量子点材料光伏电池的研究.doc

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SOLARENERGY
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
１．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１）。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１）：（１）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１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ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ２）ＧａＡｓ太阳能电池ＴｉＯ２染料敏化太阳电池１１％（实验室）将商品化效率２４．７％（ＵＮＳＷ）１６～１７％１２％～１７％１３％（实验室）５～８％（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
７～１１％（实验室）正在实现商品化超过３０％空间应用
出效率相同，导致效率降低４４％；（２）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；（３）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９３．３％；串列式太阳电池的光电转换效率最大为８６．８％。目前实验室单晶硅太阳电池最高效率仅为２４．７％，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：（１）应用自然界含量丰富，无毒的原材料；经
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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；（２）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；（３）研究“热载流子”的光伏特性；（４）进行光伏学的模拟计算，研发应用软件；（５）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；（６）其他相关问题的研究。欧共体６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）。
SOLARENERGY1/2007
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太阳能技术与产品
２ｈ２ｋ２ｎ２πｈ２ｎ２＝２ｍ＊２ｍ＊Ｌ２
Ｅ２ｎ＝
（１）
图１导致光伏电池效率降低的因素示意图
２．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：（１）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；（２）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；（３）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（４）；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（５）；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。３．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。ＡｒｔｈｕｒＪ．Ｎｏｚｉｋ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。Ｈ．Ｐｒｅｓｔｉｎｇ用多层氧化硅（多层膜）中排列的Ｇｅ量子点层夹在Ｓｉ（Ｐ型）－Ｓｉ（ｉ）之间制成电池，当达到７５层时，量子点的密度增大，红外光谱的吸收增强了１０％（与无夹层比），使光生电流增加（低能区）；但由于Ｇｅ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