太陽能材料的研究報(bào)告

-.z太陽能電池的應(yīng)用與研究摘要：作為清潔可再生能源的太陽能，受到越來越多的研究。文章綜述了異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在新型硅基太陽能電池中的應(yīng)用.從太陽能電池特性角度,點(diǎn)評了其在晶體硅、非晶硅薄膜太陽能電池及新構(gòu)造太陽能電池應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)和研究現(xiàn)狀.。關(guān)鍵詞；太陽能電池；異質(zhì)結(jié)；晶體硅；非晶硅；薄膜。1.引言太陽能作為人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有儲量巨大，不會(huì)枯竭，不受地域限制，清潔可再生等優(yōu)勢。太陽能的研究和應(yīng)用在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位，是人類能源開展的主要方向之一，受到了世界各國的重視。2.太陽能電池技術(shù)的的開展太陽能電池技術(shù)的開展從1800年伯克萊氏發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)開場，然后1876年英國科學(xué)家亞當(dāng)斯等對硒進(jìn)展光伏效應(yīng)研究，直到1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室利用硅晶體材料研發(fā)出性能良好的太陽能電池，經(jīng)過不斷改進(jìn)而成為現(xiàn)在硅太陽能電池的原型。隨著航天技術(shù)的開展，使太陽能電池的作用不可替代，太陽能電池成為太空飛行器中不可取代的重要局部。20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)的“能源危機(jī)〞，讓人們開場認(rèn)識到不能長期依靠傳統(tǒng)能源。于是太陽能電池的應(yīng)用已被提上了各國政府的議事日程。1990年以后，太陽能電池不斷有新的構(gòu)造與制造技術(shù)被研發(fā)出來。2.1太陽能電池的發(fā)電機(jī)理太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：硅系材料〔單晶硅、多晶硅、非晶硅〕，化合物半導(dǎo)體〔砷化鎵、硒銦銅〕等。它們的發(fā)電原理根本一樣。此類太陽能電池的工作原理是基于P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)：當(dāng)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體通過適當(dāng)?shù)姆椒ńM合到一起時(shí),在二者的交界處就形成了P-N結(jié)。由于多數(shù)載流子的擴(kuò)散，形成了空間電荷區(qū)，并形一個(gè)不斷增強(qiáng)的從n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場，導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移。到達(dá)平衡后，擴(kuò)散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在p–n結(jié)上，而且光能大于p–n結(jié)的禁帶寬度，則在p–n結(jié)附近將產(chǎn)生電子-空穴對。由于內(nèi)建電場的存在，產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢，破壞了原來的平衡。如果將p–n結(jié)和外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流。由于材料的不同,電流產(chǎn)生過程也會(huì)有所不同。目前無機(jī)半導(dǎo)體的理論研究比擬成熟,有機(jī)半導(dǎo)體體系的電流產(chǎn)生過程仍有許多值得探討的地方,是目前的研究熱點(diǎn)。2.2太陽能電池材料太陽能光電材料是一類重要的半導(dǎo)體材料，具有半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。從原則上講，所有的半導(dǎo)體材料都有光伏效應(yīng)，都可以用于太陽能電池的根底材料。但是由于材料物理性質(zhì)、提純制備技術(shù)及本錢等的限制，真正實(shí)際應(yīng)用于太陽能電池產(chǎn)業(yè)的半導(dǎo)體并不多。從1800年發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)至今，太陽能電池材料的開展歷程可以分為以下三個(gè)階段：第一代太陽能電池：包括單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。從1954年，單晶硅太陽能電池創(chuàng)造開場到現(xiàn)在，盡管硅材料有各種問題，但仍然是目前太陽能電池的主要材料約占整個(gè)太陽電池產(chǎn)量的90%以上。我國市太陽能研究所從20世紀(jì)90年代起開場進(jìn)展高效電池研究,采用倒金字塔外表織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、背場等技術(shù),使單晶硅太陽電池的效率到達(dá)了19.8%。第二代太陽能電池：第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池。薄膜技術(shù)所需的材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實(shí)現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn)，是一種有效降低本錢的方法。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池。我國南開大學(xué)于20世紀(jì)80年代末開場研究銅銦硒薄膜電池,目前在該研究領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)地位。其制備的銅銦硒太陽電池的效率已經(jīng)超過12%,銅銦硒薄膜太陽電池的中試生產(chǎn)線亦已建成。我國在染料敏化納米薄膜太陽電池的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都與世界研究水平相接近。在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都取得與世界相接近的科研水平，在該領(lǐng)域具有一定的影響。2.3硅基太陽能電池硅基太陽能電池的主要材料為硅,硅為地球上含量第二豐富的元素,其材料獲取容易且有較小的能階隙(Bandgap,能階隙為1.12eV),價(jià)電帶的電子吸收高于1.12eV的能量之后,可被激發(fā)到傳導(dǎo)帶進(jìn)展導(dǎo)電,這些特性使硅基太陽能電池CrystallineSilicon)在市場上占有極大優(yōu)勢;但其缺點(diǎn)為發(fā)電效率不易提高,原因在于硅材料本身具有很高的反射系數(shù)(ReflectionInde*),使入射的太陽光不易被硅基太陽能電池吸收,造成其發(fā)電效率無法提升。另一方面,由于入射光經(jīng)過太陽能電池外表的模塊基板時(shí),會(huì)造成入射光衰落,故如能在太陽能電池模塊上制作抗反射層,則將能夠提升入射光照射于太陽能電池之光線1KarenForberich,GillesDennler.Performanceimprovementoforganicsolarcellswithmotheyeanti-reflectioncoating[J].ThinSolidFilms,2008,516:7167-7170.1KarenForberich,GillesDennler.Performanceimprovementoforganicsolarcellswithmotheyeanti-reflectioncoating[J].ThinSolidFilms,2008,516:7167-7170.2Kang,SooHan,HyunjuLee.Fabricationofanti-eflectionstructureonprotectivelayerofsolarcellsbyhot-embossingmeth-od[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells,2009,93:1214-1217.TanakaMetal.JapaneseJournalofAppliedPhysics,1992,31:35183.異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在晶體硅太陽能電池中的應(yīng)用3.1概述晶體硅同質(zhì)結(jié)太陽能電池開展最早,應(yīng)用最為成熟.然而目前,異質(zhì)結(jié)技術(shù)及薄膜技術(shù)的引入成為該領(lǐng)域的開展趨勢.這類電池的構(gòu)造特點(diǎn)是:采用禁帶寬度不同于晶體硅的薄膜材料,如非晶硅、非晶碳化硅、納米晶硅和微晶氧化硅等,與晶體硅襯底構(gòu)成異質(zhì)結(jié).通過引入異質(zhì)結(jié),進(jìn)一步提高這類電池的能量轉(zhuǎn)化效率,從而解決長期困擾晶體硅太陽能電池的高本錢問題.3.2非晶硅薄膜/晶體硅異質(zhì)結(jié)(HIT技術(shù))HIT(hetero2junctionintrinsicthin2layer)異質(zhì)結(jié)本征薄膜太陽能電池由日本SANYOó公司的MakotoTanaka和MikioTaguchi等人于1992年首次制備成功.當(dāng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率已到達(dá)18.1%如圖1所示,異質(zhì)結(jié)本征薄膜太陽能電池在N型晶體硅襯底上生長出厚度約為10nm的P型非晶硅薄膜;為了降低電池的反向漏電流,又在中間夾入一層本征的非晶硅薄層,形成了異質(zhì)結(jié)本征薄膜(HIT)太陽能電池構(gòu)造.該構(gòu)造具有以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)有源區(qū)是由禁帶度不同的非晶硅薄膜和晶體硅構(gòu)成的異質(zhì)結(jié).提高了內(nèi)建電場,增大了開路電壓和短路電流.(2)采用禁帶寬度大于晶體硅的非晶硅薄膜(Eg=1.7eV)作為光吸收層,增加了對能量較高的短波長太陽光的吸收,提高了轉(zhuǎn)換效率..非晶硅薄膜/晶體硅異質(zhì)結(jié)能夠很好地提高晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,增強(qiáng)短波長太陽光的吸收特性.然而,它依然處在開展不成熟階段,存在*些問題:(1)由于非晶硅本身具有的光致衰減效應(yīng)[15]StaeblerDL,WronskiCR.AppliedPhysicsLetters,1977,31(4):292MeierJ,SpitznagelJ,KrollUetal.ThinSolidFilms,2004,451-452:518OkamotoS,MaruyamaE,TerakawaAetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2001,66:85ShahAVetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2003,78:469StaeblerDL,WronskiCR.AppliedPhysicsLetters,1977,31(4):292MeierJ,SpitznagelJ,KrollUetal.ThinSolidFilms,2004,451-452:518OkamotoS,MaruyamaE,TerakawaAetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2001,66:85ShahAVetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2003,78:469vanVeenMKetal.JournalofNon2CrystallineSolids,2002,299-302:1194PaulsonPDetal.ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications,2004,12:69MyongSYetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2008,92:6393.3非晶碳化硅薄膜/晶體硅異質(zhì)結(jié)利用禁帶寬度更大的薄膜材料作為光吸收層,通過吸收短波長區(qū)的太陽光提高電池的內(nèi)量子效率,這種新構(gòu)造被證明能夠有效地提高晶體硅轉(zhuǎn)換效率,成為開展的另一趨勢.碳化硅薄膜/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池正是基于這一想法提出的.將碳化硅薄膜應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域,形成薄膜異質(zhì)結(jié)新構(gòu)造,結(jié)合硅納米晶,展寬了太陽光的吸收譜,這就成為探索提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的新途徑.然而,此法尚存在以下問題:(1)高溫退火工藝(T=1100℃)使晶體硅襯底的雜質(zhì)向碳化硅層擴(kuò)散,造成異質(zhì)結(jié)界面與雜質(zhì)界面別離,使電學(xué)特性惡化;(2)由于在高溫下,兩種材料的熱應(yīng)力不同,使異質(zhì)結(jié)界面處出現(xiàn)缺陷,形成復(fù)合中心,增大對光生載流子的復(fù)合,造成量子效率降低,開路電壓減小;(3)碳在硅中極易形成深能級的復(fù)合中心,降低光生載流子的壽命,影響電池的轉(zhuǎn)換效率.4.異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在薄膜硅太陽能電池中的應(yīng)用薄膜硅太陽能電池是采用薄膜技術(shù)制備整個(gè)電池的有源區(qū)的一類新型太陽能電池,有源區(qū)厚度在納米量級.由于薄膜硅可通過化學(xué)氣相沉積的方法生長在“非硅〞的低本錢襯底上,如玻璃或陶瓷等,故與晶體硅太陽能電池相比,極大地降低了本錢.因此,薄膜硅太陽能電池受到科研和產(chǎn)業(yè)界的格外關(guān)注AdikaariAADTetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2008,92:634.按照硅的結(jié)晶度不同,可將其分為三類:非晶硅薄膜、微晶硅薄膜和介于二者之間的非晶微晶硅太陽能電池.其中AdikaariAADTetal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2008,92:634率雖沒有晶體硅電池高,但仍可到達(dá)9.47%.回憶非晶硅薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展,異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在其中得到了大量的應(yīng)用.在研究的早期,主要集中關(guān)注上述三類薄膜硅的同質(zhì)單結(jié)的研究上,其中對非晶硅薄膜太陽能電池的研究占絕大局部.為了抑制非晶硅本身帶來的“光致衰減效應(yīng)〞,研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向非晶硅、微晶硅、多晶硅以及非晶鍺化硅構(gòu)成的同質(zhì)疊層構(gòu)造(tandemstructure).采用禁帶寬度大、導(dǎo)電性好的材料作為“窗口層〞,與非晶硅薄層構(gòu)成異質(zhì)結(jié),這成為目前異質(zhì)結(jié)與薄膜硅太陽能電池又一突出的結(jié)合點(diǎn).在此方面,研究的熱點(diǎn)是解決異質(zhì)結(jié)界面由失配所帶來的界面態(tài)密度高和光生載流子復(fù)合率大的問題.一旦問題得以解決,異質(zhì)結(jié)與薄膜太陽能電池的結(jié)合將成為較活潑的研究方向5.異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在新構(gòu)造太陽能電池中的應(yīng)用5.1概述當(dāng)今,將新概念、新構(gòu)造及其技術(shù)(如納米技術(shù)、上下轉(zhuǎn)換技術(shù)、外表等離子體技術(shù)等)應(yīng)用到新型太陽能電池中,已成為新的開展方向,產(chǎn)生了第三代太陽能電池的雛形.其中同樣不乏異質(zhì)結(jié)技術(shù)的應(yīng)用.異質(zhì)結(jié)技術(shù)和納米技術(shù)的結(jié)合成為這類新型電池的構(gòu)造特點(diǎn).在此構(gòu)造中,納米棒陣列被廣泛采用,它能夠有效地減少光生載流子的傳輸距離,提高收集效率.另外,其本身可以增加光吸收,減小光反射率,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率.然而,這類電池還處在研究階段,納米構(gòu)造的引入所帶來的本錢增加和可靠性問題仍待解決.5.2非晶硅薄膜/晶硅納米線異質(zhì)結(jié)美國賓夕法尼亞大學(xué)的JoanRedwing等RedwingJetal.DOESolarEnergyTechnologiesProgram,2007采用新構(gòu)造將非晶硅薄層包裹在豎直分布的高深寬比的硅納米棒上,形成非晶硅薄膜/晶硅納米棒異質(zhì)結(jié),如圖6所示,以期通過納米構(gòu)造提高與太陽光接觸的面積,提高能量轉(zhuǎn)換效率,從而將