中间带太阳能电池理论综述课件

中间带太阳能电池中间带太阳能电池简介

Synopsis西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

中间带电池（intermediate-bandsolarcells)，是一个引人注目的提高太阳能电池全局效率的新概念。这种电池通过在半导体的禁带中引入一个能态密度小的窄能带，使得在保持开路电压不变的情况下，增加亚带隙吸收，从而达到增加电流，提高效率的目的。简介Synopsis西南大学物理科学与技术学院1.普通半导体电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）2.中间带太阳能电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）以及VB（价带）→IB（中间带）IB（中间带）→CB（导带）A.S.BrownandM.A.GreenJ.Appl.Phys.,Vol.94,No.9,1November2003结构

structure西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx1.普通半导体电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）结

理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx计算条件(理想情况)：1.电池足够厚；（吸收不取决于中间带上电子的占有率。）2.光子能被有选择性地吸收；（导带和价带宽度有限。）3.中间带宽度为零；（满足需求的能带结构，也就是说中间带结构是通过特定掺杂实现的。）理论计算Computation西南大学物理科学

理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx广义黑体辐射公式：式中E1和Eh是光子能量的最低值和最高值，为两个带之间本征费米能级的化学势。再加上每个中间带上电子平衡方程，可以求出电流、电压，从而得出电池的效率。理论计算Computation西南大学物理科学1.无论是在noconcentration（b.地球表面）还是fullconcentration（a.太阳表面）的情况下，中间带的数量所对应的最高效率是在不同带宽的半导体中实现的。2.中间带的数量越多，能达到的最高效率也就越高。3.当中间带数量为无限多时，极限效率超过80%（fullconcentration）。T.NozawaandY.ArakawaAppl.Phys.Lett.98,1711082011理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx1.无论是在noconcentration（b.地球表面）

方法

Methods西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx杂质能带：impuritybands实现中间带的四种方法高度不匹配合金：highlymismatchedalloys短期超晶格：short-periodsuperlattices(SLs)量子点：quantumdots(QDs)方法Methods西南大学物理科学与技

杂质能带

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

半导体中的深能级杂质（复合中心）所引起Shockley–Read–Hall（SRH）复合，是半导体中复合的主要构成，降低电池的效率，这是传统的半导体工艺中很早就形成了的共识。所以传统硅工艺的研究中，精力很大程度都花在其提纯上，以此来提高载流子的寿命。而中间带太阳能电池正是运用了复合中心也正是杂质能级的特点，运用特殊技术手段，对其加以利用，形成中间带。

深能级杂质：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。深能级杂质有三个基本特点：一是不容易电离，对载流子浓度影响不大。二是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。四是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，导电性能下降。

杂质能带impuritybands西南大学物

高度不匹配合金

HMAs西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

Walukiewicz及其合作者于2004年基于锌（加锰）和碲制造出了一种高度不匹配的半导体合金，通过在这种合金中掺杂氧，他们在已有的两个能带之间插入了第三个能带，产生了三种不同带隙，从而覆盖了更广的太阳光谱，但该方法仍然复杂、费时且成本高昂。Walukiewicz研究团队最近开发的太阳电池材料，是用氮取代部分砷原子，产生第三种中间能带，基于高度不匹配合金制备出的另一种多能带半导体。这一材料可以通过MOCVD方法制备得到。研究的测试结果表明，射入器件的光线可以通过三种带隙产生电流（价带至中间带、中间带至导带、价带至导带），并对全光谱产生强烈反应。高度不匹配合金HMAs西南大学物理科学与技

短期超晶格

SLs西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

超晶格：两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构。超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。短期超晶格能带结构如图，可以明显看出这种材料拥有两个能带宽度，复合中间带的要求。Kandaswamyetal.J.Appl.Phys.104,093501（2008）短期超晶格SLs西南大学物理科学与技术学院

量子点

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx量子点(quantumdot)是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应(quantumconfinementeffect)特别显著。量子势阱（quantumwells）和短期超晶格的区别：量子阱的势垒宽度更大，电子不能隧穿势垒到达相邻的阱中，即波函数没有交叠；超晶格则不同，势垒宽度小，电子能隧穿。量子点QuantumDots西南大学物

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx基于三族氮化物半导体InxGa1−xN的中间带太阳能电池。优势：相较其他半导体（Si,GaAs,CuInGaSe,Ge等），三族氮化物半导体InxGa1−xN能够调节禁带宽度。其可调范围从红外区域（0.65eV/InN），至紫外区域（3.42eV/GaN），很好的契合了不同中间带数目的太阳能电池所需禁带宽度的范围。LiwenSang,MeiyongLiao,AMultilevelIntermediate-BandSolarCellbyInGaN/GaNQuantumDotswithaStrain-ModulatedStructure量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx结构：1.减压层：减小层与层之间的分子力，最大限度保留半导体晶格的完整程度。晶格的完整程度，将极大地影响吸光区域的工作效率。2.吸光层：三层In含量不同的GaN超晶格InGaN量子点，构建了多个中间带，并可由控制In的含量，控制中间带的位置。3.基底：AlN/蓝宝石基底能制成结晶性最好的InGaN薄膜。量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx试验方法：1.用金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)制备高质量的InGaN薄膜。2.用Stranski-Krastanov(SK)方法来在在三层InGaN/GaN短期超晶格中形成In量子点量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx短期超晶格部分低倍率下的STEM图像，量子点处于叠层中。各个部分的HAADF-STEM（衬度与Z有关）量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx中间带太阳能电池对红光与蓝光波段的响应中间带太阳能电池与对比电池比较量子点（实验）QuantumDots西南

杂质能带（实验）

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx基底：高电阻率的300μm厚的硅片（200Ωcm，少量n掺杂）。操作：1.注入钛离子不同浓度：不同能量：20-35KeV

2.之后进行常规退火、使用脉冲激光融化（PLM）法修复晶格缺陷（KrFexcimerlaser）。

Ti（深能级杂质）的复合作用，会极大程度地减少Si(半导体)的载流子寿命。当杂质原子之间间距小到一定程度（）的时候，原子之间互相影响（300K下，Si的固溶线大约为），从而将电子的波函数限制在杂质内部（类似于处在导带或禁带中）。这样就达到了延长载流子寿命的目的。Antolínetal.Appl.Phys.Lett.94,0421152009杂质能带（实验）impurityband

杂质能带（实验）

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx简并化条件非简并弱简并简并准费米能级：杂质能带（实验）impurityband

杂质能带（实验）

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx杂质能带（实验）impurityband

杂质能带（实验）

impuritybands注入层表面载流子寿命硅片背面载流子寿命注入方法：闪光照射杂质能带（实验）impurityband

总结

conclusion西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

利用已经成熟半导体工艺，可以制作出能响应更广光谱吸光的太阳能电池。但是由于电池本身的高复合（中间带本身也有利于复合），以及对半导体晶格的破坏，使得电池的性能达不到人们的需求，甚至低于大多数一般电池效率，同时其造价也非常高昂。不过作为超越单节点电池极限效率的可行方法之一，中间带太阳能电池还是相当有前景和研究价值的研究方向。并且已经在实验和理论方面取得了许多重要成果，对整个太阳能电池的研究都有很大的价值和意义。总结conclusion西南大学物理科学与中间带太阳能电池中间带太阳能电池简介

Synopsis西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

中间带电池（intermediate-bandsolarcells)，是一个引人注目的提高太阳能电池全局效率的新概念。这种电池通过在半导体的禁带中引入一个能态密度小的窄能带，使得在保持开路电压不变的情况下，增加亚带隙吸收，从而达到增加电流，提高效率的目的。简介Synopsis西南大学物理科学与技术学院1.普通半导体电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）2.中间带太阳能电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）以及VB（价带）→IB（中间带）IB（中间带）→CB（导带）A.S.BrownandM.A.GreenJ.Appl.Phys.,Vol.94,No.9,1November2003结构

structure西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx1.普通半导体电池吸收过程：VB（价带）→CB（导带）结

理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx计算条件(理想情况)：1.电池足够厚；（吸收不取决于中间带上电子的占有率。）2.光子能被有选择性地吸收；（导带和价带宽度有限。）3.中间带宽度为零；（满足需求的能带结构，也就是说中间带结构是通过特定掺杂实现的。）理论计算Computation西南大学物理科学

理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx广义黑体辐射公式：式中E1和Eh是光子能量的最低值和最高值，为两个带之间本征费米能级的化学势。再加上每个中间带上电子平衡方程，可以求出电流、电压，从而得出电池的效率。理论计算Computation西南大学物理科学1.无论是在noconcentration（b.地球表面）还是fullconcentration（a.太阳表面）的情况下，中间带的数量所对应的最高效率是在不同带宽的半导体中实现的。2.中间带的数量越多，能达到的最高效率也就越高。3.当中间带数量为无限多时，极限效率超过80%（fullconcentration）。T.NozawaandY.ArakawaAppl.Phys.Lett.98,1711082011理论计算

Computation西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx1.无论是在noconcentration（b.地球表面）

方法

Methods西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx杂质能带：impuritybands实现中间带的四种方法高度不匹配合金：highlymismatchedalloys短期超晶格：short-periodsuperlattices(SLs)量子点：quantumdots(QDs)方法Methods西南大学物理科学与技

杂质能带

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

半导体中的深能级杂质（复合中心）所引起Shockley–Read–Hall（SRH）复合，是半导体中复合的主要构成，降低电池的效率，这是传统的半导体工艺中很早就形成了的共识。所以传统硅工艺的研究中，精力很大程度都花在其提纯上，以此来提高载流子的寿命。而中间带太阳能电池正是运用了复合中心也正是杂质能级的特点，运用特殊技术手段，对其加以利用，形成中间带。

深能级杂质：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。深能级杂质有三个基本特点：一是不容易电离，对载流子浓度影响不大。二是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。四是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，导电性能下降。

杂质能带impuritybands西南大学物

高度不匹配合金

HMAs西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

Walukiewicz及其合作者于2004年基于锌（加锰）和碲制造出了一种高度不匹配的半导体合金，通过在这种合金中掺杂氧，他们在已有的两个能带之间插入了第三个能带，产生了三种不同带隙，从而覆盖了更广的太阳光谱，但该方法仍然复杂、费时且成本高昂。Walukiewicz研究团队最近开发的太阳电池材料，是用氮取代部分砷原子，产生第三种中间能带，基于高度不匹配合金制备出的另一种多能带半导体。这一材料可以通过MOCVD方法制备得到。研究的测试结果表明，射入器件的光线可以通过三种带隙产生电流（价带至中间带、中间带至导带、价带至导带），并对全光谱产生强烈反应。高度不匹配合金HMAs西南大学物理科学与技

短期超晶格

SLs西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx

超晶格：两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构。超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。短期超晶格能带结构如图，可以明显看出这种材料拥有两个能带宽度，复合中间带的要求。Kandaswamyetal.J.Appl.Phys.104,093501（2008）短期超晶格SLs西南大学物理科学与技术学院

量子点

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx量子点(quantumdot)是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应(quantumconfinementeffect)特别显著。量子势阱（quantumwells）和短期超晶格的区别：量子阱的势垒宽度更大，电子不能隧穿势垒到达相邻的阱中，即波函数没有交叠；超晶格则不同，势垒宽度小，电子能隧穿。量子点QuantumDots西南大学物

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx基于三族氮化物半导体InxGa1−xN的中间带太阳能电池。优势：相较其他半导体（Si,GaAs,CuInGaSe,Ge等），三族氮化物半导体InxGa1−xN能够调节禁带宽度。其可调范围从红外区域（0.65eV/InN），至紫外区域（3.42eV/GaN），很好的契合了不同中间带数目的太阳能电池所需禁带宽度的范围。LiwenSang,MeiyongLiao,AMultilevelIntermediate-BandSolarCellbyInGaN/GaNQuantumDotswithaStrain-ModulatedStructure量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx结构：1.减压层：减小层与层之间的分子力，最大限度保留半导体晶格的完整程度。晶格的完整程度，将极大地影响吸光区域的工作效率。2.吸光层：三层In含量不同的GaN超晶格InGaN量子点，构建了多个中间带，并可由控制In的含量，控制中间带的位置。3.基底：AlN/蓝宝石基底能制成结晶性最好的InGaN薄膜。量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx试验方法：1.用金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)制备高质量的InGaN薄膜。2.用Stranski-Krastanov(SK)方法来在在三层InGaN/GaN短期超晶格中形成In量子点量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx短期超晶格部分低倍率下的STEM图像，量子点处于叠层中。各个部分的HAADF-STEM（衬度与Z有关）量子点（实验）QuantumDots西南

量子点（实验）

QuantumDots西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx中间带太阳能电池对红光与蓝光波段的响应中间带太阳能电池与对比电池比较量子点（实验）QuantumDots西南

杂质能带（实验）

impuritybands西南大学物理科学与技术学院2004级物理学3班hzx基底：高电阻率的300μm厚的硅片（200Ωcm，少量n掺杂）。操作：1.注入钛离子不同浓度：