淺析太陽電池材料研究進(jìn)展.doc

太陽電池材料研究進(jìn)展太陽電池材料研究進(jìn)展摘要：近年來，太陽能電池的研究得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，顯然，這是新材料和新器件結(jié)構(gòu)的涌出以及器件機(jī)理研究深入的共同結(jié)果。本文討論了有關(guān)利用一V族化合物材料制備多結(jié)太陽電池和基于有機(jī)薄膜的太陽能電池材料與器件的研究進(jìn)展。介紹了多結(jié)太陽能的基本工作原理，疊層材料的帶隙選擇和晶格匹配以及解決晶格匹配問題的一些方法。另外，對于有機(jī)薄膜太陽能電池材料，介紹了其基本工作原理，性能優(yōu)越性以及研究者對未來發(fā)展前景的展望。關(guān)鍵詞：一V族化合物；多結(jié)太陽電池；晶格失配；有機(jī)薄膜；光伏Abstract: In recent years, solar cells develop rapidly. Obviously,it is result from the depth research of the new materials and new device structure and emission mechanism of the device.This article discussed the use of V compound multi-junction solar cell materials and preparation of thin film solar cells based on organic materials and device research progress. Multi-junction solar introduced the basic working principle of the band gap of laminated material selection and the lattice matching and lattice matching to solve some of the ways.In addition, organic thin-film solar cell materials, describes its basic working principles, performance advantages and researchers on the outlook for future development.Keyword: -V compound，Multi-junction solar cells，Lattice mismatch，Organic thin film，PV引言：太陽能電池是將光能(太陽光能)轉(zhuǎn)換為電能的器件, 是一種光伏器件, 于1954年在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)。開始的研究主要集中于以單晶硅為活性材料的無機(jī)太陽能電池, 當(dāng)時貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的器件效率為4%。無機(jī)太陽能電池通常是基于p-n結(jié)結(jié)構(gòu)：p區(qū)存在過剩空穴, n區(qū)存在過剩電子, 在p-n結(jié)附近, 由于p型和n型的突變而形成內(nèi)建電場。材料吸收光后產(chǎn)生的電子空穴對, 通過擴(kuò)散, 達(dá)到p-n結(jié)界面, 在內(nèi)建電場作用下分開, 并分別向2個電極移動, 形成光伏。一V族化合物多結(jié)太陽電池，一直都是太陽電池發(fā)展的熱點(diǎn)方向。一方面，一V族化合物多結(jié)太陽電池的實(shí)驗(yàn)室效率在大氣質(zhì)量已經(jīng)突破40%(AMl.5)1,2的紀(jì)錄，并仍在不斷刷新；另一方面，以GaAs基電池為代表的一批一V族化合物太陽電池，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于宇航系統(tǒng)的能源供應(yīng)，打開了一V族化合物多結(jié)太陽電池的應(yīng)用空間。而有機(jī)物是最為廉價(jià)和最具吸引力的太陽能電池材料：一方面由于有機(jī)材料合成成本低、功能易于調(diào)制、柔韌性及成膜性都較好；另一方面由于有機(jī)太陽能電池加工過程相對簡單,可低溫操作,器件制作成本也較低.除此之外,有機(jī)太陽能電池的潛在優(yōu)勢還包括：可實(shí)現(xiàn)大面積制造、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜等。因而有望在手表、便攜式計(jì)算器、半透光式充電器、玩具、柔性可卷曲系統(tǒng)等體系中發(fā)揮供電作用。一 一V族材料制備多結(jié)太陽電池1. 多結(jié)電池結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料只能吸收能量大于其帶隙的入射光子，并且每吸收一個光子最多只能放出一對電子一空穴對。也就是說，對于能量小于其帶隙的入射光子，半導(dǎo)體材料是“透明”的；對于能量遠(yuǎn)大于其帶隙的一個入射光子，半導(dǎo)體材料將其吸收后，也只能放出一對電子空穴對。多余的能量會以聲子輻射的方式轉(zhuǎn)換為晶格振動的熱能，造成能量損失。太陽輻射光譜在0.154cm的波長范圍內(nèi)均有著較強(qiáng)的分布，要想在這樣寬的波長范圍內(nèi)盡可能多地吸收太陽輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能而不是晶格振動的熱能，僅僅采用單一禁帶寬度的單結(jié)電池是難以實(shí)現(xiàn)的。MWolfc3先后提出了多結(jié)太陽電池的概念。將禁帶寬度不同、能夠吸收不同波長區(qū)間太陽輻射能量的單結(jié)太陽電池堆疊起來，形成疊層結(jié)構(gòu)。這樣構(gòu)成的多結(jié)太陽電池，不僅能夠擴(kuò)大電池對太陽輻射光譜波長的利用范圍，而且還提高了單位波長區(qū)間內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換效率，是太陽電池設(shè)計(jì)理念的一次飛躍。2. 疊層材料的帶隙選擇和晶格匹配問題在AM(大氣質(zhì)量)1.5的標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，應(yīng)用細(xì)節(jié)平衡理論4，一個三結(jié)太陽電池理論上能夠達(dá)到的最高效率為49.7，而一個四結(jié)太陽電池理論上能夠達(dá)到的最高效率為53.65。要想實(shí)現(xiàn)這樣的最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率，所選材料的帶隙組合就應(yīng)該最大程度地與太陽輻射光譜相匹配。經(jīng)計(jì)算，對一個三結(jié)太陽電池，這樣的最優(yōu)帶隙組合應(yīng)該是0.71，1.16和1.83 eV；對一個四結(jié)太陽電池，最優(yōu)帶隙組合應(yīng)該是0.71，1.13，1.55和2.13 eV。目前，以MOCVD為代表的外延生長技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)晶格匹配材料的疊層外延生長，而如果采用晶格完全匹配的材料構(gòu)造多結(jié)太陽電池，又很難找到一組材料能夠完全滿足上述最優(yōu)帶隙組合。最佳的帶隙組分可以實(shí)現(xiàn)對太陽輻射譜的最大利用，而材料的晶格匹配便于外延生長的實(shí)現(xiàn)，這對矛盾限制了一V族化合物多結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。3.解決方法針對這一問題，目前出現(xiàn)了一些新的解決方法：一種是采用漸變緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)晶格失配較大材料的外延生長；另一種是尋找?guī)对?.0eV附近，以InGaAsN為代表的四元材料盡量滿足帶隙要求和晶格匹配；還有一種是采用低溫鍵合技術(shù)，將晶格失配的材料直接鍵合在一起。這些解決方法有的已經(jīng)創(chuàng)造了太陽電池轉(zhuǎn)換效率的新記錄，有的雖然目前轉(zhuǎn)換效率還不高，但是提供了一些具備潛力的新思路。上述三種方法中，目前能夠?qū)崿F(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率的是采用漸變緩沖層的方法。通過采用漸變緩沖層，失配和位錯都能夠限制在漸變緩沖層的區(qū)域內(nèi)，從而大大減小了其對漸變緩沖層以上電池結(jié)構(gòu)的影響。漸變緩沖層技術(shù)已成為目前晶格失配太陽電池的主流技術(shù)。二 基于有機(jī)薄膜的太陽能電池材料1.發(fā)展概況 有機(jī)太陽能電池的研究始于1959年,其結(jié)構(gòu)為單晶蒽夾在2個電極之間6, 器件的開路電壓為200 mV, 由于激子的解離效率太低使得轉(zhuǎn)換效率極低。這方面研究的重大突破是1986年報(bào)道的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件7。器件以酞菁衍生物作為p型半導(dǎo)體,以四羧基苝的衍生物作為n型半導(dǎo)體, 形成雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu), 功率轉(zhuǎn)換效率約為1%。該研究首次將電子給體(p型)/電子受體(n型)有機(jī)雙層異質(zhì)結(jié)的概念引入, 并解釋了光伏效率高的原因是由于光致激子在雙層異質(zhì)結(jié)界面的光誘導(dǎo)解離效率較高。1992年,研究發(fā)現(xiàn)用共軛聚合物作為電子給體（D）和C60作為電子受體（A）8-12的體系,這一發(fā)現(xiàn),使聚合物太陽能電池的研究成為新的熱點(diǎn)。繼而發(fā)展的以聚合物MEH-PPV做給體，C60衍生物PCBM作為受體的共混材料制備的本體異質(zhì)結(jié)器件,由于無處不在的納米尺度的界面大大增加了異質(zhì)結(jié)面積,激子解離效率提高,使轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高,達(dá)到2.9%13。在過去的30年里,人類投入巨大的精力來研究有機(jī)太陽能電池,雙層異質(zhì)結(jié)器件、本體異質(zhì)結(jié)器件、混合蒸鍍的小分子器件以及有機(jī)/無機(jī)雜化器件的研究都有了長足的進(jìn)展。2.器件結(jié)構(gòu)及其工作原理 有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，由單層Schottky器件開始，相繼發(fā)展了雙層異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)、分子D-A結(jié)，以及基于以上單元結(jié)構(gòu)的級聯(lián)器件等。除了要求活性材料有較高的太陽光譜吸收能力，有機(jī)光伏器件中激子解離是提高器件效率的最重要因素。與無機(jī)光伏器件吸收光后產(chǎn)生自由電子空穴對不同，有機(jī)材料在吸收光后，產(chǎn)生流動的激發(fā)態(tài)(即束縛電子空穴對)。由于激子中電子空穴對之間庫侖作用較大，同時有機(jī)物介電常數(shù)較小，使激子解離需要的能量高于熱能kT14,15,因此，有機(jī)材料激子解離困難，不易形成自由載流子。不同的器件結(jié)構(gòu)中，激子解離的機(jī)制有所不同。3. 展望雖然有機(jī)太陽能電池的功能轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了5%6%，應(yīng)用前景已經(jīng)初見曙光。但是，與成熟的無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池?zé)o論從性能、機(jī)理還是穩(wěn)定性等許多方面都尚處于初級階段。因此，進(jìn)一步地借鑒無機(jī)太陽能電池的成熟技術(shù)及研究思路將會對有機(jī)太陽能電池的研究起推動作用;機(jī)理的深入研究,可指導(dǎo)功能材料的合成、發(fā)展出新型的器件結(jié)構(gòu);結(jié)合有機(jī)材料、無機(jī)材料、納米材料的不同優(yōu)點(diǎn),有機(jī)/無機(jī)雜化器件以及引入納米材料的研究將會繼續(xù)維持該領(lǐng)域的熱點(diǎn);利用分子D-A結(jié)材料制作性能優(yōu)良的單層有機(jī)太陽能電池,對該類材料以及器件的制備工藝都將是一大挑戰(zhàn);隨著器件性能日益提高,穩(wěn)定性研究也將提到日程上來。結(jié)語：無論是一V族化合物多結(jié)太陽電池還是有機(jī)太陽能電池,在其幾十年的發(fā)展歷程中已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率不斷得到提高。隨著人們進(jìn)一步的探索,太陽能電池將挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和更廣闊的應(yīng)用空間。參考文獻(xiàn)：1.KING R R.LAW D C.EDMONDSON K M 40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells 2007(18)2.GUTER W.SCHONEJ.PHILIPPS S P Current-matched triple-iunction solar cell reaching 41.1% conversionefficiency under concentrated sunlight 2009(22)3.WOLF M Limitations and possibilities for improvement of photo-voltaic solar energy 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