异质结太阳能电池综述

异质结太阳能电池研究现状一、引言：进入 21世纪， 传统的化石能源正面临枯竭， 人们越来越认识到寻求可再生能源的迫切性。 据 《中国新能源与可再生能源发展规划 1999白皮书统计， 传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘， 各种能源都只能用很短的时间， 石油： 42年， 天然气： 67年， 煤：200年。而且，由于大量过度使用这些能源所造成的环境污染问题也日益严重，每年排放的二氧化碳达 210万吨， 并呈上升趋势， 二氧化碳的过度排放是造成全球气候变暖的罪魁祸首；空气中大量二氧化碳、 粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 正是因为这些问题的存在， 人们需要一种储量丰富的洁净能源来代替石油等传统化石能源。 而太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80万千瓦，若把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%， 每年发电量就可达 5.6 × 1012千瓦小时。而我国太阳能资源非常丰富， 理论储量达每年 1700亿吨标准煤， 太阳能资源开发利用的前景非常广阔。 在太阳能的有效利用中 ,太阳能光电利用是近些年来发展最快 ,最具活力的研究领域 ,是其中最受瞩目的项目之一。 太阳能电池的研制和开发日益得到重视。 本文简要地综述了各种异质结太阳能电池的种类及其国内外的研究现状。二、国外异质结太阳能电池1、 TCO/TiO2/P3HT/Au 三明治式结构的 p-n异质结的太阳能电池2005年 5月份， Kohshin Takahashi等发表了 TCO/TiO2/P3HT/Au 三明治式结构的 p-n异质结的太阳能电池，电池结构如图 1。图 1 ITO/PEDOT:PSS/CuPc/PTCBI/Al 结构太阳能电池简图图 2 TCO/TiO2/P3HT/Au 电池结构示意图同时采用了卟啉作为敏化剂吸收光子，产生的电子注入到 TiO2 的导带，有效地增加了短路电流。测得的短路电流 JSC=1.11mA/cm 2,开路电压 VOC=0.50V ，填充因子 FF=48% ，能量转化效率 PCE=0.26% 。2、 PCBM/phthalocyanine(CuPc) 异质结太阳能电池2006年，美国加州大学洛杉矶分校的 Chih-wei Chu等人用 PCBM 与 phthalocyanine(CuPc)制成聚合物与有机小分子异质结太阳能电池， 拓展了对光谱范围的吸收， 并通过平衡施主和受主的载流子传输，使效率由 0.74%提高到 1.18%。其器件结构如图 3所示：图 3（ a）器件结构图（ b）器件能带简图3、 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)/[[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methylester(PCBM)/TiO2 体异质结太阳能电池2007 年 ， 美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学 的 研 究 人 员 用 poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 和[[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methylester(PCBM) 以及 TiO2 制作了体异质结太阳能电池 [9]， 其开路电压为 641mV,短路电流达到 12.4mA/cm 2。图 4为其器件结构图。图 4 器件结构图三、国内异质结太阳能电池1、 P3HT/TiO2 异质结太阳能电池吉林大学课题组对 P3HT/TiO2 异质结太阳能电池材料及器件进行了研究。器件结构图如图 5 所示。能级结构如图 6 所示。图 5 P3HT/TiO2 异质结太阳能电池器件结构图图 6 器件能级结构图用 Keithley ， SMU2601 测得在 AM1.5G 光照下，该异质结太阳能电池开路电压达到0.75V ，短路电流 0.8mA, 效率为 0.24%。对其吸收光谱进行了表征，发现在 500-600nm 波段有强吸收。2、高效率 n-nc-Si ∶ H/ p-c-Si 异质结太阳能电池中科院物理科学院采用热丝化学气相沉积技术 ( HWCVD) , 系统地研究了纳米晶硅层 (尤其是本征缓冲层 ) 的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对 nc-Si∶ H/c-Si 异质结太阳能电池性能的影响 ,通过 C-V 和 C-F 测试分析了不同氢处理时间和本征缓冲层氢稀释度对 nc-Si∶H/ c-Si 界面缺陷态的影响 ,运用高分辨透射电镜观察了不同的本征缓冲层晶化度的 nc-Si∶H/ c-Si 异质结太阳能电池的界面 ,优化工艺参数 ,在 p 型 CZ 晶体硅衬底上制备出转换效率为 17.27 %的 n-nc-Si∶ H/ i-nc-Si ∶ H/ p-c-Si 异质结电池。电池制备采用 HWCVD 技术 ,钽丝 (Ta) 作为热丝 ,本征层和掺杂层在同一腔体制备 ,衬底是 p 型 CZ 晶体硅 ,电阻率为 3～ 5Ω · cm ,c-Si 背面电极为 Al 背场接触 ,薄膜沉积前分别用 HF 溶液和原子氢处理晶体硅表面。 发射极薄膜沉积参数为 :热丝温度 T f = 1800 ℃ , 沉积气压 Pg = 2Pa , 衬底温度 Ts =250 ℃ ,氢稀释度 S H = H2 / ( H2 + Si H4 + PH3 ) =90 % , 掺杂浓度比 R = PH3 / Si H4 = 015 % ～ 2 %. 本征缓冲层沉积参数为 : T f = 1800 ℃ , Pg = 2Pa , Ts =250 ℃ , S H = 0 ～ 99 %. 透明导电膜 ( ITO) 通过真空蒸发法制备 . 通过 C-V 和 C-F 测试研究了异质结界面缺陷态 ,测量了不同沉积条件下 n-nc-Si∶ H/ i-nc-Si ∶ H/ p-c-Si 异质结太阳能电池的量子效率和 J-V 曲线 ,电池的 J-V 特性是在 AM1.5 为 100mW/ cm 2太阳模拟器照射下测得。3、 II 型半导体异质结纳米晶的制备及其在太阳能电池中的应用中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室对 II 型半导体异质结纳米晶在太阳能电池中的应用进行了研究。具有 type II 型的半导体异质结纳米晶能级位错的纳米晶可以使得光照产生的激子在空间内电荷分离，因而是一类潜在光伏电池材料。 CdSe 和 CdTe 都具有比较宽的吸收光谱， 在薄膜太阳能电池和聚合物太阳能电池中具有优异的性能， 并且其异质结能级交错为 type II 结构。在本研究中，我们首先通过溶液外延的办法，从 CdTe 四臂棒进行外延制备了半导体 CdTe-CdSe 的多臂棒状异质结纳米晶，从 CdSe 纳米棒进行外延生长得到了 CdSe-CdTe 球棒和棒状异质结纳米晶，并研究了制备的半导体异质结纳米晶的光学性质，进而研究了这些半导体异质结纳米晶在太阳能电池中的应用。四、结论：目前 ,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光 — 电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求， 太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。五、参考文献：[1] 杨金焕， 陆钧， 黄小橹， 太阳能发电地面应用的前景及发展动向， 新能源， 1995， 17（ 2） ：9-10. [2]M.Gladwell,The Tipping Point,Little,Brown and Company,Inc.,NewYork(2000) [3] 梁宗存，沈辉，李戬洪 .太阳能电池及材料研究 .材料导报 .2000， 14（ 8） ： 38~40 [4]W.Shockley and H.J.Queisser.Detaied balance limit of efficiency of PNjunction solar cells.J.Appl.Phys.lett 1961,32:510 [3]C.W.Tang.Two-layer organic photovoltaic cell[J].Appl.Phys.Lett. 1986,48;183-185 [4] 朱道本，王佛松主编 .有机固体 [Ml. 上海 ;上海科学技术出版社， 1999. [5]Shriakawa H,et al.J Chem Soc Chem Commun,1977,16:578 [6] 胡玥，刘彦军 .导电高分子聚噻吩及其衍生物的研究进展 .材料导报 .2006,20(1):64~68. [7]H.Shirakawa ， S.Ikeda， Infrared Spectra of Poly(acetylene).Polym.J.1971 ，2： 231-234 [8] 佟拉嘎，含烷基、烷氧基侧基聚噻吩的合成、表征与发光性能，大连理工大学博士学位论文[9]Gopal K.Mor,Karthik Shankar.High efficiency double heterojunction polymer photovoltaic cells using highly ordered TiO2 nanotube arrays.Appl. Phys.Lett.91,152111(2007) [10]Vignesh Gowrishankar,Christine K.Luscombe,Michael D.McGehee et al.Soalr Energy Materials [12]Chih-Wei Chu,Vishal Shrotriya.Appl.Phys.Lett.88,153504 （ 2006）[13]V .P.Singh,B.Parsarathy,R.S.Singh,A.Aguilera,J.Anthony,M.Payne. Solar Energy Materials&Solar Cells 90(2006)798~812 [14]Kohshin Takahashi,Youhei Takano et al.Synthetic Metals 155(2005) 51~55