淺析太陽電池材料研究進展

1、 HYPERLINK 太陽電池池材料研研究進展展太陽電池池材料研研究進展展摘要：近近年來，太陽能能電池的的研究得得到突飛飛猛進的的發(fā)展，顯然，這是新新材料和和新器件件結(jié)構(gòu)的的涌出以以及器件件機理研研究深入入的共同同結(jié)果。本文討討論了有有關(guān)利用用一V族化合合物材料料制備多多結(jié)太陽陽電池和和基于有有機薄膜膜的太陽陽能電池池材料與與器件的的研究進進展。介介紹了多多結(jié)太陽陽能的基基本工作作原理，疊層材材料的帶帶隙選擇擇和晶格格匹配以以及解決決晶格匹匹配問題題的一些些方法。另外，對于有有機薄膜膜太陽能能電池材材料，介介紹了其其基本工工作原理理，性能能優(yōu)越性性以及研研究者對對未來發(fā)發(fā)展前景景的展望望。關(guān)鍵

2、詞：一V族化合合物；多多結(jié)太陽陽電池；晶格失失配；有機薄薄膜；光光伏Absttracct:In reccentt yeearss, ssolaar ccelllsdeevelloprrapiidlyy.Obviioussly,it is ressultt frrom thee deepthh reeseaarchh off thhe nnew matteriialss annd nnew devvicee sttruccturre aand emiissiion mecchannismm off thhe ddeviice.Thiss arrticcle disscusssed thhe uu

3、se of V ccomppounnd mmultti-jjuncctioon ssolaar ccelll maaterrialls aand preeparratiion of thiin ffilmm soolarr ceellss baasedd onn orrgannic matteriialss annd ddeviice ressearrch proogreess. Muultii-juuncttionn soolarr inntrooducced thee baasicc woorkiing priinciiplee off thhe bbandd gaap oof llami

4、inatted matteriial sellecttionn annd tthe lattticce mmatcchinng aand lattticce mmatcchinng tto ssolvve ssomee off thhe wwayss.In addditiion, orrgannic thiin-ffilmm soolarr ceell matteriialss, ddesccribbes itss baasicc woorkiing priinciiplees, perrforrmannce advvanttagees aand ressearrcheers on thee

5、ouutloook forr fuuturre ddeveeloppmennt.Keywwordd:-V ccomppounnd，Mullti-junnctiion sollar cellls，Lattticce mmismmatcch，Orgganiic tthinn fiilm，PV引言：太陽能電電池是將將光能(太陽光光能)轉(zhuǎn)換為為電能的的器件, 是一一種光伏伏器件, 于19554年在貝貝爾實驗驗室首次次發(fā)現(xiàn)。開始的的研究主主要集中中于以單單晶硅為為活性材材料的無無機太陽陽能電池池, 當(dāng)時時貝爾實實驗室報報道的器器件效率率為4%。無機太太陽能電電池通常常是基于于p-nn結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)：p區(qū)存在在

6、過剩空空穴, n區(qū)存存在過剩剩電子, 在p-nn結(jié)附近近,由于p型和n型的突突變而形形成內(nèi)建建電場。材料吸吸收光后后產(chǎn)生的的電子空空穴對, 通過過擴散, 達到到p-nn結(jié)界面面, 在內(nèi)內(nèi)建電場場作用下下分開, 并分別別向2個電極極移動, 形成成光伏。一V族族化合物物多結(jié)太太陽電池池，一直直都是太太陽電池池發(fā)展的的熱點方方向。一一方面，一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽電電池的實實驗室效效率在大大氣質(zhì)量量已經(jīng)突突破400%(AMMl.5)11,2的紀(jì)錄錄，并仍仍在不斷斷刷新；另一方方面，以以GaAAs基電電池為代代表的一一批一V族化合合物太陽陽電池，已經(jīng)廣廣泛應(yīng)用用于宇航航系統(tǒng)的的能源供供應(yīng)，打打開了一V

7、族化合合物多結(jié)結(jié)太陽電電池的應(yīng)應(yīng)用空間間。而有有機物是是最為廉廉價和最最具吸引引力的太太陽能電電池材料料：一方方面由于于有機材材料合成成成本低低、功能能易于調(diào)調(diào)制、柔柔韌性及及成膜性性都較好好；另一方方面由于于有機太太陽能電電池加工工過程相相對簡單單,可低溫溫操作,器件制制作成本本也較低低.除此之之外,有機太太陽能電電池的潛潛在優(yōu)勢勢還包括括：可實實現(xiàn)大面面積制造造、可使使用柔性性襯底、環(huán)境友友好、輕輕便易攜攜等。因因而有望望在手表表、便攜攜式計算算器、半半透光式式充電器器、玩具具、柔性性可卷曲曲系統(tǒng)等等體系中中發(fā)揮供供電作用用。一V族族材料制制備多結(jié)結(jié)太陽電電池1.多結(jié)結(jié)電池結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材材

8、料只能能吸收能能量大于于其帶隙隙的入射射光子，并且每每吸收一一個光子子最多只只能放出出一對電電子一空空穴對。也就是是說，對對于能量量小于其其帶隙的的入射光光子，半半導(dǎo)體材材料是“透明”的；對對于能量量遠大于于其帶隙隙的一個個入射光光子，半半導(dǎo)體材材料將其其吸收后后，也只只能放出出一對電電子空穴對對。多余余的能量量會以聲聲子輻射射的方式式轉(zhuǎn)換為為晶格振振動的熱熱能，造造成能量量損失。太陽輻輻射光譜譜在0.154cm的波波長范圍圍內(nèi)均有有著較強強的分布布，要想想在這樣樣寬的波波長范圍圍內(nèi)盡可可能多地地吸收太太陽輻射射能量，并將其其轉(zhuǎn)化為為電能而而不是晶晶格振動動的熱能能，僅僅僅采用單單一禁帶帶寬度

9、的的單結(jié)電電池是難難以實現(xiàn)現(xiàn)的。MMWollfc3先先后提出出了多結(jié)結(jié)太陽電電池的概概念。將將禁帶寬寬度不同同、能夠夠吸收不不同波長長區(qū)間太太陽輻射射能量的的單結(jié)太太陽電池池堆疊起起來，形形成疊層層結(jié)構(gòu)。這樣構(gòu)構(gòu)成的多多結(jié)太陽陽電池，不僅能能夠擴大大電池對對太陽輻輻射光譜譜波長的的利用范范圍，而而且還提提高了單單位波長長區(qū)間內(nèi)內(nèi)的光電電轉(zhuǎn)換效效率，是太太陽電池池設(shè)計理理念的一一次飛躍躍。2.疊層層材料的的帶隙選選擇和晶晶格匹配配問題在AM(大氣質(zhì)質(zhì)量)11.5的標(biāo)準(zhǔn)光光照條件件下，應(yīng)應(yīng)用細節(jié)節(jié)平衡理理論44，一一個三結(jié)結(jié)太陽電電池理論論上能夠夠達到的的最高效效率為449.7，而而一個四四結(jié)太陽

10、陽電池理理論上能能夠達到到的最高高效率為為53.65。要想想實現(xiàn)這這樣的最最優(yōu)轉(zhuǎn)換換效率，所選材材料的帶帶隙組合合就應(yīng)該該最大程程度地與與太陽輻輻射光譜譜相匹配配。經(jīng)計計算，對對一個三三結(jié)太陽陽電池，這樣的的最優(yōu)帶帶隙組合合應(yīng)該是是0.71，1.16和1.83 eV；對一個個四結(jié)太太陽電池池，最優(yōu)優(yōu)帶隙組組合應(yīng)該該是0.71，1.13，1.55和2.13 eV。目前，以MOOCVDD為代表表的外延延生長技技術(shù)只能能實現(xiàn)晶晶格匹配配材料的的疊層外外延生長長，而如如果采用用晶格完完全匹配配的材料料構(gòu)造多多結(jié)太陽陽電池，又很難難找到一一組材料料能夠完完全滿足足上述最最優(yōu)帶隙隙組合。最佳的的帶隙組組分

11、可以以實現(xiàn)對對太陽輻輻射譜的的最大利利用，而而材料的的晶格匹匹配便于于外延生生長的實實現(xiàn)，這對對矛盾限限制了一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽電電池轉(zhuǎn)換換效率的的進一步步提升。3.解決決方法針對這一一問題，目前出出現(xiàn)了一一些新的的解決方方法：一一種是采采用漸變變緩沖層層結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計來實實現(xiàn)晶格格失配較較大材料料的外延延生長；另一種種是尋找找?guī)对谠?.0eVV附近，以InnGaAAsN為為代表的的四元材材料盡量量滿足帶帶隙要求求和晶格格匹配；還有一一種是采采用低溫溫鍵合技技術(shù)，將將晶格失失配的材材料直接接鍵合在在一起。這些解解決方法法有的已已經(jīng)創(chuàng)造造了太陽陽電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的新記記錄，有有的雖然然目前轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

12、換效率率還不高高，但是是提供了了一些具具備潛力力的新思思路。上述三種種方法中中，目前前能夠?qū)崒崿F(xiàn)最高高轉(zhuǎn)換效效率的是是采用漸漸變緩沖沖層的方方法。通通過采用用漸變緩緩沖層，失配和和位錯都都能夠限限制在漸漸變緩沖沖層的區(qū)區(qū)域內(nèi)，從而大大大減小小了其對對漸變緩緩沖層以以上電池池結(jié)構(gòu)的的影響。漸變緩緩沖層技技術(shù)已成成為目前前晶格失失配太陽陽電池的的主流技技術(shù)。基于有機機薄膜的的太陽能能電池材材料1.發(fā)展展概況有機太陽陽能電池池的研究究始于119599年,其結(jié)構(gòu)構(gòu)為單晶晶蒽夾在在2個電極極之間6, 器件件的開路路電壓為為2000 mVV, 由由于激子子的解離離效率太太低使得得轉(zhuǎn)換效效率極低低。這方面面

13、研究的的重大突突破是119866年報道道的雙層層結(jié)構(gòu)染染料光伏伏器件7。器件以以酞菁衍衍生物作作為p型半導(dǎo)導(dǎo)體,以四羧羧基苝的的衍生物物作為nn型半導(dǎo)導(dǎo)體, 形成雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu), 功率率轉(zhuǎn)換效效率約為為1%。該研究究首次將將電子給給體(pp型)/電子子受體(n型)有機雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)的概概念引入入, 并解解釋了光光伏效率率高的原原因是由由于光致致激子在在雙層異異質(zhì)結(jié)界界面的光光誘導(dǎo)解解離效率率較高。19992年,研究發(fā)發(fā)現(xiàn)用共共軛聚合合物作為為電子給給體（D）和C60作為為電子受受體（A）8-112的的體系,這一發(fā)發(fā)現(xiàn),使聚合合物太陽陽能電池池的研究究成為新新的熱點點。繼而發(fā)發(fā)展的以以聚合

14、物物MEHH-PPPV做給給體，CC60衍生生物PCCBM作作為受體體的共混混材料制制備的本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)器件件,由于無無處不在在的納米米尺度的的界面大大大增加加了異質(zhì)質(zhì)結(jié)面積積,激子解解離效率率提高,使轉(zhuǎn)換效效率進一一步提高高,達到2.9%13。在過去的的30年里里,人類投投入巨大大的精力力來研究究有機太太陽能電電池,雙層異異質(zhì)結(jié)器器件、本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)器件件、混合合蒸鍍的的小分子子器件以以及有機機/無機雜雜化器件件的研究究都有了了長足的的進展。2.器件件結(jié)構(gòu)及及其工作作原理有機太陽陽能電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)，由單層層Schhotttky器器件開始始，相繼發(fā)發(fā)展了雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)、本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)、分分子D

15、-A結(jié)，以及基基于以上上單元結(jié)結(jié)構(gòu)的級級聯(lián)器件件等。除了要要求活性性材料有有較高的的太陽光光譜吸收收能力，有機光光伏器件件中激子子解離是是提高器器件效率率的最重重要因素素。與無機機光伏器器件吸收收光后產(chǎn)產(chǎn)生自由由電子空空穴對不不同，有機材料料在吸收收光后，產(chǎn)生流流動的激激發(fā)態(tài)(即束縛縛電子空空穴對)。由于激激子中電電子空穴穴對之間間庫侖作作用較大大，同時有有機物介介電常數(shù)數(shù)較小，使激子子解離需需要的能能量高于于熱能kkT14,15,因此，有機材材料激子子解離困困難，不易形形成自由由載流子子。不同的器器件結(jié)構(gòu)構(gòu)中，激子解解離的機機制有所所不同。3.展望望雖然有機機太陽能能電池的的功能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率

16、已經(jīng)達達到了55%6%，應(yīng)用前前景已經(jīng)經(jīng)初見曙曙光。但是，與成熟熟的無機機太陽能能電池相相比，有機太太陽能電電池?zé)o論論從性能能、機理理還是穩(wěn)穩(wěn)定性等等許多方方面都尚尚處于初初級階段段。因此，進一步步地借鑒鑒無機太太陽能電電池的成成熟技術(shù)術(shù)及研究究思路將將會對有有機太陽陽能電池池的研究究起推動動作用;機理的的深入研研究,可指導(dǎo)導(dǎo)功能材材料的合合成、發(fā)發(fā)展出新新型的器器件結(jié)構(gòu)構(gòu);結(jié)合有有機材料料、無機機材料、納米材材料的不不同優(yōu)點點,有機/無機雜雜化器件件以及引引入納米米材料的的研究將將會繼續(xù)續(xù)維持該該領(lǐng)域的的熱點;利用分分子D-A結(jié)材材料制作作性能優(yōu)優(yōu)良的單單層有機機太陽能能電池,對該類類材料以

17、以及器件件的制備備工藝都都將是一一大挑戰(zhàn)戰(zhàn);隨著器器件性能能日益提提高,穩(wěn)定性性研究也也將提到到日程上上來。結(jié)語：無論是一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽電電池還是是有機太太陽能電電池,在其幾幾十年的的發(fā)展歷歷程中已已經(jīng)取得得了長足足的進步步，太陽陽電池的的轉(zhuǎn)換效效率不斷斷得到提提高。隨隨著人們們進一步步的探索索,太陽能能電池將將挑戰(zhàn)更更高的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和更廣廣闊的應(yīng)應(yīng)用空間間。參考文獻獻：1.KINNG RR R.LAWW D C.EEDMOONDSSON K MM 400% eeffiicieent mettamoorphhic GaIInP/GaIInAss/Gee muultiijunnctii

18、on sollar cellls220077(188)2.GUTTER W.SSCHOONEJJ.PHHILIIPPSS S P CCurrrentt-maatchhed triiplee-iuuncttionn soolarr ceell reaachiing 41.1% connverrsiooneffficcienncy undder conncenntraatedd suunliightt 20009(22)3.WOLLF MM Liimittatiionss annd pposssibiilittiess foor iimprroveemennt oof pphotto-vvoltt

19、aicc soolarr ennerggy cconvvertterss:PaartII:Coonsiiderratiionss foor eeartthss suurfaace opeerattionn 19960(7)4.SHOOCKLLEY W.QQUEIISSEER HH J Dettailled ballancce llimiit oof eeffiicieencyy off p-n jjuncctioon ssolaar ccellls 119666(3)5.5.MARRTI A.AARAUUJO G LL Liimittingg effficciennciees ffor pho

20、oto-volltaiic eenerrgy connverrsioon iin mmulttigaap ssysttemss19996(22)6.PTAAK AA J.FRIIEDMMAN D JJ.KUURTZZ S Loww-acccepp-toor-cconccenttrattionn GaaInNNAs groown by mollecuularr-beeam epiitaxxyfoor hhighh-cuurreent p-ii-n sollar celll aappllicaatioons 20005(99)7.KURRTZ S RR.KLLEM J FF.ALLLERRMANN

21、 A A MMinooritty ccarrrierr diiffuusioon aand deffectts iin IInGaaAsNN grrownn byymollecuularr beeam epiitaxxy 220022(8)8.GEIISZ J FF.KUURTZZ S.WANNLASSS MM W Higgh-eeffiicieencyy GaaInPP/GaaAs/InGGaAss trriplle-jjuncctioon ssolaar ccellls ggrowwninnverrtedd wiith a mmetaamorrphiic bbotttom junnctii

22、on 20007(22)9.KONNDOWW M.KITTATAANI T.NNAKAATSUUKA S GGaInnNAss:a novvel matteriial forr loong-wavveleengtth ssemiiconnducc-toor llaseer19997(33)10.KURRTZ S RR.MYYERSS D.OLSSON J MM Prrojeecteed pperffor-mannce of thrree-andd foour-junnctiion devvicees uusinng GGaAssandd GaaInPP 1999711.KUURTZZSR.ALLLERMMANAAA.JJONEES EE D InGGaAssN ssolaar