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1、新型高效太阳能电池研究进展物理一班李佳任0910020116摘要第三代太阳能电池以超高效率、薄膜化、低成本为主要目标,目前发展起来的有多结叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、多激子产生太阳能电池、热载流子太阳能电池和热光伏太阳能电池等.文章简要介绍了以上几种新型太阳能电池的工作原理和最新进展,并对其发展前景作了分析和预测.关键词太阳能电池,多结叠层,量子点,中间带,多激子产生,热载流子,热光伏1引言太阳能电池(solarcell,SC)是一种可以直接将太阳光转换成电能的光电器件,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.自从第一块硅单晶p-n结SC于1954年在贝尔实验室问
2、世[1],半个多世纪以来,人们对SC的研究经久不衰.迄今为止,已使用多种材料的单晶、多晶、无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳能电池.但研究人员对器件性能的优化以及新材料和新结构电池的探索时刻没有停止,并且一直受到人们的热切关注.2001年,Green[2]提出把太阳能电池的发展过程划分为3个阶段,其中第一代体硅太阳能电池(单晶Si和多晶Si)和第二代薄膜太阳能电池(非晶Si,GaAs,CdTe,CIGS等)都是单结电池,已基本实现了商品化.第三代太阳能电池除了继续保持薄膜化并采用丰富、无毒的原材料外,最大的特点就是具有更高的光电转换效率.如果我们取太阳表面温度
3、为6000K,电池温度为300K,根据卡诺定理,可得电池能量转换的热力学极限效率为95%;但是Shockley和Queisser[3]通过细致平衡极限原理计算得出,理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量(Eg)的函数,当Eg1.3eV时,在1sun照射下的极限效率(也称S?Q极限)仅为31%,全聚光(46200suns)下的极限效率为40%.二者相差如此之大,原因是电池在吸收太阳光并转化成电能的过程中,各种方式导致的能量损失最终限制了它的效率.能量损失的内部原因主要有以下3方面:(1)太阳光谱中能量小于Eg的光子不能被吸收,从电池中透过;(2)能量大于Eg的光子被吸
4、收后激发出热载流子(电子和空穴),超过Eg的那部分能量很快都以热能的形式释放掉了;(3)光生载流子的辐射复合,有太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光.另外,在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部因素的影响,还会产生一些损失机制使效率降低,例如表面反射、串联电阻、晶格缺陷等.目前,单结GaAs薄膜电池的实验室纪录效率为26.1%[4],该值已接近于理论极限,但从太阳能利用率的角度来看还是比较低.为了研制高效太阳能电池技术,必须突破限制单结电池效率的主要束缚,也就是减小上述(1)和(2)两点造成的能量损失.近年来,研究者提出了一系列新型电池设计方案以超越S-Q极限
5、,包括多结叠层电池、中间带电池、多激子产生电池、热载流子电池、热光伏电池等.本文简要回顾了各种新型太阳能电池的工作原理和最新研究进展,并指出了其下一步的发展趋势.2多结太阳能电池(MJSC)提高电池效率的一种重要方法是采用多结叠层结构,通常做法是将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起.当太阳光入射时,高能量光子先被带隙大的子电池吸收,随后低能量光子再被带隙较窄的子电池吸收,依此类推.其实质相当于把太阳光谱分成了几段,各子电池吸收与它带隙最接近的那一段光.这样既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失,提高电池效率的优势是很明显的.在实
6、际工艺中,制备MJSC需要从3个方面来考虑.首先,各子电池的带隙要满足电流匹配原则,因为带隙决定电流的大小,串联在一起的子电池如果各自产生的光电流不同,有效电流将以最小的光电流值为准.这暴露出叠层电池的一个缺点,即对太阳光谱的分布非常敏感.其次,不同材料间要有很好的晶格匹配度,失配过大必然会造成大量的缺陷复合中心.最后,子电池之间要通过超低阻方式连接,以减小电流损失.一种方法是采用多芯片机械叠加技术,通过金属电极把独立制作的电池压焊在一起.该方法适用于大失配的材料体系,但因其成本高,可靠性和工艺兼容性差,制备的电池质量重、体积大,应用空间也相对狭小,所以不利于大规模
7、推广.另一种则是所谓的单片集成式技术,使整个电池直接生长在一个衬底上,子电池由重掺杂的宽带隙隧道结相连,这是目前普遍应用的连接方式.MJSC的概念自提出以来,一直是人们研究的重要内容.有多篇文献计算了MJSC的理论极限效率,由于使用的计算模型、条件假设、太阳光谱和工作参数等有所不同,因而计算结果也略有差别,但基本一致[5].当能隙实现最佳匹配,子电池数目为2,3,4时,在1sun(或全聚光)照射下的极限效率分别为43%(55%)、49%(63%)和53%(68%),当结数无限增大时,MJSC效率的理论极限值可达68%(86%)[6].目前有两种材料体系的MJSC
