提高太陽電池的轉換效率的途徑(編輯修改稿)
2025-02-04 08:23 本頁面
【文章內容簡介】 電 極 吸收轉換成熱而損失掉 。光學損失主要分為反射損失、柵指電極遮光損失、透射損失這三種。由于 電池表面上的光反射作用， 使得 太陽光不能 全 部都入射 到太陽電池中。 金屬匯流主線與柵線因其不透光， 也會 占據(jù)一定的受光表面積 ，造成柵指電極遮光損失。如果電池厚 度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出， 這就是透射損失 。間接帶隙半導體要求材料 的厚度 要 比直接帶隙的厚。 4 改善太陽能電池效率的 途徑 尋找 合適的 材料 研究人員發(fā)現(xiàn)，像氮化銦這類半導體，它的禁帶比原先認為的明顯要小，低于 0． 7 eV。這一發(fā)現(xiàn)表明，以含有銦、鎵和氮的合金為基礎的光電池將對所有太陽光譜的輻射 —— 從近紅外到紫外都靈敏。利用這種合金可以研制比較廉價的太陽能電池板，而且新型太陽能電池板將比現(xiàn)有的更結實和更高效。有關人員指出，用氮化銦和氮化鎵雙層制成的多級太陽能電池可以達到理論極限最大效率的50％，為此，一層需要調整到 1． 7 eV 的禁帶，而另一層需調整到 1． 1 eV 的禁帶。如果能制成層數(shù)很多的太陽能電池，在每層中都具有自己的禁帶，則太陽能電池的最大理論效率可達到 70％以上。 根據(jù)美國俄勒岡州立大學 (Oregon State University)和波特蘭州立大學 (Portland State University)的研究人員實驗證實，一種名為“硅藻” (diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太陽能電池(dye— sensitized solarcel1)的電力輸出提高三倍。通過捕捉住外覆硅藻層的薄膜太陽能電池納米小孔中的光線，這種電池可獲取更多的人射光子，因而大幅提高了發(fā) 電效率。在系統(tǒng)中，光子在硅藻外殼形成的小孔內彈跳，這可使其能源效率提升較傳統(tǒng)系統(tǒng)的三倍。 減 少反射損失 可以采用 對光照面使用減反射膜，表面蝕刻減少反射，增加光在電池中的光路以及背反射膜等 措施。 一般采用下面兩種技術： 1)采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為 12的硅氧化物 (SiOx )與鈦氧化物 (TiOx )等。單獨采用一層反射膜效果不好，為此，大多采用二層減反射膜，如 由 Ti02 和 MgF2 所組成的減反射膜或由 SiN 和 Si02所組成的減反射膜等。經減反射處理過的太陽能電 池表面，有很好的減反射效果。2)采用凹凸結構。如表面用腐蝕等方法處理成具有很多金字塔型的絨面狀結構或具有倒金字塔型的溝槽結構，或具有 V 型的溝槽結構。把太陽表面處理成凹凸結構時的光的入射路徑示于圖 6。由該圖可見，各種方向入射的太陽光經過多次反射后都能進入到太陽能電池中去，從而增加入射的太陽光量。采用這種結構，其光反射損失有的甚至可減到 5％左右。未經過處理的光滑硅表面，反射率一般高達 30％左右。 ① 金字塔型絨面結 ② 倒金字塔型溝槽結構 ③ V 型溝槽結構 ④ 在溝 槽結構中的反射原理 圖 6 太陽能電池的結構以及減反射原理 表面鈍化 技術 采取有效的表面鈍化方法 , 可以顯著提高各種半導體器件的電學性能。 存在于多晶 Si 薄膜晶粒間界中的懸掛鍵和缺陷態(tài) , 會在晶粒間界處引入缺陷能級。由于它們可以與晶粒之間發(fā)生電荷交換 , 起著一種有效的復合中心作用 ,因而會使多晶 Si 薄膜的載流子壽命和遷移率大大降低 , 從而嚴重影響薄膜太陽電池的轉換效率。 目前 ,主要有兩種方法可用于多晶 Si 薄膜太陽電池的鈍 化 , 一種是在表面生長高質量的介質膜層 , 使其同時達到表面鈍化和減少表面反射的效果 , 其中SiNx 膜就是一種典型的表面鈍化層 , J. Y. Lee 等人的研究證實 , 當單獨采用SiO2 膜和 SiNx 膜進行鈍化時 ,其載流子壽命分別為 306μ s 和 898μ s, 而當采用 SiO2/SiNx 復合層進行鈍化時 , 其載流子壽命可達 1361μ s, 因此大幅度提高了多晶 Si 薄膜太陽電池的性能 , 其開路電壓為 V, 短路電流密度為 mA/cm2。 另一種是采用原子 H 的引入 , 使其飽和多晶 Si 薄膜中晶粒間界的懸掛鍵等缺陷 , 可以有效地鈍化多晶 Si 薄膜的表面和抑制膜層中缺陷的產生 ,通過減少界面復合以達到提高載流子壽命的目的。 H. Morikawa 等人采用區(qū)熔再結晶技術制備了高效率多晶 Si 薄膜太陽電池 , 并利用 H+注入實現(xiàn)了對薄膜中缺陷進行鈍化。結果證實 , 與不采用 H+鈍化相比 , 太陽電池的轉換效率提高了 2%, 其值可達 %, 該太陽電池的開路電壓為 V, 短路電流為 A, 填充因子為 。 減少 透射損失 美國物理學家和 工程師共同組成的麻省理工學院研究小組，成功地在構成太陽能電池的超薄硅薄膜的正面增加了一種增透膜，并在背面增加了由多層反射膜和衍射光柵組合成的精細結構。在硅薄膜中傳輸距離越長意味著光能被吸收的幾率越高，被吸收的光能將促使薄膜中的自由電子形成電流。此舉夠讓照射進薄膜的光更長時間地在薄膜內反射，以便有充足的時間讓光能吸收并轉換成電能，導致太陽能電池的電能輸出提高了 50％ 設計 pin 結構 由于單 pn 結的膜層較薄 , 所以對陽光中的紅外光吸收特性較差 , 尤其
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