淺析太陽電池材料研究進展(doc 7頁).doc

太陽電池材料研究進展太陽電池材料研究進展摘要：近年來，太陽能電池的研究得到突飛猛進的發(fā)展，顯然，這是新材料和新器件結構的涌出以及器件機理研究深入的共同結果。本文討論了有關利用一V族化合物材料制備多結太陽電池和基于有機薄膜的太陽能電池材料與器件的研究進展。介紹了多結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。關鍵詞：一V族化合物；多結太陽電池；晶格失配；有機薄膜；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)轉換為電能的器件, 是一種光伏器件, 于1954年在貝爾實驗室首次發(fā)現。開始的研究主要集中于以單晶硅為活性材料的無機太陽能電池, 當時貝爾實驗室報道的器件效率為4%。無機太陽能電池通常是基于p-n結結構：p區(qū)存在過剩空穴, n區(qū)存在過剩電子, 在p-n結附近, 由于p型和n型的突變而形成內建電場。材料吸收光后產生的電子空穴對, 通過擴散, 達到p-n結界面, 在內建電場作用下分開, 并分別向2個電極移動, 形成光伏。一V族化合物多結太陽電池，一直都是太陽電池發(fā)展的熱點方向。一方面，一V族化合物多結太陽電池的實驗室效率在大氣質量已經突破40%(AMl.5)1,2的紀錄，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，已經廣泛應用于宇航系統(tǒng)的能源供應，打開了一V族化合物多結太陽電池的應用空間。而有機物是最為廉價和最具吸引力的太陽能電池材料：一方面由于有機材料合成成本低、功能易于調制、柔韌性及成膜性都較好；另一方面由于有機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,有機太陽能電池的潛在優(yōu)勢還包括：可實現大面積制造、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族材料制備多結太陽電池1. 多結電池結構半導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，半導體材料是“透明”的；對于能量遠大于其帶隙的一個入射光子，半導體材料將其吸收后，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的波長范圍內均有著較強的分布，要想在這樣寬的波長范圍內盡可能多地吸收太陽輻射能量，并將其轉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電池是難以實現的。MWolfc3先后提出了多結太陽電池的概念。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太陽電池堆疊起來，形成疊層結構。這樣構成的多結太陽電池，不僅能夠擴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)間內的光電轉換效率，是太陽電池設計理念的一次飛躍。2. 疊層材料的帶隙選擇和晶格匹配問題在AM(大氣質量)1.5的標準光照條件下，應用細節(jié)平衡理論4，一個三結太陽電池理論上能夠達到的最高效率為49.7，而一個四結太陽電池理論上能夠達到的最高效率為53.65。要想實現這樣的最優(yōu)轉換效率，所選材料的帶隙組合就應該最大程度地與太陽輻射光譜相匹配。經計算，對一個三結太陽電池，這樣的最優(yōu)帶隙組合應該是0.71，1.16和1.83 eV；對一個四結太陽電池，最優(yōu)帶隙組合應該是0.71，1.13，1.55和2.13 eV。目前，以MOCVD為代表的外延生長技術只能實現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造多結太陽電池，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現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現，這對矛盾限制了一V族化合物多結太陽電池轉換效率的進一步提升。3.解決方法針對這一問題，目前出現了一些新的解決方法：一種是采用漸變緩沖層結構設計來實現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，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創(chuàng)造了太陽電池轉換效率的新記錄，有的雖然目前轉換效率還不高，但是提供了一些具備潛力的新思路。上述三種方法中，目前能夠實現最高轉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，從而大大減小了其對漸變緩沖層以上電池結構的影響。漸變緩沖層技術已成為目前晶格失配太陽電池的主流技術。二 基于有機薄膜的太陽能電池材料1.發(fā)展概況 有機太陽能電池的研究始于1959年,其結構為單晶蒽夾在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換效率極低。這方面研究的重大突破是1986年報道的雙層結構染料光伏器件7。器件以酞菁衍生物作為p型半導體,以四羧基苝的衍生物作為n型半導體, 形成雙層異質結結構, 功率轉換效率約為1%。該研究首次將電子給體(p型)/電子受體(n型)有機雙層異質結的概念引入, 并解釋了光伏效率高的原因是由于光致激子在雙層異質結界面的光誘導解離效率較高。1992年,研究發(fā)現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,使聚合物太陽能電池的研究成為新的熱點。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結器件,由于無處不在的納米尺度的界面大大增加了異質結面積,激子解離效率提高,使轉換效率進一步提高,達到2.9%13。在過去的30年里,人類投入巨大的精力來研究有機太陽能電池,雙層異質結器件、本體異質結器件、混合蒸鍍的小分子器件以及有機/無機雜化器件的研究都有了長足的進展。2.器件結構及其工作原理 有機太陽能電池的結構，由單層Schottky器件開始，相繼發(fā)展了雙層異質結、本體異質結、分子D-A結，以及基于以上單元結構的級聯(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。與無機光伏器件吸收光后產生自由電子空穴對不同，有機材料在吸收光后，產生流動的激發(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，同時有機物介電常數較小，使激子解離需要的能量高于熱能kT14,15,因此，有機材料激子解離困難，不易形成自由載流子。不同的器件結構中，激子解離的機制有所不同。3. 展望雖然有機太陽能電池的功能轉換效率已經達到了5%6%，應用前景已經初見曙光。但是，與成熟的無機太陽能電池相比，有機太陽能電池無論從性能、機理還是穩(wěn)定性等許多方面都尚處于初級階段。因此，進一步地借鑒無機太陽能電池的成熟技術及研究思路將會對有機太陽能電池的研究起推動作用;機理的深入研究,可指導功能材料的合成、發(fā)展出新型的器件結構;結合有機材料、無機材料、納米材料的不同優(yōu)點,有機/無機雜化器件以及引入納米材料的研究將會繼續(xù)維持該領域的熱點;利用分子D-A結材料制作性能優(yōu)良的單層有機太陽能電池,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。結語：無論是一V族化合物多結太陽電池還是有機太陽能電池,在其幾十年的發(fā)展歷程中已經取得了長足的進步，太陽電池的轉換效率不斷得到提高。隨著人們進一步的探索,太陽能電池將挑戰(zhàn)更高的轉換效率和更廣闊的應用空間。參考文獻：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 converters:PartI:Considerations for earths surface operation 1960(7)4.SHOCKLEY W.QUEISSER H J Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells 1966(3)5.5.MARTI A.ARAUJO G L Limiting efficiencies for 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