纳米材料在太阳能电池的利用

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1、纳米材料在太阳电池的利用摘要：太阳电池可以直接将太阳光能转变为电能，是解决世界范围内的能源危机和环境污染的一条重要途径，本文对太阳电池纳米材料研究进展进行了综述，简要介绍了半导体和多元化合物纳米材料、复合纳米材料，导电聚合物一纳米复合材料以及染料敏化纳米复合材料的在太阳电池中的应用。关键词：纳米晶太阳电池导电聚合物一纳米复合材料染料敏化纳米复合材料纳米材料[1]是指：材料微观结构在1～100nm三维内其长度不超过100nm；材料中至少有一维处于纳米尺度范围1～100nm；具有纳米结构。按传统的材料科学体系划分，纳米

2、材料又可进一步分为纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米半导体材料和纳米复合材料。纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分结构组成，其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成有大量的界面，界面原子达15％～50％。纳米材料的独特结构，使其具有不同于常规材料和单个分子的性质，如：量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而导致了纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变，并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化、诸多方面有重要价值，得到广泛的应用。同时，环境恶化和能源短缺已成为人

3、类21世纪所面临的愈来愈突出的问题,寻找清洁的能源和可再生的能源已经成为世界各国共同关心的问题。太阳能的开发利用,既可解决人类面临的能源短缺,又不造成环境污染。太阳能是人类取之不尽、用之不竭、使用安全的可再生能源,它不会改变地球的热能平衡,也是清洁能源,不产生任何的环境污染。但是太阳能发电技术的地面应用并非易事，人们已经为之奋斗了25年，其中最主要的障碍是系统的价格仍嫌太高。目前最为广泛应用的是硅系列太阳电池。为了降低成本，兼顾转换效率，人们对各种各样的太阳电池也进行了大量的探索研究，其中最主要的有多元化合物薄膜太

4、阳电池聚合物多层修饰电极型太阳电池，以及纳米材料在太阳电池中运用即纳米晶体化学太阳电池。下面就纳米材料在太阳电池中的作用及其应用进行综述。1、纳米结构在高效率太阳电池中的作用根据Shockley-Queisser的分析,限制转换效率的主要因素在于,载流子驰豫到它们各自的能带边缘(对电子而言是导电底,对空穴而言是价带顶)并与声子到达平衡态过程中,半导体材料所吸收的能量高于半导体带隙的光子的能量通过电子-声子散射以及声子发射而损失掉了[2]。在块体半导体材料中,通过吸收光子产生的电子和空穴具有超过导带和价带边缘的多余动

5、能,即初始载流子的温度高于晶格温度,这样的载流子称为热载流子。热载流子通过相互碰撞和谷间散射达到平衡态,随后通过与载流子-声子的相互作用,将多余动能传递给晶格,这过程中一部分载流子被分离,形成光生电压和光生电流,未被分离的载流子通过辐射或非辐射方式复合,系统达到最终平衡状态。因此,提高太阳电池转换效率的途径有两种,即在热载流子冷却之前将其引出以提高光生电压,以及通过多激子激发的方式让热载流子产生更多的电子-空穴对以提高光生电流[3]。理论和实践都表明,单独依靠传统的块体半导体材料,是不可能实现高于其转换极限的太阳电

6、池器件的。纳米结构材料具备在电学、光学等方面与块体材料完全不同的特性,可应用于超高效率太阳电池。纳米结构太阳电池的特点在于:1)克服现存器件的某些材料特性限制,对材料特性进行剪裁,如渐变带隙电池材料[4]、中间带隙电池材料[5],以及减少晶格失配的缓冲层结构等[6];2)能够实现转换效率超过单结电池极限的新概念、新结构太阳电池,如通过势垒限制实现的量子点、量子阱和超晶格太阳电池[3],通过声子瓶颈效应、能量选择接触实现的热载流子电池[7],3)具备简化电池材料、降低电池成本的潜力,如热载流子电子理论上可达到66%的

7、效率极限,而要实现同样效率极限的叠层电池,理论上需要无穷多个p-n结叠合[7]。Honsberg对实现超高效率光伏太阳电池的可能途径进行了仔细分析,指出可以通过5种方法实现转换效率超过单结电池:多光谱电池、多吸收路径电池、多能级电池、多温度电池和AC(AlternatingCur2rent)电池[8,9]。应用纳米结构材料,比较容易实现的是基于碰撞电离原理的多吸收路径电池和基于能带分割原理的多能级电池。在此方面,比较容易实现的Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅵ族化合物纳米电池已经取得了长足发展[3],近年来由于原材料消耗日益增加,以

8、及对环境的考虑,硅基纳米结构太阳电池也受到广泛重视,成为研究的热点之一。2、纳米材料在太阳电池中应用　2.1导电聚合物敏化纳米结构在太阳电池的应用[10]在染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池(nc-DSCs)中,许多染料在近红外区的吸收很弱,其吸收光谱不能与太阳光谱很好地配合,且选择和制备比较困难,再加上现在公认使用效果最好的RuL2(SCN)2(L代表4,4