从而实现叠层太阳电池的最大能量转换效率。量子限制效应通常是通过在材料内引入量子阱或量子点来实现[24]。1.3中间能级太阳电池中间能级法是在普通单结太阳能电池的能量间隙中引入一个或多个中间能量水平,当电池正常工作时,这些中间能量水平可以吸收光子。吸收过程分为三种:VB(价带)→Ib(中间带)，Ib→Cb(导电带)和VB→9Cb。这种方法有可能提高电池效率[25]。当前的研究重点是使用量子点形成中间带[26]，量子点的能量水平低于屏障区域的能量水平,因此量子点形成单独的能量水平。这些分裂的能量水平形成小带,从而增加了细胞吸收的光子数量。但是,由于量子点很小,因此它们无法吸收许多光子。为了使用更多的量子点来增加激发载体的数量,通常在电池中会生长更多的量子点层。但是，量子点层越多对结构的损害就越大,从而降低了太阳能电池的性能。总而言之，尽管通过将中间能量水平引入能量缺口并不能实现效率优势,但这些设备在不久的将来仍具有提高太阳能电池转换效率的巨大潜力。图1.2中间能级太阳电池1.4量子增殖高能光子被激发几次以产生多个载体对,这也可以提高太阳能电池的效率。当半导体吸收高能光子时被它们激发的载体将发生碰撞电离，所谓的碰撞电离意味着在导带中具有高能量的电子将在向同一导带中的低能级过渡的过程中与价带中的电子发生碰撞，价带中的电子将利用与电子碰撞中获得的能量在传导带中具有高能量从而过渡到传导带，这样将生成两个或多个能量接近间隙宽度的载体[27]。但是散装物料中碰撞电离的可能性很小最近的研究表明,碰撞电离过程在量子点上更有效。冲击电离现象最早是在PbSe量子点中发现的,并在许多其他材料的II-VI化合物和量子点中发现。基于上述方法的设备必须在散装物料中分离,传输和收集生成的多个载体对。图1.3多载流子激发1.5本章小结第三代薄膜超高效太阳能电池作为当下太阳能电池领域的研究热点之一，其转换效率的提高是推