熱載流子太陽能電池：原理、材料和設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)物理與電子學(xué)院中南大學(xué)物理與電子學(xué)院論文題目：論文題目：熱熱載流子電池的原理、材料和設(shè)計(jì)載流子電池的原理、材料和設(shè)計(jì)n 姓姓 名：名： 江浩江浩n 課程課程 ： 光電子學(xué)光電子學(xué)n 指導(dǎo)指導(dǎo)教師教師：許雪梅：許雪梅n 學(xué)學(xué)號(hào)：號(hào)：13221204913221204921 12 24 45 53 3太陽能電池簡介太陽能電池簡介太陽能電池發(fā)電原理太陽能電池發(fā)電原理能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)目錄目錄器件兩端的接觸器件兩端的接觸31 1 太陽能電池簡介太陽能電池簡介太陽能電池太陽能電池是一種是一種利用利用光生伏打效應(yīng)把光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成光能轉(zhuǎn)換成電能的器

2、件，又叫光伏器件，電能的器件，又叫光伏器件，主要主要有單晶硅電池有單晶硅電池和和單晶砷單晶砷化鎵電池等。化鎵電池等。什么是太陽能電池什么是太陽能電池返回返回41 1 太陽能電池簡介太陽能電池簡介按照技術(shù)成熟分類：按照技術(shù)成熟分類：第一階段：晶體硅電池第一階段：晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率最高轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)可達(dá)24.7%24.7%技術(shù)最成熟技術(shù)最成熟 市場(chǎng)市場(chǎng)90%90%份額份額第二階段：薄膜電池第二階段：薄膜電池較晚起步較晚起步 轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)13%13%第三階段：新概念太能電池第三階段：新概念太能電池包括熱載流子太陽能電池包括熱載流子太陽能電池 起步最晚但前景很好起步最晚但前景很好

3、返回返回5 性能參數(shù)性能參數(shù)（1 1）開路電壓）開路電壓UOCUOC將將太陽能電池置于太陽能電池置于100 mW/cm2100 mW/cm2的光源照射下，在兩端開的光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽能電池的輸出電壓值。路時(shí)，太陽能電池的輸出電壓值。（2 2）短路電流）短路電流ISCISC將將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過太陽能電池兩端的電流。流過太陽能電池兩端的電流。（3 3）最大輸出功率）最大輸出功率連接合適連接合適負(fù)載電阻的負(fù)載電阻的最大輸出功率最大輸出功率（4 4）轉(zhuǎn)換效率）轉(zhuǎn)換效率連接最佳負(fù)載時(shí)連接最佳負(fù)載時(shí)n=n=輸出

4、功率輸出功率/ /太陽光照能量太陽光照能量1 1 太陽能電池簡介太陽能電池簡介返回返回6 2 2 論文信息論文信息論文題目：論文題目：熱載流子電池：原理，材料和熱載流子電池：原理，材料和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)期刊：期刊：物理學(xué)物理學(xué)E：低維系統(tǒng)和納米結(jié)構(gòu)，：低維系統(tǒng)和納米結(jié)構(gòu)，2010年，第年，第42卷（卷（10），），pp.2862-2866來源數(shù)據(jù)庫：來源數(shù)據(jù)庫：Elsevier Journal（愛思唯爾數(shù)據(jù)庫）（愛思唯爾數(shù)據(jù)庫）作者作者： D. Konig a, _, K.Casalenuovo a,b, Y.Takeda c,G.Conibeer a, J.F.Guillemoles d, R.Pa

5、tterson a, L.M. Huang d,a, M.A.Green 作者單位：作者單位：澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)ARC卓越光伏中心卓越光伏中心返回返回73 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池發(fā)電原理發(fā)電原理返回返回半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生帶半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生帶正電和負(fù)電的粒子（空正電和負(fù)電的粒子（空穴和電子），在內(nèi)建電穴和電子），在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子（）場(chǎng)作用下，電子（）朝朝N型半導(dǎo)體匯集，而型半導(dǎo)體匯集，而空穴（）則朝空穴（）則朝P型半型半導(dǎo)體匯集。如果外電路導(dǎo)體匯集。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累些光生電子和空穴積

6、累在在pn結(jié)附近，使結(jié)附近，使p區(qū)獲區(qū)獲得附加正電荷，得附加正電荷，n區(qū)獲得區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在附加負(fù)電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)勢(shì)。太陽電池發(fā)電原理示意圖太陽電池發(fā)電原理示意圖83 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制返回返回?zé)釗p失熱損失: :被吸收的光生被吸收的光生載流子通過向能帶釋載流子通過向能帶釋放聲子的形式將大于放聲子的形式將大于禁帶寬度的那部分能禁帶寬度的那部分能量損失掉。量損失掉。 電子電子- -空穴對(duì)的重新空穴對(duì)的重新復(fù)合引起的能量損失。復(fù)合引起的能量損失。這種復(fù)合可以通過消這種復(fù)合可以通過消除所有不必要的缺陷除所有

7、不必要的缺陷延長載流子的壽命來延長載流子的壽命來抑制。如抑制。如 還有還有一一種能量損失種能量損失是低是低于于禁帶寬度的禁帶寬度的能量損失，能量損失，如，能量如，能量小于小于禁帶寬度禁帶寬度的光子不能被吸收所造成的光子不能被吸收所造成的損失。的損失。93 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子電池示意圖熱載流子電池示意圖返回返回103 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（1）激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)；（）激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)；（2）激發(fā)后的）激發(fā)后的“想干分布想干分布”階段；階段；（3）載流子散射碰撞；（）載流子散射碰撞；（4）熱載流子的熱能

8、化；（）熱載流子的熱能化；（5）載流子冷）載流子冷卻；（卻；（6）晶格熱能化載流子；（）晶格熱能化載流子；（7）載流子復(fù)合；（）載流子復(fù)合；（8）回到熱平）回到熱平衡狀態(tài)衡狀態(tài)113 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（1）激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)：激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)：載流子濃度符合玻爾茲曼分布。載載流子濃度符合玻爾茲曼分布。載流子占據(jù)能態(tài)的概率隨遠(yuǎn)離帶邊距離指數(shù)下降；但可占有的能態(tài)流子占據(jù)能態(tài)的概率隨遠(yuǎn)離帶邊距離指數(shù)下降；但可占有的能態(tài)數(shù)量增加。從而得到如圖所示的單峰形分布。數(shù)量增加。從而得到如圖所示的單峰形分布。123 3 熱熱載流子太陽能電池載

9、流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（2）激發(fā)后瞬間，載流子濃度呈激發(fā)后瞬間，載流子濃度呈“想干迭加想干迭加”狀分布狀分布：受太：受太陽光激發(fā)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)光生載流子迭加在原來平衡狀態(tài)的分布陽光激發(fā)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)光生載流子迭加在原來平衡狀態(tài)的分布上。價(jià)帶中載流子分布離禁帶邊的距離比導(dǎo)帶中載流子的距離上。價(jià)帶中載流子分布離禁帶邊的距離比導(dǎo)帶中載流子的距離大，這是由于價(jià)帶中有效質(zhì)量比導(dǎo)帶中大。大，這是由于價(jià)帶中有效質(zhì)量比導(dǎo)帶中大。133 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（3）載流子散射碰撞載流子散射碰撞：在這個(gè)過程中，載流子之間

10、相互碰撞，：在這個(gè)過程中，載流子之間相互碰撞，其能量分布趨于一個(gè)更穩(wěn)定有規(guī)律的分布，最終趨于平衡狀態(tài)。其能量分布趨于一個(gè)更穩(wěn)定有規(guī)律的分布，最終趨于平衡狀態(tài)。在該狀態(tài)仍符合玻爾茲曼分布，但其所對(duì)應(yīng)的平衡溫度比熱平在該狀態(tài)仍符合玻爾茲曼分布，但其所對(duì)應(yīng)的平衡溫度比熱平衡所對(duì)應(yīng)的溫度高。能量只重新分配，并無損失。衡所對(duì)應(yīng)的溫度高。能量只重新分配，并無損失。143 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（4）-（6）載流子熱能化載流子熱能化：在這一過程中，載流子與晶格熱碰：在這一過程中，載流子與晶格熱碰撞，發(fā)射聲子，造成能量損耗載流子數(shù)量不變，但其能態(tài)分

11、布、撞，發(fā)射聲子，造成能量損耗載流子數(shù)量不變，但其能態(tài)分布、對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的“溫度溫度”不斷下降。直至與晶格溫度一致。不斷下降。直至與晶格溫度一致。153 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回返回（7）載流子復(fù)合載流子復(fù)合：多余電子：多余電子-空穴對(duì)的復(fù)合。這個(gè)過程中載流空穴對(duì)的復(fù)合。這個(gè)過程中載流子數(shù)量開始減少，并最終趨于平衡態(tài)。子數(shù)量開始減少，并最終趨于平衡態(tài)。（8）載流子從新回到穩(wěn)定態(tài)載流子從新回到穩(wěn)定態(tài)163 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池器件兩端的接觸器件兩端的接觸返回返回吸收層兩端接觸材料中的載流子與吸收層平衡狀態(tài)的溫度相吸收層兩端

12、接觸材料中的載流子與吸收層平衡狀態(tài)的溫度相同。如果直接與熱載流子剛性碰撞，會(huì)導(dǎo)致熱載流子的冷卻，同。如果直接與熱載流子剛性碰撞，會(huì)導(dǎo)致熱載流子的冷卻，損耗能量。如果熱載流子只有一個(gè)很窄范圍的能帶與接觸材料損耗能量。如果熱載流子只有一個(gè)很窄范圍的能帶與接觸材料平衡，則會(huì)減少這種效應(yīng)。平衡，則會(huì)減少這種效應(yīng)。兩種實(shí)現(xiàn)方式：兩種實(shí)現(xiàn)方式：（1）選擇能量式接觸）選擇能量式接觸（2）通過共振量子隧穿）通過共振量子隧穿173 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池器件兩端的接觸器件兩端的接觸返回返回選擇能量式接觸：通過帶寬很寬，但價(jià)帶和導(dǎo)選擇能量式接觸：通過帶寬很寬，但價(jià)帶和導(dǎo)帶很窄的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)帶很窄的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)183 3 熱熱載流子太陽能電池載流子太陽能電池器件兩端的接觸器件兩端的接觸返回返回通過共振量子隧道實(shí)現(xiàn)。理想狀態(tài)下，能量在通過共振量子隧道實(shí)現(xiàn)。理想狀態(tài)下，能量在半導(dǎo)體量子阱寬能級(jí)狀態(tài)的載流子可以在吸收半導(dǎo)體量子阱寬能級(jí)狀態(tài)的載流子可以在吸收體和接觸之間隧穿體和接觸之間隧穿194 4 結(jié)論結(jié)論返回返回 共振隧道二極管可用作熱載流子器件兩端的接觸共振隧道二極管可用作熱載流子器件兩端的接觸 吸收體的尺寸必須很小，使載流子在冷卻錢被吸收吸收體的尺寸必須很小，使載流子在冷卻錢被吸收