太陽(yáng)能電池與納米技術(shù)

太陽(yáng)能電池與納米技術(shù)的應(yīng)用王飛（機(jī)電工程學(xué)院航空宇航制造工程專(zhuān)業(yè)2013級(jí)13S008210）摘要隨著全球能源危機(jī)的到來(lái)，以及現(xiàn)在世界各國(guó)開(kāi)始強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境的對(duì)于人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展的重要意義，再生能源必然會(huì)成為重大的戰(zhàn)略突破口，現(xiàn)在再生能源已經(jīng)被世界各國(guó)采用的主要是對(duì)水能的開(kāi)發(fā)，但是水能所提供的能源并不能根本解決世界發(fā)展的能源短缺問(wèn)題，而太陽(yáng)能技術(shù)可以看做更加便利的清潔的以及很有可能大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)被世界各國(guó)重視。但是，現(xiàn)階段由于各方面的技術(shù)原因，太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率不高，成本高等一系列問(wèn)題阻礙著太陽(yáng)能電池的發(fā)展。隨著納米技術(shù)中在制備納米材料上的發(fā)展，很有可能促進(jìn)太陽(yáng)能電池的發(fā)展。本文主要介紹太陽(yáng)能電池的工作原理以及發(fā)展瓶頸和在納米技術(shù)的發(fā)展中可能出現(xiàn)的解決太陽(yáng)能電池發(fā)展瓶頸的可能突破口。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；肖克萊方程；P-N結(jié)；納米材料第1章引言太陽(yáng)能的利用由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣背景下，1992年聯(lián)合國(guó)在巴西召開(kāi)“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)會(huì)議通過(guò)了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》，《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會(huì)議之后，世界各國(guó)加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將利用太陽(yáng)能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起，使太陽(yáng)能利用工作走出低谷，逐漸得到加強(qiáng)。但是現(xiàn)在人們對(duì)于太陽(yáng)能的利用比較大規(guī)模的還是利用其光熱原理。比如圖1.1.1。而大規(guī)模的利用太陽(yáng)能也只是比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)由于電力無(wú)法供應(yīng)而采取的唯一措施。如圖1.1.2，圖1.1.3。

圖1.1.1圖1.1.2圖1.1.3從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位。根據(jù)歐洲JRC的預(yù)測(cè)，到2040年可再生能源占總能耗50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上。圖1.1.4為2004年歐盟聯(lián)合研究中心關(guān)于未來(lái)能源消費(fèi)情況的預(yù)測(cè)。目前太陽(yáng)能電池的種類(lèi)有很多種，但是以硅基太陽(yáng)能電池最為常見(jiàn)，圖1.2為按材料分已經(jīng)有的太陽(yáng)能電池種類(lèi)。

硅基薄膜衣陽(yáng)電池體硅衣陽(yáng)電池1單晶硅衣陽(yáng)電池多晶硅衣陽(yáng)電池廣非晶硅薄膜衣陽(yáng)電池H硅基薄膜衣陽(yáng)電池體硅衣陽(yáng)電池1單晶硅衣陽(yáng)電池多晶硅衣陽(yáng)電池廣非晶硅薄膜衣陽(yáng)電池H多晶硅薄膜衣陽(yáng)電池徽晶硅薄膜衣陽(yáng)電池圖L2按使用材料對(duì)衣陽(yáng)電池的分類(lèi)第2章太陽(yáng)能電池的工作原理光是以光子的形式傳播的，每個(gè)光子的能量E只是依賴(lài)于波長(zhǎng)久，即光的顏色。可見(jiàn)光的能量足夠激發(fā)固體中的電子到更高的能級(jí)，并自動(dòng)地進(jìn)行。這種現(xiàn)象的極端現(xiàn)象就是光伏效應(yīng)(photoelectrieeffect).藍(lán)光或紫外線(xiàn)的高能量光子提供了足夠的能量，徹底地從金屬表面溢出。但是在大多數(shù)的情況下，物質(zhì)吸收入射光后，光子的能量使電子躍遷到高能級(jí)，但是受激電子很快的回到基態(tài)。在太陽(yáng)能的光伏效應(yīng)中，內(nèi)部非對(duì)稱(chēng)的p-n結(jié)，使電子在回到基態(tài)之前，被輸運(yùn)到外部電路。受激電子得到的能量形成電勢(shì)差，驅(qū)動(dòng)外部電路的負(fù)載。如下圖。光電融應(yīng)圖2.1.2光電效應(yīng)當(dāng)光撤射在太陽(yáng)電池上時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電光能電報(bào)N碗一光電融應(yīng)圖2.1.2光電效應(yīng)當(dāng)光撤射在太陽(yáng)電池上時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電光能電報(bào)N碗一十一p空硅— ????電按圖2.1.3光伏效應(yīng)(±)?太陽(yáng)電池T電第3章太陽(yáng)能電池的發(fā)展瓶頸肖克萊方程和光生電壓當(dāng)加上負(fù)載，太陽(yáng)能電池的接觸電極之間就產(chǎn)生電壓V,由于太陽(yáng)能電池的二極管特性，產(chǎn)生暗電流Jdark，與光生電流Jph的方向相反。與單向?qū)ǖ亩O管一樣，黑暗中的太陽(yáng)能電池，在電壓V下，具有整流特性，在正向電壓下的電流遠(yuǎn)大于反向電壓下的電流。非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)P-N結(jié)分離載流子，使太陽(yáng)能電池具有這種整流特性。在正向?qū)?/p>

通的情況下，二極管的電阻隨電壓V變化，電流J和電壓V呈指數(shù)關(guān)系。如果二極管或者太陽(yáng)能電池的溫度和環(huán)境溫度相同，處于熱平衡狀態(tài)，暗電流滿(mǎn)足肖克萊方程：3-1)J (V)二J[exp(qV/kT)-1]3-1)dark 0 Ba肖克萊方程描述的是理想二極管模型，適合達(dá)到擊穿電壓之前的情況(如圖3.3.1)。圖3.3.1圖3.3.13-2)太陽(yáng)能電池的電流為光生電流和暗電流的疊加。3-2)J(V)二J-J (V)scdarkJ(V)二J—J[exp(qV/kT)—1] (3-3)當(dāng)電路斷開(kāi)J(V)=0時(shí)，太陽(yáng)能電池直接接觸的電極之間的電壓達(dá)到開(kāi)路電壓,即光生電壓，這相當(dāng)于暗電流和光生電流相等，得到：3.3填充因子與轉(zhuǎn)化效率VphockT3.3填充因子與轉(zhuǎn)化效率VphockT—B_aqln(-nsc+1)J03-4)太陽(yáng)能電池的電壓范圍為0~Voc,在這個(gè)范圍內(nèi)的發(fā)電效率為：P(V)=J(V)V (3-5)最佳工作點(diǎn)是太陽(yáng)能電池達(dá)到最大功率對(duì)應(yīng)的最佳工作電壓Vm,最佳工作電流Jm和最佳負(fù)載電阻Rm,應(yīng)當(dāng)根據(jù)最佳負(fù)載使用太陽(yáng)能電池。Rm=Vm/(AJm) (3-6)填充因子(fillfactor,FF,%)定義為：P—JV_P(V)FF—m m~~mJVJVJV (3-7)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率是最大功率Pm和太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻照度的比值：(3-8)(3-9)PJV_P(V)(3-8)(3-9)耳—m—mm—m轉(zhuǎn)換效率與短路電流Jsc，開(kāi)路電壓VOc,填充因子Ff存在關(guān)系:JVFF耳——sco P對(duì)于太陽(yáng)能電池而言，開(kāi)路電壓Voc：短路電流，填充因子FF和轉(zhuǎn)化效率是最重要

的四個(gè)參數(shù)，就現(xiàn)在的工藝水平，單片晶體硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓Voc~0.6V,Vm在0.5V左右，短路電流Isc二AJsc為5~8.5A,Pm為2~4w,轉(zhuǎn)化效率在15%~17%,FF為65%~80%。因?yàn)閹洞蟮陌雽?dǎo)體材料內(nèi)建電場(chǎng)大，開(kāi)路電壓也就大，而電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶躍遷更難，短路電流很小。所以在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用中還涉及最佳工作點(diǎn)的計(jì)算。又因?yàn)樵谡鎸?shí)的太陽(yáng)能電池中，能量被耗散在接觸電阻和太陽(yáng)能的邊緣的漏電電流上，效果相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電阻和分流電阻。綜合各種因素，太陽(yáng)能電池的效率不高以及成本問(wèn)題一直影響著太陽(yáng)能電池的發(fā)展。4太陽(yáng)能電池中納米技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)有的太陽(yáng)能電池有層疊太陽(yáng)能電池（效率33%）,晶體Si太陽(yáng)能電池（效率23%），薄膜太陽(yáng)能電池（效率18%），染料太陽(yáng)能電池（效率12%），聚合物太陽(yáng)能電池（效率6%）。1巧斗年多晶非晶

硅材

料汩曰多晶非晶

硅材

料卑日日

硅材

料效率高27%,但耗材，成本高，工藝復(fù)雜效率高效率高27%,但耗材，成本高，工藝復(fù)雜效率高20%；成本相對(duì)低,

成本略低，但但效率相對(duì)依然高 低門(mén)一斗％效率高20-40%；

穩(wěn)定，但成本咼，

工藝復(fù)雜，材料來(lái)

源少（GaAs.InGaP.CdTe=CuhiSe..）效率6.5%,廉價(jià)，柔韌性好，［旦壽納米納米（1991年，染料敏化衣陽(yáng)電池，至今最高效率為11%）2004年Green教授提出發(fā)展第三代太陽(yáng)能電池的設(shè)想。如果我們稱(chēng)半導(dǎo)體晶體片太陽(yáng)能稱(chēng)為第一代太陽(yáng)能電池，薄膜太陽(yáng)能電池稱(chēng)為第二代太陽(yáng)能電池，那么下一代電池的新型太陽(yáng)能電池就是人們預(yù)期的第三代太陽(yáng)能電池。這類(lèi)太陽(yáng)能特點(diǎn)為：首先應(yīng)保持第二代薄膜太陽(yáng)能電池的低成本的特點(diǎn)，還具有高于Shockley-Queisser極限（32.8%）的高效率，而且電池性能穩(wěn)定可靠和電池材料來(lái)源豐富。換言之，所謂第三代太陽(yáng)能電池是一種“高效率?低成本?長(zhǎng)壽命?無(wú)毒性?高穩(wěn)定”的接近理想化光伏太陽(yáng)能電池。怎么去實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)，這就需要快速發(fā)展的納米技術(shù)了。納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池是指利用各種納米材料和結(jié)構(gòu)所具有的分立光譜特征（存在自旋和軌道相互作用）、量子限制效應(yīng)（微結(jié)構(gòu)材料三維尺度中至少有一維度與電子德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)，因此電子在此維度中運(yùn)動(dòng)受到限制，電子態(tài)呈量子化分布，連續(xù)的能帶將分解為離散能級(jí)，即形成分立的能級(jí)和駐波形式的波函數(shù)）、良好的光吸收特性，或者多激子產(chǎn)生能力和制作的高效率太陽(yáng)能電池。從結(jié)構(gòu)形成形式上則主要有量子阱太陽(yáng)能電池，量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，納米薄膜太陽(yáng)能電池盒納米線(xiàn)太陽(yáng)能電池。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)(quantumdot,QD)是指尺寸在幾十納米范圍內(nèi)的納米晶粒,電子被約束在三維勢(shì)阱中,其運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向都是量子化的。因而形成類(lèi)似于原子內(nèi)的分裂能級(jí)結(jié)構(gòu)，所以QDs也被稱(chēng)為人造原子.最初提出QDSC的概念，是考慮到QWs,QDs等低維結(jié)構(gòu)在改善激光器、發(fā)光二極管及光電探測(cè)器等器件性能方面的成功應(yīng)用.與傳統(tǒng)的體材料相比，QDs的基本優(yōu)勢(shì)在于:通過(guò)共振隧穿效應(yīng)，能提高電池對(duì)光生載流子的收集率，從而增大光電流;通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸和形狀，可以?xún)?yōu)化量子化能級(jí)與太陽(yáng)光譜的匹配度。則太am砒 ■齊“睨電總量子點(diǎn)的量子效應(yīng)大大提高了俄歇過(guò)程，有效的改進(jìn)了形成電子空穴對(duì)的動(dòng)力學(xué)弛豫，同時(shí)也提高了多激子產(chǎn)生的效率，因此可以達(dá)到提高光電流的目的.且對(duì)于三維限制的載流子，動(dòng)量不再是一個(gè)好量子數(shù)，躍遷過(guò)程不必滿(mǎn)足動(dòng)量守恒.圖4.3量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)：能夠有效降低的成本太陽(yáng)能電池；能夠制作柔性太陽(yáng)能電池板具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率因?yàn)槔镁哂酗@著量子限制的量子點(diǎn)，可以從光子與電子之間的互相作用以及聲子對(duì)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程參與入手，即通過(guò)合理的，充分的利用光生熱載流子的輸運(yùn)作用，而大幅度的提高太陽(yáng)能電池的效率。簡(jiǎn)言之，就是通過(guò)減少因光生熱載流子弛豫造成的能量損耗，使光伏電池的轉(zhuǎn)化效率得以增加。尤其是若能實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的多激子產(chǎn)生過(guò)程，即在強(qiáng)光輻射下使一個(gè)光子能產(chǎn)生兩個(gè)或者更多的光生載流子，無(wú)疑太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率可以得到超乎尋常的增加，理論預(yù)測(cè)值可高達(dá)66%。納米薄膜太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池不同的是,納米薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層為納米結(jié)構(gòu),可以有效地解決光子吸收效率和電荷傳導(dǎo)效率之間的矛盾，一方面,納米薄膜增大的界面面積可以提高光子吸收效率,盡管它也增加了電子-空穴對(duì)的界面復(fù)合幾率;另一方面,雖然納米薄膜吸收層厚度很大,但薄膜間的距離很小,只要電荷擴(kuò)散長(zhǎng)度大于薄膜間的距離,電子和空穴就能在復(fù)合前到達(dá)它們的傳導(dǎo)層。所以納米結(jié)構(gòu)可以有效地提高光子吸收效率和電荷傳導(dǎo)效率。另外納米薄膜不用考慮材料本身的傳導(dǎo)特性,可以使用電荷傳輸能力差的材料,如有機(jī)材料,作為半導(dǎo)體吸收層,可以大大降低太陽(yáng)能電池的成本和制造工藝的復(fù)雜程度。圖4.3納米薄膜太陽(yáng)能電池納米薄膜太陽(yáng)能電池有很多種：無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)納米薄膜太陽(yáng)能電池，有機(jī)納米薄膜太陽(yáng)能電池，染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池。納米薄膜太陽(yáng)能電池,特別是染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池已經(jīng)成為傳統(tǒng)固態(tài)太陽(yáng)能電池有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。雖然目前效率仍然不高,但納米薄膜太陽(yáng)能電池與其他太陽(yáng)能電池相比有幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。首先,