solarbe文库
首页 solarbe文库 > 资源分类 > PDF文档下载

第三代太阳能电池简介

  • 资源大小:85.78KB        全文页数:6页
  • 资源格式: PDF        下载权限:游客/注册会员/VIP会员    下载费用:3金币 【人民币3元】
游客快捷下载 游客一键下载
会员登录下载
下载资源需要3金币 【人民币3元】

邮箱/手机:
温馨提示:
支付成功后,系统会根据您填写的邮箱或者手机号作为您下次登录的用户名和密码(如填写的是手机,那登陆用户名和密码就是手机号),方便下次登录下载和查询订单;
特别说明:
请自助下载,系统不会自动发送文件的哦;
支付方式: 微信支付    支付宝   
验证码:   换一换

 
友情提示
2、本站资源不支持迅雷下载,请使用浏览器直接下载(不支持QQ浏览器)
3、本站资源下载后的文档和图纸-无水印,预览文档经过压缩,下载后原文更清晰   
4、下载无积分?请看这里!
积分获取规则:
1充值vip,全站共享文档免费下;直达》》
2注册即送10积分;直达》》
3上传文档通过审核获取5积分,用户下载获取积分总额;直达》》
4邀请好友访问随机获取1-3积分;直达》》
5邀请好友注册随机获取3-5积分;直达》》
6每日打卡赠送1-10积分。直达》》

第三代太阳能电池简介

1 第三代太阳能电池简介何宇亮 1, 2, 3, 4 王树娟 1 高全荣 1 沈文忠 3 丁建宁 2 施毅 41, 无 锡 新 长 江 纳 米 电 子 科 技 有 限 公 司 ( 无 锡 长 江 路 7 号 , 2 1 4 0 2 8 7 )2, 江 苏 大 学 微 纳 米 科 技 中 心 ( 镇 江 学 府 路 3 0 1 号 , 2 1 2 0 1 3 )3, 上 海 交 通 大 学 太 阳 能 研 究 所 ( 上 海 闵 行 区 东 川 路 8 0 0 号 , 2 0 0 2 4 0 )4, 南 京 大 学 物 理 学 ( 南 京 汉 路 3 7 号 , 2 1 0 0 9 3 )摘 要在当前迅速发展的绿色能源中,硅片状太阳能电池占有很大的优势(又被称做第一代太阳能电池) ,然而为了大幅 度降低成本扩 大 产量 , 以非晶 硅 薄膜 太阳能电池(又被称为第二 代太阳能电池) 为代 表 的 薄膜型 太阳电池 正 在 赶 上, 专家估计不久将会 占有 市场。 为了 进一 步克服 前 二者存 在 着 的 不可克服 的 弱点 , 不断提 高电池的 光 电 性 能 及转换效率 , 近些年叠层式薄膜 太阳能电池的研究 已受到各国 科学 界重视。 由于它已表现出比 前 二者具 有 更强 的优势 和应用 前 景 , 因此已 被 国内外 学 术界命名 为第 三 代太阳能电池 。 作者结合自己 在 这方面 的工作和 一 些设想对它 做一 些简 要 的 介绍 。1、 第三代太阳能电池指的是什么在全 球 绿色能源大幅 度 蓬勃 发展中, 对 太阳能的 利 用已 被 各 个先 进国家 列为 非 常 重 要 的 地位 。 一 般 称 目 前 正 在大 量 生 产 且 在 市场 上占 主要地位 的 单 晶 硅 、多 晶 硅片状电池为第一代太阳能电池, 它 从 上 世 界 50 年 代发展 到 今天其 工 艺 技术已成 熟且 光 电 转换效率已 达 15~ 25% ( 其 理 论 上 极 限 值 为 29% ) 。 正 是 由于它使 用 的 是体 硅 材料 , 不 仅 对 硅 材料消耗 量 很大, 以 至 成本 高,而 且其 转换效率已接 近于 理 论极 限 值 , 进 一 步 发展的 空间 有限 。近 十多 年 来属 于 第 二 代的 薄膜型 太阳能电池发展迅速, 且 已 有大 量 投 产 , 具有 与 第一代太阳能电池 抗衡 的 苗头 。 据 了 解 , 日 本 Sharp公司 将于 今 年 在大 阪 市建 立 一 座 年产量 达 1GW 的 非晶 硅 薄膜 太阳能电池 厂 。 我 国已计 划 将 在无锡建 造一 条 全 自 动化 非晶 硅太阳能电池 生 产 线 , 每 年可 生 产光 电 155MW。 大 家 知道 ,非晶 硅 薄膜对可 见 光 的 吸收 能 力 比晶 体 硅高 500 倍 , 电池 厚 度 仅 为 晶 体 硅电池的百分之几 ( μ m 量 级 ) , 它可以以 廉价玻璃、 柔 性 塑料 以及不 锈钢 薄 片为 衬底材料 。这不 仅 大大 降低 了 制 作成本 , 节省 硅 材料 , 还 能 根 据 需 要制 成 大 面 积 的电池 板 ,这些 都 是 它 的优势 。 虽 然 它 的 光 电 转 化 效率 还较 低 , 仅 为( 6~ 10) % , 但 提 高的 空间 较 大 。 随 着 科学技 术 的 不断提 高 以及 人们 对低 温 成膜 技 术 的 不断 改 进 , 几年 之 后 很有 可 能 超过 目 前 多 晶 硅电池的 转 变 效率。2 在第 二 代 薄膜型 太阳能电池中 近 十多 年 来 还 发展了一 种 有 机 薄膜 太阳能电池, 又称 染 料 敏 化 电池 。 它 是 在 导 电 玻璃 基板 上 使 用 电 化 学 方 法 由 多 孔 纳米 TiO2薄膜 组 成 , 以 后 又发展 成 采 用 高 度 有 序 的 TiO2 纳米 管阵 列 结 构取 代 TiO2 胶 体 ,从 而大大 改 进 了 TiO2 染 料 太阳能电池的 光 电 性 能 。 据 报导 , 目 前 其 最 高 光 电 转换效率已 达 11% 。为了 改 进 第一代 、 第 二 代太阳能电池 存 在 着 的 问题 , 不断降低成本和提 高 光电 转换效率 , 学 术界 一 直 在 对 电池的 转换 机 制 和 电池 结 构 进 行 着 大 量 的研究 。 因此 ,在 进 入 21 世 纪 以 来 , 国内外 逐渐 有 人 提出 了 “ 第 三 代太阳能电池 ” 。 所 谓 第三 代太阳能电池 主要是 针 对提 高电池 性 能 、 转换效率以及简 化 工 艺 流程 降低成本为 目 的的一 些 新 型 电池 结 构 。 如过去曾 有 过 的 叠层 太阳能电池 GaInP/GaAs/Ge以及 Si, Ge 合 金 电池 等 。由于 在太阳能电池 结 构 中 加入 不 同 材料 , 其 禁带宽 度Eg 不 同 , 使 它对 太阳 光 吸收 的 频谱范围拉宽 , 从 而 扩 大了 对光 的 吸收 能 力 被 认 为是 提 高电池 效率 的 最直 接 办法 。2、 太阳能电池转换效率的极限每天从 太阳上 辐射 到 地球 表面 的太阳能 是 巨 大的,然而 其利 用率 很微 小 。 同样 , 照射 到 太阳能电池 板 上的 光 能 转换成 电能的 比 例也 是 小 的, 为 什么入射 到电池 板 上的太阳能 耗 散 到 哪里去 了 热 力 学 原 理 指 出 任 何物 体 所 吸收 的能 量 都 不可 能 100% 的 转 化 为 功 ,太阳能电池 板 所 吸收 的 光 能 也 不可 能 摆脱热 力 学 定律 的 束缚 。 因此 , 任 何一 种 太阳能电池的 光 电 转换效率 都 存 在一 个极 限 值 ,在 热 力 学上称为 “卡诺 极 限 ” 。 曾 有 人计 算过 , 单 晶 硅太阳能电池的 转换效率 最 高理 论值 为 29% ,而纳米硅电池的 最高理 论值 为 31.7% 。对此 , 我 们必 须首 先 认 清 , 被太阳能电池 板 吸收 的 光 能大 部分 到 哪里去 了 。从 半 导 体 能 带 结 构 看 , 被 吸收 的太阳 光光 子能 量 只 有 hv≥ Eg 的 那 些 才 可 能 将价 带 边缘 的 价 电子 激 发 到 导带 底 形 成光 生 电子 - 空 穴 对 , 这些光 生 截 流 子 漂移 到P-N 结 两端形 成光 生 电 压 Voc, 这 是 太阳能电池的 基 本工作 原 理 。对于 hvEg的 光 子, 除 了 激 发 出 一 对 电子 - 空 穴 外尚 具 有一 些 多 余 的能 量 hv’ ,使 被 激 发的电子 - 空 穴 对 的能 量 高 于晶 格 的 热 平 衡能 量 ,而 这 部 分 能 量 hv’ 也逐渐 的 同 晶 格 原 子 碰撞 而 消 失 。因此 使我 们认 识 到 ,选 用 单 一 材料制 成 的太阳能电池, 如 单 晶 硅 或 非晶 硅, 因 为 它 只 有一 种 Eg 值 ,3 对 太阳能的 吸收 能 力是 有限的, 要 想提 高太阳能电池 板 对 入射 光 的 吸收 能 力 应 该选 用具 有 不 同 Eg 值 的 多 种 薄膜 材料 组 成叠层 太阳能电池 结 构 才 行 。 如 上 世 纪 90年 代研 制 成 的 GaInP/GaAs/Ge叠层 太阳电池的 转换效率 能 提 高 到 40% 。3、 提高和改善薄膜材料的质量是首要问题一 切 材料 都 是 由晶 格 原 子 按 一 定 规则 有 序 或 无 序 排 列 组 成 的 。 而 自由 电子 或光 生 电子 - 空 穴 对 在 材料 中 运 动 时 必 然 要 同 这些晶 格 原 子发 生 碰撞 而交 换 能 量。另 外 , 材料 中 还 具 有 各 种 不 同 类 型 的 缺陷 , 对光 生 截 流 子的 运 动造 成 阻 力 。 因此 ,我 们 要 想进 一 步提 高 光 电 转换效率 首 先要 做的 事 是使 太阳能电池 板 所 吸收 的 光能 尽 可 能 多 的 进 入 光 电 转换 过程 , 同 时尽 量 减少 光 热过程 的发 生 。 要 做 到这 一 点应 该 从 事两 方面 的研究 1) 不断提 高 生 成膜 的 质 量。尤 其 在 使 用低 温等 离 子 体 沉 积 技 术 中( 如 PECVD、 MWCVD 等 ) 如 何通 过人 为的 控 制 等 离 子 密 度以及成膜 的 细 微 过程 ( 表面 反 应 、 脱 氢 过程等 ) 是至 关 重要 的学 术 研究 。 近些年 来 国内外已 有 不 少 研究 单位使 用 甚 高 频 率 ( VHF) 等 离 子体 技 术成膜 , 在 提 高 薄膜 生 长速 率及 改 善 有 效 掺杂 方面已 取 得明显 成效。 陈 光 华等 在 MW-CVD 成膜 过程 中在 衬底 板 下 面 附 加 一 块磁铁 能 使 等 离 子在 衬底 片 附 近更 加 均匀 和 集 中, 并 有 效 的 改 善 了 膜 的 质 量。 我 们 在 沉 积 纳米硅 薄膜 过程 中 与RF 射频 电源 并联附 加 一 直流 ( D.C) 偏压 能有 效 的 控 制 晶 粒 的 成 核密 度 ( XC 值 ) 。显 然, 射频频 率 、 电 场和 磁 场对 等 离 子 体 的 性 质 是 起 作用 的, 并 直 接 影响 到 生 成膜 的 品质 。 无 疑 , 这 是 一 值 得 进 行 深 入 研究的学 术 问题 。2) 自 组 织 生 长技 术 的 引 用近些年 来 ,在太阳能电池 结 构 中, 极 薄层薄膜 的 生 长( 几 - 几十 nm) 引起 重视 , 例如 , 在电池的 PIN 结 构 中有 时 为了 提 高 光 的 吸收 率及 增 强薄层内 的 量 子 过程需 要 把 P 层 或 N 层 做的 极 薄 ( ~ 20nm) , 这 就给 工 艺生 长 增 加 了一 定 难 度。 另一 方面 ,在新 型 太阳能电池 结 构 中 正 在 把 带 有纳米 晶 粒 的新 结 构 引 进 来 , 如μ c- Si H 和 nc- Si H 等 。 在 这些 新 颖 结 构 中 如 何能 人 为的 控 制 晶 粒 的有 序 排列 及 其 大 小 是 非 常 需 要 的 事 。已 知 , 晶 粒 尺寸 的大 小 是 直 接 决 定 薄膜 禁带宽 度Eg 的 。在能 够 控 制 晶 粒 ( 量 子 点 ) 密 度 ,大 小 及及 有 序 排 列 方面 ,一 种 叫 做 自 组 织生 长技 术近些年 来 受到 了很大的 重视。 它 是 以 固 体 表面 上 具 有一 定 能 量 的 价 键 状态 作 为 反 应 活 性 位 置 或 优 先 成 核 中心为前 提 的 。 例如 , 由于晶 格失 配 造 成 的 应 变4 能, Si-H , Si-OH 非 饱 和 键 形 成 的 范 德瓦尔 力 等 。 实验 给 出 , 这 种“ 有限的 成 核中心 ” 可以 通 过 适 当的 选 择 晶面 通 过 一 定 的 化 学 处 理而 形 成 的 低 位 能区 。 例如Miyayaki 等采 用 浓 度 为 0.1的 HF对 热 生 长的 SiO2 表面进 行 化 学 腐蚀 以 形 成由Si-OH 键终 端 的 SiO2 活 性表面 , 然 后 在 LPCVD工 艺 中 自 组 织 生 长 出具 有 表面 密 度为 1011/cm2,大 小 仅~ 2nm的 Si 纳米 小 晶 粒 ( 量 子 点 ) 。 使 用这 种 方 法 依靠 SiH4气 体分 子的 热 分解 反 应 ,在 其 Si-O-Si 键终 端 SiO2表面 上能 自 组 织 生 长 成 单 层 ,双 层以 至多 层 的硅纳米 量 子 点 并 呈 现出 双 势 垒 结 构 中的 共振隧穿输 运 特 性。 使 用自 组 织 生 长技 术 沉 积 薄膜 的 主要 优 点 是 , 适宜 在大 面 积基 片上 生 长 量 子 点 , 只 要合 理的 控 制生 长 温 度 、 反 应 气 压 以及 沉 积 时 间 便 可 实 现 在 基 片上的 超 薄薄膜 的 生长 。作者 认 为,一 旦 把该 项 技 术应用到 太阳能电池 结 构 中 来 定 会 有 惊 人 的 效 果 。( 3) 不同材料组成叠层薄膜太阳能电池不 同 类 型 的 薄膜 材料 对光 波 的 吸收 范围 不 同 。 因此 选 用 多 种 具 有 不 同 Eg值 的材料 构 成叠层式薄膜 太阳能电池 就 可以将不 同 波段 的太阳 光 尽 可 能 多 的 吸收 并直 接 激 发 出光 生 电子 - 空 穴 对 , 尽 可 能 多 的 造 成光 电 流 , 这 是 提 高电池 转换效率的 最直 接 的 办法 。 这 种 属 于 第 三 代太阳能电池的 叠层式薄膜 电池的 光 电 转换效率将 能 达 到 ( 40-60) , 或 接 近于 卡诺 极 限 值 。 2006 年 美 国 Los Alamos 国家 实验室 曾报导 ,在纳米太阳能电池中 观察 到 了一 个 高能 量 的 光 子( hv) 具 有 同 时激 发出 多个 电子 - 空 穴 对 的 多 重 激 发 现 象 , 这将会 使 纳米太阳能电池的 输 出 电 流 大大增 大 。这 是 在 其 他 太阳能电池中 尚 未观察 到 的 。4 实现第三代叠层式薄膜太阳能电池的途径利 用 硅 薄膜 材料 的 结 构 不 同 , 从 a-SiH → mc-SiH → nc-SiH ,能 使 它具 有不 同 的 禁带宽 度 Eg 值 。 大 量 的 实验 和 理 论 工作 总 结出 , 从 非晶 硅 薄膜 → 微 晶 硅薄膜 → 纳米硅 薄膜 ,通 过 工 艺条 件 可以 使 硅 薄膜 的有 效 禁带 从 1.5eV→ 2.4eV 范围 内 的 变 化 。 在 P-I-N 太阳能电池的 结 构 中, 如 果 我 们 有 意 识 的 将 I 层薄膜 厚 度拉宽 , 并 在 薄膜 沉 积过程 中通 过 控 制 各工 艺 参数 使 它 分 成具 有 不 同 Eg 值 得 三 个子 层 N1,N2, 和 N3, 如 图 1 所 示 。 这 样 就形 成 了 具 有 同 质 结 构 的 多 层膜 太阳能电池 。这 种 电池 结 构 是 在 PECVD成膜 过程 中一 气呵 成 ,在 现 有 工 艺 中 可以 实 现 的 。5 上海交大太阳能研究所 曾 设计 过 这 种 结 构 并 在 工 艺 中 实 现 过 。 利 用 电池 结 构的 各 种 参数 , 对 上 述 P-I-N 型 变 能 隙 太阳能电池 进 行了 AMPS软件模拟 , 得 出 电池的 各 基 本 参数 是 Jsc24.06ma/cm2, Voc1.05V, FF87.9 以及转换效率h 22.13。 模拟 结 果 表 明 纳米硅 变 能 隙 太阳能电池的 各 种 参数 与单 一的 非晶硅太阳能电池 相 比 , 电池的 性 能 确实 有了 明显 的 改 善 。 这不 仅是 由于 纳米硅 薄膜对 太阳 光 谱 的 吸收 范围 扩 大了, 更 是 由于 该 薄膜 呈 现出量 子 尺寸 效应。 通 过人 为改变 工 艺 参数 使 I 层 分 成具 有 不 同 Eg 值 的子 层 N1, N2和 N3, 从 而 实 现 了太阳能光 谱 分 区 域 被 吸收 让 入射 的 光 子 更 多 的 直 接 转 变 成光 生 电子 - 空 穴 对 , 达 到提 高太阳能电池 转换效率 的 目 的 。5 小结第 三 代太阳能电池 是 对已存 在的 叠层 太阳能电池的一 种 新的称 呼 。这 是 由于在太阳能电池中 引 进 新的 结 构后 其 各 种 电池 参数 , 尤 其是 转换效率及 稳 定 性方面有了 较 大幅 度 的 改 进。 并 且 转换效率 的理 论值 已 超过 第一代 和 第 二 代 。 然而 并 不是 电池 结 构 的 层 数越 多 越好 。 因 为 任 何 事 情 都 有一 个极 限, 层 数 多 了无 疑增 多 了工 艺 流程 , 提 高了 成本。 所 以应 该 全 面 考虑 。 另 外 , 作者 还认 为,在第 三 代太阳能电池的 进 展中硅 材料 仍 然 具 有 它 的优势 。第三代太阳能电池简介作者 何宇亮 , 王树娟 , 高全荣 , 沈文忠 , 丁建宁 , 施毅作者单位 何宇亮 无锡新长江纳米电子科技有限公司 ,无锡长江路 7号 ,2140287;江苏大学微纳米科技中心 ,镇江学府路301号 ,212013;上海交通大学太阳能研究所 上海闵行区东川路 800号 ,200240;南京大学物理学 南京汉路 37号,210093 , 王树娟 ,高全荣 无锡新长江纳米电子科技有限公司 ,无锡长江路 7号 ,2140287 , 沈文忠 上海交通大学太阳能研究所 ,上海闵行区东川路 800号 ,200240 , 丁建宁 江苏大学微纳米科技中心 ,镇江学府路301号 ,212013 , 施毅 南京大学物理学 ,南京汉路 37号 ,210093本文链接 http//d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_WFHYXW204388.aspx

注意事项

本文(第三代太阳能电池简介)为本站会员(索比杜金泽)主动上传,solarbe文库仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知solarbe文库(发送邮件至794246679@qq.com或直接QQ联系客服),我们立即给予删除!

温馨提示:如果因为网速或其他原因下载失败请重新下载,重复下载不扣分。

copyright@ 2008-2013 solarbe文库网站版权所有
经营许可证编号:京ICP备10028102号-1

1
收起
展开