納米技術(shù)在光電池中的運(yùn)用

李俊杰

402505530太陽(yáng)能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。什么是太陽(yáng)能電池？1.成本每千克硅的價(jià)錢可達(dá)到200多美元！2.轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池銷售價(jià)4.0－4.2美元/W相比化石燃料昂貴太多！太陽(yáng)能電池存在的問題減少硅的使用更薄的太陽(yáng)能電池更高的光吸收效率納米技術(shù)降低成本人類面臨的的挑戰(zhàn)在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)減少溫室氣體的排放，如二氧化碳少數(shù)幾個(gè)國(guó)家占有了超過80%的全球石油和天然氣儲(chǔ)量，但是大部分這些國(guó)家都位于遠(yuǎn)離主要能源消費(fèi)大國(guó)。

為什么要使用太陽(yáng)能太陽(yáng)能傳送到地球的能量23000TW全世界每年消耗能量16TW>>按基體材料分類硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶體太陽(yáng)能電池硫化鎘太陽(yáng)能電池硒銦銅太陽(yáng)能電池碲化鎘太陽(yáng)能電池砷化鎵太陽(yáng)能電池磷化銦太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池納米晶電池多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡(jiǎn)稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣，但是銦和硒都是比較稀有的元素多晶體薄膜太陽(yáng)能電池由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。聚合物太陽(yáng)能電池可以在200℃環(huán)境下制造，但轉(zhuǎn)換效率低，且無(wú)法保證至少20年的基本使用壽命。有機(jī)聚合物電池納米晶電池其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。染料敏化太陽(yáng)(一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中)能電池的制造成本很低，這使它具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。它的能量轉(zhuǎn)換效率為12%左右。納米晶和染料敏化電池均處于開發(fā)階段所以盡管硅太陽(yáng)能電池有種種缺點(diǎn)，但畢竟Si容易獲得，沒有毒性，穩(wěn)定持久，所以依然為行業(yè)主導(dǎo)！降低成本減小厚度提高光的吸收率目的方法光吸收率的提高A.Photonmanagement:antireflectionB.Photonmanagement:light-scatteringC.Fabrication:nanostructure

A.Photonmanagement:antireflection

常用降低反射的方法ANewWay可以由多層與漸變折射指數(shù)的沉積來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減少反射。為了一個(gè)理想的漸變折射率分布的結(jié)構(gòu)，通過納米尺度的表面紋理研究，找到合適了的錐形結(jié)構(gòu)。當(dāng)光入射角從零增加到60°的入射角，光的吸收在納米錐結(jié)構(gòu)中保持在90％以上，但thinfilm結(jié)構(gòu)從80％減小至50％納米結(jié)構(gòu)可以比thinfilm結(jié)構(gòu)少一個(gè)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，從而節(jié)省了成本從圖上可以看到nanocone的吸收率高于planar，而且隨著T的增大，吸收頻譜會(huì)增大，在planar中增加減反射層會(huì)大大提高吸收率增加光在吸收材料中的光程可以有效提高光的吸收率B.Photonmanagement:light-scattering

YablonovitchlimitYablonovitch

limitcannotbeapplicabletothelighttrappingeffectfromnanostructures納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超出Yablonovitch限制隨機(jī)結(jié)構(gòu)的粗糙度>>光的波長(zhǎng)，但是納米結(jié)構(gòu)卻相反onvariousperiodicnanostructures

nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells.有序的納米陣列會(huì)使入射光散射和集體共振，從而提高光的吸收效率陷光效應(yīng)（lighttrappingeffect）nanowires1.光吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的光主要取決于納米線的直徑2.納米線層厚度越大吸收的光越多3.

200-400納米半徑的Si陣列具有0.3-0.6的填充比率納米線可以達(dá)到最高的光吸收nanoholes提高光吸收方法：1.降低Si的填充率低填充率意味著空氣與硅納米結(jié)構(gòu)有著相近的折射率，這時(shí)候反射會(huì)比較小2.晶格常數(shù)增加晶格常數(shù)越大會(huì)增大numberofwaveguidemodes當(dāng)納米孔的直徑與波長(zhǎng)差不多長(zhǎng)的時(shí)候，光吸收率最大，直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的時(shí)候大部分光會(huì)被反射當(dāng)吸收體的的厚度減小到幾十微米的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)納米錐并不是最佳的對(duì)于一個(gè)50?

μ微米厚1，縱橫比接近1，導(dǎo)致在最高的光電流[圖

（b）]。當(dāng)基片的厚度降低到10?

μ

m時(shí)，趨勢(shì)變得更加明顯，當(dāng)縱橫比從4變到1，光吸收率增加17%a的吸收率接近限制范圍在300nm-800nm時(shí)b的吸收率更高在800nm-1100nm時(shí)c的吸收率更高因?yàn)樵赾的底部會(huì)將長(zhǎng)波長(zhǎng)的光反射回來d是planar

thin

Si

substrate，作為對(duì)照

1.alargerperiodleadstomoreguidedresonancemodes2.eachoftheguided

resonancemodesislikelytoleaktomoreexternalchannels

withlargerperiod周期的納米錐陣列需要考慮兩個(gè)問題+最佳的周期100nm對(duì)于非晶硅（a-Si:Hsolarcell）

nanodomes

短波長(zhǎng)的光可以在前幾層被吸收，添加納米級(jí)的銀拱面鏡后長(zhǎng)波長(zhǎng)的光通過后會(huì)被反射回來，從而提高了吸收率會(huì)使光在內(nèi)部全反射不僅可以增加光程而且可以拓寬光的吸收峰Whisperinggallerymode(WGM)resonators光共振腔周期性結(jié)構(gòu)如nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells盡管比隨機(jī)結(jié)構(gòu)具有更高的光吸收效率，但是，周期結(jié)構(gòu)與隨機(jī)結(jié)構(gòu)是有著相同的轉(zhuǎn)換效率吸收效率問題C.Fabrication:nanostructure一種用于半導(dǎo)體工業(yè)中制造納米結(jié)構(gòu)最常用的方法是光刻法，它可以很容易的制造亞微米級(jí)圖案。然而，這種發(fā)展良好，廣泛使用的技術(shù)制造太陽(yáng)能電池成本過高。相反，各種可取代的方法應(yīng)運(yùn)而生。這些替代品種，膠體刻蝕已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗梢宰龅?00nm以下不需要復(fù)雜的設(shè)備。最常用于制造納米結(jié)構(gòu)的是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的光刻法，但是由于價(jià)格昂貴，所以不適用于太陽(yáng)能電池的納米結(jié)構(gòu)的制造，所以出現(xiàn)了很多替代方法，最常見的就是膠體刻蝕法，可以不需要復(fù)雜的設(shè)備就能得到100nm以下的結(jié)構(gòu)。C.Fabrication:nanostructure

Challengeofnanostructure

plasmoniceffect(等離激元效應(yīng))可以為下一代的太陽(yáng)能電池提供新的方向，在吸收層可以顯著散射入射光，提高光吸收率，但是同樣