第0章-高效太陽電池

高效太陽能電池1內(nèi)容提綱一、動機與背景二、Si基太陽電池的效率現(xiàn)狀與提高途徑三、提高太陽電池效率的幾種方法四、展望2一、動機與背景能源枯竭的嚴(yán)重性尋求新能源的主要途徑自然能-風(fēng)力、熱力、水力生物能-儲能植物的開發(fā)光學(xué)能-集光技術(shù)光化學(xué)能-光分解與光合成光電能-光電池3Si基光伏電池的重要性光電能的優(yōu)勢環(huán)保、綠色安全，直接使用占地面積小，不受地理位置限制可借用微電子成熟的半導(dǎo)體工藝品類豐富，效率不一，最高的III-V族疊層效率已到41.6%，c-Si

25%。Si基光伏電池的重要性：低成本、綠色化、資源豐富資源豐富：地殼中含量27%，居第二位（CIGS中In屬稀缺資源）綠色化：本身無毒無害，環(huán)境友好（CdTe薄膜中Cd有毒）低成本：Si的器件制作工藝相當(dāng)成熟問題：每度電實際成本約1元，為常規(guī)煤電（0.6-0.7元）的2倍解決途徑提高效率：解決紫外、紅外約2/3光能的利用。降低Si的消耗：薄膜化、柔性化4太陽電池基本原理

UNSWPERL晶硅太陽電池，效率25%，面積20×20mm2電子、空穴輸運：沒有pn結(jié)！電子傳輸靠光陽極（納米網(wǎng)絡(luò)電極）和電解質(zhì)，空穴留在染料上不動。人工制造的“樹葉”模擬葉綠體的光合作用，dreamintoreality敏化劑（葉綠素）+納米半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（類囊體，磷酸類酯膜）+氧化－還原電解質(zhì)光合作用模擬光合作用人工制造的“樹葉”傳統(tǒng)材料三位一體:集光吸收、光生載流子分離、輸運于一體。DSC材料三權(quán)分立，單載流子輸運：光吸收（染料）電子、空穴分離與電子傳輸（納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)電極）：電子注入到納米晶中，空穴留在染料表面，晶界阻擋電子與空穴的復(fù)合電子傳輸通道（固體電解質(zhì)，氧化還原反應(yīng)）陽光驅(qū)動的“電子泵”敏化劑分子吸收可見光，躍遷到激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定性，敏化劑分子與TiO2表面相互作用，電子注入到TiO2導(dǎo)帶，隨后進(jìn)入導(dǎo)電膜，輸出光電流。（帶有空穴）處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)中的碘離子I-還原回到基態(tài)，而I-被氧化為I-3I-3被從陰極進(jìn)入的電子還原成I-，得到再生，構(gòu)成了一個循環(huán)。整個過程：表觀上化學(xué)物質(zhì)沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)化成了電能不同顏色的染料敏化電池柔性襯底上的染料敏化電池（Graetzel的結(jié)果）最好的單個DSC電池結(jié)果二、Si基太陽電池的效率現(xiàn)狀與提高途徑Si太陽電池的能帶圖，物理過程132.三類Si基太陽能電池：c-Si，poly-Si，a-Si141.吸收的光子2.低能光子：無法吸收3.高能光子：熱電子弛豫損失類型研究水平產(chǎn)業(yè)水平文獻(xiàn)出處C-Si25%14-17%SolarCellEfficiencyTables(Version34)，2009Poly-Si18%13-15%a-Si15.39%初始，13%穩(wěn)定a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H4-9%Shockley-Queisser效率極限

Efficiencyandcostprojectionsforfirst-,second-andthirdgenerationphotovoltaictechnology(wafers,thin-films,andadvancedthin-films,respectively)Source:UniversityofNewSouthWalesFirstgenerationPVtechnology–SiWaferSecondgenerationPVtechnology-ThinfilmsThirdgenerationofPVtechnology–Advancedthinfilms&Nanotech.高效率，低成本4.1疊層提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.1疊層日本Sharp35.8%(2009年10月)提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.1疊層硅量子點疊層4.1疊層疊層的變形－分光提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光聚光的優(yōu)點：1節(jié)省電池2性能提高提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光疊層數(shù)量1234∞1個太陽31.0%42.5%48.6%52.5%68.2%聚光40.8%55.5%63.2%67.9%86.8%提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光需求：跟蹤，散熱，高性能電池4.2聚光41.6%240個太陽美國波音Spectrolab實驗室2009年8月提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收A摻雜提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收B量子阱量子點4.3中間帶吸收C高失配合金提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用熱載流子電池(理論高效86％）提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生單結(jié)理論效率44%提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生硅納米晶提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.5光子上轉(zhuǎn)換提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.5光子下轉(zhuǎn)換380nm激發(fā)451nm激發(fā)提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法疊層最成熟，目前最實用，但成本高聚光中間帶吸收研究最多，突破可能大熱載流子利用難度大光子上下轉(zhuǎn)換目前效率相當(dāng)?shù)?，電池?yīng)用上受其它限制多五種方法研究現(xiàn)狀總結(jié)六、展望全光譜響應(yīng)的實現(xiàn)，Si基太陽電池有望在10年內(nèi)達(dá)到50%的光電轉(zhuǎn)換效率，部分替代常規(guī)的電力供應(yīng)，大范圍地滿足社會的需求。>50%的轉(zhuǎn)換效率<1mm的薄膜結(jié)構(gòu)

無盡豐富的Si資源(地球上含量>27%)

成熟的Si微電子工藝盡可能采用無排放的物理工藝