太陽(yáng)電池物理與新型太陽(yáng)電池技術(shù)發(fā)展講義(已改無(wú)錯(cuò)字)
2023-03-04 18:01:47 本頁(yè)面
【正文】 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 采用光譜分割技術(shù)的太陽(yáng)電池的極限效率與 pn結(jié)的個(gè)數(shù)有關(guān)，這容易理解，如果有足夠多種的材料，每一種材料吸收相應(yīng)能量的光子，這將大大的保證光能的吸收和減小熱耗散。 1980年 Henry計(jì)算了，當(dāng)結(jié)數(shù)分別為 1， 2， 3，和 36時(shí)，對(duì)應(yīng)的效率為 37， 50， 56和 72%。注意到當(dāng)結(jié)數(shù)由 1變化為 2時(shí)，效率增長(zhǎng)非常明顯，結(jié)數(shù)超過(guò) 2之后，增加 pn結(jié)數(shù)目對(duì)效率的貢獻(xiàn)減弱。這對(duì)于器件制備是非常幸運(yùn)的，這是因?yàn)槭紫让吭黾右粋€(gè) pn結(jié)需要更加困難和復(fù)雜的工藝；其次增加的材料的帶隙是必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算和設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)匹配，然而在自然界中不一定能找到符合計(jì)算帶隙要求的材料；最后層數(shù)越多，隨之而來(lái)的電流、電壓匹配、材料體系的穩(wěn)定等問(wèn)題將難以控制，導(dǎo)致廢品率上升。因此，目前的電池一般采用 2結(jié)或 3結(jié)結(jié)構(gòu)。 41 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 材料科學(xué)的發(fā)展，特別是 MOCVD技術(shù)，極大的推動(dòng)了多結(jié)疊層電池的發(fā)展，在此之前，這種電池只能存在于理論和設(shè)想中。迄今而至，在非聚光條件下，三結(jié)電池的世界紀(jì)錄由 NREL保持，采用GaInP/GaInAs/Ge體系，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 32%； ? 二結(jié)電池的世界紀(jì)錄由日本能源公司保持，采用 GaInP/GaAs體系，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 %。 ? 在聚光條件下， NREL的 GaInP/GaInAs/Ge和 GaInP/GaAs/GAInAs電池分別在 240和 140倍聚光條件下，效率分別高達(dá) %和 %，F(xiàn)raunhofer ISE的 GaInP/GaInAs/Ge在 454倍聚光條件下效率高達(dá)% （ Dr. A. Bett）。 42 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 43 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 夏普公司 2023年 10月 22日宣布 ,由于應(yīng)用了一種創(chuàng)新的層形成技術(shù) ,該公司長(zhǎng)期致力研發(fā)的 3結(jié)化合物太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)了 ％的高光電轉(zhuǎn)換效率。 ? 夏普公司 22日發(fā)布的新聞公報(bào)說(shuō) ,化合物太陽(yáng)電池不同于現(xiàn)在主流的以硅為材料的太陽(yáng)電池 .它以銦等 2種以上元素組成的化合物作為材料 ,形成光吸收層 ,其光電轉(zhuǎn)換效率高于硅晶體太陽(yáng)能電池 ,主要應(yīng)用于人造衛(wèi)星。 44 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 全硅疊層太陽(yáng)電池 ? 新南威爾士研究組將全硅疊層技術(shù)定為向第三代光伏技術(shù)進(jìn)軍的兩個(gè)課題之一。之所以要選擇硅是因?yàn)楣璧脑县S富而且制備技術(shù)成熟。 ? 按照新南威爾士團(tuán)隊(duì)的設(shè)想，他們準(zhǔn)備用塊體的硅材料做襯底，然后通過(guò)量子點(diǎn)技術(shù)，在上面生長(zhǎng)帶隙分別為 2 eV和 eV的量子點(diǎn)電池，從而實(shí)現(xiàn)多能帶結(jié)構(gòu)。最初的工作是在一維的硅量子阱上進(jìn)行。研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄層為 1 nm左右時(shí)，帶隙可以提高到 eV，接著他們又做了 2 nm的量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)，帶隙同樣可以提高到 eV。這表明，采用三維的納米結(jié)構(gòu)可以允許更大的加工容差。 ? 現(xiàn)在正在 Si/SiO2體系以及 Si1xCx/SiC體系進(jìn)行量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的研究，該團(tuán)隊(duì)也在氮化硅體系和 Ge/SiO2體系進(jìn)行理論模擬和實(shí)驗(yàn)。在 2023年年度報(bào)告報(bào)導(dǎo)的結(jié)果中，他們已經(jīng)在石英襯底上成功制備了 Si的量子點(diǎn)，做出開(kāi)路電壓為 493 mV的 SiO2和 83 mV的 SiC量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)電池。 45 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 單結(jié)晶硅電池效率 29% ( eV) 雙結(jié)： % ( eV) 三結(jié)： % (2 ) 46 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 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，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。 47 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 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。 48 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 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。 49 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 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?？茖W(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
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