代太陽(yáng)電池的發(fā)展ppt課件-資料下載頁(yè)
2025-05-12 13:51本頁(yè)面
【正文】 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 熱載流子太陽(yáng)電池 ? 當(dāng)能量超過(guò)帶隙的光子被價(jià)帶電子吸收后，價(jià)帶電子將躍遷到導(dǎo)帶，由于吸收的能量足夠大，大于帶隙多余的那部分能量成為載流子的動(dòng)能，光子的能量越大，則載流子的動(dòng)能就越大。這些熱載流子在一般情況下將與晶格、缺陷或者其他載流子發(fā)生碰撞進(jìn)行能量交換，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。這些熱載流子的動(dòng)能將最終消耗，主要是以發(fā)熱的形式耗散掉。 ? 如果能在熱載流子的動(dòng)能消耗完之前將熱載流子提取出來(lái)，則可以產(chǎn)生較高的開(kāi)路電壓，從而把能量更大限度的提取出來(lái)，這就是熱載流子電池的出發(fā)點(diǎn)。這種熱載流子電池的極限效率可以達(dá)到很高，在非聚光情況下甚至可以超過(guò) 65%，而結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他電池而言，比如多能帶疊層電池，要簡(jiǎn)單得多。 38 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 熱載流子太陽(yáng)電池 ? 熱載流子電池必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)很嚴(yán)格的考驗(yàn)。首先，必須在熱載流子“變冷”之前將之提取出來(lái)，這個(gè)時(shí)間極短，在一般的情況下約為 1 ps到 1 ns之間，甚至更短。換句話說(shuō)，必須想辦法將熱載流子變冷之前的時(shí)間延長(zhǎng)。 ? 其次，必須設(shè)計(jì)一個(gè)專門的電極收集熱載流子，以避免熱載流子在于“冷”金屬電極之間的接觸中消耗能量。 39 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 熱載流子太陽(yáng)電池 ? Ross和 Nozik在 1982年最早為熱載流子電池進(jìn)行系統(tǒng)分析和模擬。此后一直到 1993年， Arent等人才在多量子阱和超晶格器件中觀察到熱載流子“變冷”速度減慢。 ? 另一方面， 1997年， Hanna等人制備熱載流子電池的嘗試失敗，人們才認(rèn)識(shí)到選擇性電極對(duì)于熱載流子電池的重要性。 W252。rfel 在 1997年提出用具有很高帶隙并且導(dǎo)帶和價(jià)帶都很窄的材料作為選擇性電極材料，另外的一種方法則是量子點(diǎn)技術(shù)制備選擇性電極。 ? 新南威爾士的研究者對(duì)后者進(jìn)行了理論模擬，結(jié)果表明隨著帶隙增大，電導(dǎo)率曲線將出現(xiàn)一個(gè)個(gè)尖峰，這說(shuō)明了遂穿效應(yīng)的產(chǎn)生，目前他們正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 40 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 多電子 空穴對(duì)太陽(yáng)電池 ? 多電子 空穴對(duì)電池提高效率的出發(fā)點(diǎn)與熱載流子電池基本是一樣的，都是想盡可能的利用太陽(yáng)光中的高能量光子。不同點(diǎn)在于，當(dāng)熱載流子產(chǎn)生以后，熱載流子電池想辦法把這些熱載流子傳遞出去，而多電子 空穴對(duì)電池則是想辦法讓這些熱載流子產(chǎn)生更多的載流子。 ? 這個(gè)想法由來(lái)已久，早在 1972年就由 Deb和 Saba提出。直到 1994年Kolodinski等人又將這個(gè)理念重新拾起。科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)了多電子 空穴產(chǎn)生的可行性， 1990年， Barnham和 Duggen發(fā)現(xiàn)可以采用多重量子阱結(jié)構(gòu)（ MQW : Multiple Quantum Well ）制備太陽(yáng)電池，并且在MQW中觀測(cè)到量子效率大于 1的反俄歇效應(yīng)。 ? 在新南威爾士光伏研究中心，當(dāng) 350 nm波段的光照射的時(shí)候，人們觀測(cè)到量子效率約為 ，當(dāng)波長(zhǎng)縮短為 250 nm時(shí)，量子效率達(dá)到。 41 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 多電子 空穴對(duì)太陽(yáng)電池 ? 單光子激發(fā)多對(duì)電子 空穴對(duì)的物理機(jī)制可以用碰撞電離來(lái)解釋。在此過(guò)程中，高能量載流子的動(dòng)能可以用來(lái)激發(fā)另一對(duì)電子 空穴對(duì)。 ? 在體材料中，產(chǎn)生碰撞電離的門檻能量必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于帶隙，同時(shí)晶格振動(dòng)必須被有效的限制，產(chǎn)生碰撞電離的速率必須與電子 聲子散射的弛豫速率至少匹配。 ? 研究表明，只有當(dāng)載流子的動(dòng)能高出帶隙幾倍的情況下碰撞電離的產(chǎn)生速率才可以大致等于聲子散射速率。在 Si材料中，光子能量為 4 eV時(shí)碰撞電離效率僅為 5%，而在 eV時(shí)為 25%。然而，在量子點(diǎn)中，由于載流子被限制以及電子 空穴之間增強(qiáng)的庫(kù)倫作用，多重激子的產(chǎn)生被極大的增強(qiáng)。 42 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 多電子 空穴對(duì)太陽(yáng)電池 ? 通過(guò)多重激子產(chǎn)生 (MEG multiple Excition Generation )機(jī)制在減少太陽(yáng)電池能量耗散和電池發(fā)熱有良好的前景，但是 MEG要求光子能量足夠大，根據(jù)地面的太陽(yáng)光譜，這種光子的比例非常少，但是在大氣層以外具有很多高能的粒子，這種量子點(diǎn)太陽(yáng)電池將有可能在宇航上取得運(yùn)用。 43 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 光譜轉(zhuǎn)換技術(shù) ? 光譜轉(zhuǎn)換也是一個(gè)熱門的課題，通過(guò)將太陽(yáng)光譜中的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以將近紅外波段和紫外波段的光波轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)波段，從而增加太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 ? 目前國(guó)內(nèi)也有學(xué)者專注于該領(lǐng)域的研究，并且取得了很大的進(jìn)展。有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了五光子或者四光子參與的近紅外到紫外的上轉(zhuǎn)換過(guò)程以及量子效率為 200%的 482 nm到 976 nm的可見(jiàn) 近紅外轉(zhuǎn)換。 ? 如果能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外和紫外向可見(jiàn)波段的轉(zhuǎn)換，提高太陽(yáng)電池的效率將大有可為。 44 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2022/5/29 結(jié)束語(yǔ) ? 在光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，材料科學(xué)和納米科學(xué)的迅猛發(fā)展，使得新型材料和結(jié)構(gòu)的制備成為可能，也使得很多之前受囿于技術(shù)的理念以及新的想法得到實(shí)現(xiàn)。 ? 技術(shù)在進(jìn)步，氣候也在改變，尋找高效、低價(jià)、清潔的新能源依然是擺在人類面前的一道難題。如何兼顧太陽(yáng)電池的效率和價(jià)格，一直是研究者和行業(yè)努力的方向，新一代光伏技術(shù)的出現(xiàn)使人們看到了希望和曙光，通過(guò)科學(xué)家和行業(yè)孜孜不斷的努力，新一代光伏技術(shù)將會(huì)有更加長(zhǎng)足和深遠(yuǎn)的發(fā)展。
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