宽光谱太阳能电池

第圆源卷第员期圆园员圆年员月孕砸韵郧砸耘杂杂陨晕悦匀耘酝陨杂栽砸再化摇学摇进摇展

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圆郾光伏科学与技术国家重点实验室常州天合光能有限公司摇常州圆员猿园圆圆冤

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摘摇要摇太阳能电池的光谱响应特性和光电转换效率与光伏材料的微观能带结构及其宏观组装方式密切相关遥无论使用哪种光伏材料袁普通单结或单层太阳能电池都只能对部分波段的太阳光进行有效利用遥宽光谱研究的目标是要使太阳能电池更好地利用太阳光谱所覆盖的全部波段范围的能量袁从而提高太阳能电池光电转换效率遥本文从化学角度综述了实现宽光谱太阳能电池的基本方法和当前的研究进展袁其中包括叠层太阳能电池尧中间带太阳能电池尧量子点太阳能电池尧热光伏太阳能电池尧上转换和下转换尧分子基柔性太阳能电池等方法遥

关键词摇宽光谱摇中间带摇叠层摇量子点摇热光伏摇上转换摇下转换摇分子基柔性电池中图分类号院韵远源怨郾源曰栽酝怨员源郾源摇文献标识码院粤摇文章编号院员园园缘鄄圆愿员载渊圆园员圆冤园员鄄园园园愿鄄园怨

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摇摇收稿院圆园员员年愿月袁收修改稿院圆园员员年怨月

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渊晕燥援圆员园圆员园远圆袁怨员园圆圆园猿员冤和常州天合光能有限公司院士工作站项目资助

第员期李承辉等摇宽光谱太阳能电池窑摇怨窑

蚤灶贼燥贼澡蚤泽枣蚤藻造凿援栽澡蚤泽责葬责藻则泽怎皂皂葬则蚤扎藻泽遭则蚤藻枣造赠贼澡藻皂藻贼澡燥凿葬灶凿则藻糟藻灶贼责则燥早则藻泽泽燥枣遭则燥葬凿鄄泽责藻糟贼则怎皂泽燥造葬则糟藻造造泽蚤灶增蚤藻憎责燥蚤灶贼燥枣糟澡藻皂蚤泽贼则赠援

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员摇引言

随着能源及环境问题的日益严峻袁寻求一种丰富的可再生能源迫在眉睫遥太阳能是地球上最丰富的可再生能源袁实现对太阳能的有效利用是目前材料尧物理尧化学等交叉学科领域的主要研究方向之一遥在诸多太阳能利用方式中袁最吸引人关注的是基于光电转换效应的太阳能电池遥太阳能电池最核心的部分是由半导体构成的责鄄灶结遥太阳光照在半导体责鄄灶结上袁形成空穴鄄电子对袁在责鄄灶结内电场的作用下袁空穴由责区流向灶区袁电子由灶区流向责区袁接通电路后就形成电流遥由于半导体都有一定的带宽渊耘能量为澡淄早的光子有效地转化为电能冤袁太阳能电池只能将接近半导体带宽遥能量小于带尧

宽的光子无法被电池吸收袁而能量大于带宽的光子则只有一部分能量被电池利用渊澡淄原耘袁超出带宽的部分从而导致能量损失早冤通过电子遥鄄太阳辐射光谱的声子等相互作用转化为热能

怨怨豫以上在波长员缘园要源园园园灶皂渊图员冤遥其中大约缘园豫的太阳光为可见光袁其余的为紫外光或红外光遥图圆是几种太阳能电池的外部量子效率曲线

咱员暂

由于所使用的半导体材料差异袁不同太阳能电池的

遥该图表明袁

外部量子效率明显不一样遥但是对于固定的半导体材料袁太阳能电池都只对特定波段的太阳光进行有效利用遥目前即使是光谱响应范围较宽的单结硅基太阳能电池也只能利用可见光区的能量遥因此如何有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量是目前太阳能电池研究中一个重要的课题遥

宽光谱太阳能电池的目标是要尽可能利用不同

波长的太阳光渊浊冤袁从而提高太阳能电池光电转换效率咱圆暂超过源园豫遥目前一些宽光谱响应的太阳能电池遥其中圆园园怨年袁德国弗劳恩霍夫太阳能浊值已

系统研究所开发了一种变形多接面分层结构的特殊

类型的太阳能电池袁其浊值达到源员郾员豫咱猿暂遥图员摇太阳辐照光谱图渊粤酝员郾缘郧冤云蚤早援员摇杂燥造葬则则葬凿蚤葬贼蚤燥灶泽责藻糟贼则怎皂渊粤酝员郾缘郧冤

图圆摇几种太阳能电池的外部量子效率曲线咱员暂

云蚤早援圆摇耘曾贼藻则灶葬造择怎葬灶贼怎皂藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠糟怎则增藻泽燥枣泽藻增藻则葬造贼赠责蚤糟葬造泽燥造葬则糟藻造造泽咱员暂

本文主要综述宽光谱太阳能电池的实现方法和当前的研究进展袁其中包括叠层太阳能电池尧中间带太阳能电池尧量子点太阳能电池尧热光伏太阳能电池尧上转换和下转换尧分子基柔性太阳能电池等遥

圆摇叠层太阳能电池

叠层太阳能电池是由两个或多个独立太阳能电

窑员园摇窑化摇学摇进摇展第圆源卷池相互串联或并联而成的组合电池遥将太阳光光谱分成几个连续的波段袁用能带宽度与这些波段有最佳匹配的半导体材料做成电池袁并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里一层层叠合起来袁让波长短尧强度大的光被最外边的宽隙材料电池利用袁波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用袁这就有可能拓宽太阳能电池的光谱响应范围袁最大限度地将光能变成电能且其禁带宽度接近于光伏电池所要求的最佳禁带宽芋鄄吁族化合物由于具有直接跃迁带隙结构遥

袁而

度袁因而成为高效率叠层太阳能电池的首选材料遥由于粤造粤泽辕郧葬粤泽的晶格常数与衬底郧藻的晶格常数郧葬粤泽相近袁早期叠层太阳能电池大多是建立在粤造粤泽辕

格失配逐渐成为影响电池效率的次要因素基础上的遥后来随着赝晶生长技术的发展袁芋鄄吁袁晶族化合物之间可以灵活组合袁因而芋鄄吁族化合物叠层太阳能电池种类迅速增多袁光电转换效率也在不断咱源袁缘暂郧葬陨灶粤泽上升两种二结叠层太阳能电池组合在一起遥酝糟悦葬皂遭则蚤凿早藻等将郧葬陨灶孕辕郧葬粤泽和郧葬陨灶孕的光伏组件咱远袁苑暂袁得到辕光电转换效率达猿愿郾缘依员郾怨豫国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所报道了光电转换效

遥德率为源员郾员豫的郧葬叠层太阳能电池园郾猿缘陨灶园郾远缘孕辕郧葬园郾愿猿陨灶园郾员苑粤泽辕郧藻三结

猿所示袁其结构和外部量子效率曲线如图

咱猿暂生产的郧葬陨灶孕遥最近辕郧葬粤泽袁美国杂燥造葬则允怎灶糟贼蚤燥灶公司宣布他们到了源猿郾缘豫咱远暂遥

辕郧葬陨灶晕粤泽电池样品最高效率达

光谱响应范围也非常宽芋鄄吁族化合物叠层太阳能电池虽然效率很高袁但是由于镓比较稀缺袁砷毒

袁

性较大袁因此此类太阳能电池的发展受到一定的限制袁只有在卫星等航天器上作为供电电源方面才具有一定的优势遥因此人们希望开发出间接跃迁的广谱硅基太阳能电池杂蚤冤材料的用量大大减少对阳光的吸收系数最高遥在硅系列电池中袁同时制备方法简单袁活性层只需要袁非晶硅尧员能耗低滋皂厚渊葬鄄袁尧成本低袁因此很有发展前途遥然而非晶硅禁带宽度为员郾苑藻灾袁对长波区域不敏感遥同时非晶硅太阳能电池的光电转换效率随光照时间的增加而衰退遥这些缺点严重制约着它的发展遥多晶硅渊责燥造赠鄄杂蚤冤的禁带宽度杂蚤晶硅的稳定性叠层太阳能电池的下层电池不仅可有效提高非渊员郾员圆藻灾冤比非晶硅小得多袁作为葬鄄杂蚤辕责燥造赠鄄袁还能有效吸收从上层电池透射的能

量小于非晶硅禁带宽度的太阳光辐射光谱袁提高叠层电池的能量转换效率遥栽葬噪葬噪怎则葬通过理论模拟计算出葬鄄杂蚤辕责燥造赠鄄杂蚤叠层太阳能电池有超过猿园豫的光图猿摇陨灶郧葬孕辕郧葬粤泽辕郧藻三结叠层太阳能电池的结构渊葬冤和外部效率曲线渊遭冤咱愿暂

云蚤早援猿摇栽澡藻泽贼则怎糟贼怎则藻渊葬冤葬灶凿藻曾贼藻则灶葬造择怎葬灶贼怎皂藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠糟怎则增藻燥枣陨灶郧葬孕辕郧葬粤泽辕郧藻贼葬灶凿藻皂泽燥造葬则糟藻造造咱愿暂

电转换效率咱愿暂去甚远遥圆园员园遥年袁韵藻则造蚤噪燥灶但目前实验值离这一理论值还相

杂燥造葬则公司制备了一种非园郾晶硅愿豫和微晶硅的叠层电池袁稳定效率为员员郾怨依

咱怨暂望提高至遥员缘豫最近又有报道表明以上咱员园暂袁这种电池效率将有猿摇中间带太阳能电池

遥

对于传统的太阳能电池材料袁一般只存在相应的导带和价带袁只有掺杂定域能级而没有中间能带袁这就导致太阳能电池只能利用某一波段的太阳光遥当在一种半导体材料带隙耘渊图源冤袁除了常见的电子从价带激发到导带从早中引入一层中间杂质带时而吸收较高能量的光子外袁还存在电子从价带激发到中间带的空带以及从中间带的满态激发到导带的过程遥这样在这三种激发过程的能隙范围内的光子

图源摇中间带太阳能电池原理

云蚤早援源摇栽澡藻泽糟澡藻皂葬贼蚤糟凿蚤葬早则葬皂燥枣蚤灶贼藻则皂藻凿蚤葬贼藻遭葬灶凿泽燥造葬则糟藻造造

第员期李承辉等摇宽光谱太阳能电池窑员员摇窑

用太阳光谱并减少了能量的损失渊澡淄员袁澡淄圆和澡淄猿冤都能被该材料吸收遥同时袁从而更好地利

袁中间带材

料在提高电池电流密度的同时开路电压渊灾主体材料的带隙耘决定袁因而不会降低开路电压燥糟冤仍由早遥

中间带的连续性可以避免光子能量被同一电子

重复吸收袁这可延长中间能级的寿命袁使第二个光子能够被吸收遥但是袁引入中间带的同时袁也相当于在材料中引入了复合中心袁从而会导致非辐射复合遥为了得到最优的电池效率袁中间带材料必须满足两个要求院渊员冤为了提高中间带太阳能电池的饱和电流密度袁在掺杂时必须保持载流子的复合寿命大于载流子在各个能带上的弛豫时间曰渊圆冤中间带上的电子必须处于半填充的状态袁保证中间带既有空穴又有电子遥这样既能够使电子从中间带跃迁到导带袁又能同时使电子从价带跃迁到中间带遥

相比于叠层太阳能电池袁中间带太阳能电池的一个显著优点就是结构简单遥叠层太阳能电池的多层结构需要考虑电流匹配以及电池材料的晶格匹配问题袁而中间带太阳能电池无需考虑这些问题遥然而袁尽管理论研究表明中间带太阳能电池具有良好的前景袁已有的实验研究工作尚不多见咱员员暂难在于普通的掺杂方法很难有效地形成稳定的中间

遥主要困带遥目前袁有两种方法可以得到中间带袁一种是利用能带剪裁或量子尺寸效应袁通过在半导体中嵌入致密的量子点阵列来产生中间带咱员圆袁员猿暂过调控半导体的组分比例或在半导体中掺杂从而形遥另一种是通成中间能带咱员源袁员缘暂同时园郾袁中间带太阳能电池的开路电压通常比较低遥但两种方法用起来都比较复杂遥渊约源灾冤袁这主要是由于电子从中间带的满态激

图缘摇含阻挡层渊实线冤和不含阻挡层渊虚线冤中间带太阳能电池的光伏特性曲线咱员远暂

云蚤早援缘摇悦怎则则藻灶贼凿藻灶泽蚤贼赠增泽增燥造贼葬早藻糟怎则增藻泽燥枣遭造燥糟噪藻凿渊泽燥造蚤凿糟藻造造

造蚤灶藻冤咱员远暂

葬灶凿怎灶遭造燥糟噪藻凿渊凿燥贼造蚤灶藻冤蚤灶贼藻则皂藻凿蚤葬贼藻遭葬灶凿泽燥造葬则

发到半导体导带后袁又以发光的形式跳回到中间带袁因而开路电压实际上又可能取决于半导体价带和中间带的空带之间的能隙遥最近袁美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员将砷化镓中一些砷原子替换为氮得到中间带半导体遥同时他们发现袁在中间带太阳能电池中沉积一层电子阻挡层可以有效降低器件由于发光导致的开路电压损失渊实线冤和不含阻挡层遥图缘是含阻挡层光伏特性曲线咱员远暂遥

渊虚线冤中间带太阳能电池的

源摇量子点太阳能电池

量子点是指尺寸在几十纳米范围内的纳米晶粒袁电子被约束在三维势阱中袁其运动在各个方向都是量子化的袁因而形成能级分裂结构遥与传统太阳能电池相比袁量子点太阳能电池由于存在共振隧穿效应袁能提高电池对光生载流子的收集率袁从而增大光电流遥如前所述袁在半导体中嵌入致密的量子点阵列也可产生中间带半导体材料遥更为重要的是袁通过调节量子点的尺寸和形状袁可以优化量子化能级与太阳光谱的匹配程度袁从而制造出宽光谱响应的太阳能电池咱员苑暂遥

寸量子点的太阳能电池圆园园愿年袁运燥灶早噪葬灶葬灶凿咱员愿暂等报道了一种具有多种尺

表面以及纳米管上组装悦凿杂藻遥他们在量子点栽蚤韵袁吸收光线以

圆纳米薄膜

后袁悦凿杂藻向栽蚤韵进而产生光电流圆发射电子袁再在传导电极上收集袁

遥他们发现袁小的量子点能以更快的速度将光子转换为电子袁而大的量子点则可以吸

收更多的入射光子遥随后袁宽光谱量子点太阳能电池吸引了人们的广泛关注遥最近袁杂葬遭造燥灶等制备出带有内置电荷的砷化铟辕砷化镓渊陨灶粤泽辕郧葬粤泽冤量子点太阳能电池遥他们发现袁这种具有内置电荷的量子点可诱发电子的各种转换袁从而更好地利用红外区辐射袁电池光电转换效率提高了缘园豫以上咱员怨暂相对于悦凿杂尧悦凿杂藻尧孕遭杂藻等量子点而言袁硅量子

遥

点由于其无毒尧资源丰富尧与目前主流硅太阳能电池兼容可能更具有实用意义遥最近袁一种基于硅量子点的野全硅冶叠层太阳能电池吸引了人们的广泛关注咱圆园要圆圆暂阳能电池的差别仅在于硅量子点的尺寸大小不同遥这种叠层太阳能电池系统中各个独立太

遥然而袁硅量子点的尺寸大小导致它们具有不同的带宽袁因而能够将不同波长的太阳光转换为电能遥将

这些基于不同尺寸硅量子点的太阳能电池串联起来电池渊图远冤袁遥

即得到具有广谱响应的野全硅冶太阳能