第0章-高效太阳电池

高效太阳能电池1内容提纲一、动机与背景二、Si基太阳电池的效率现状与提高途径三、提高太阳电池效率的几种方法四、展望2一、动机与背景能源枯竭的严重性寻求新能源的主要途径自然能-风力、热力、水力生物能-储能植物的开发光学能-集光技术光化学能-光分解与光合成光电能-光电池3Si基光伏电池的重要性光电能的优势环保、绿色安全，直接使用占地面积小，不受地理位置限制可借用微电子成熟的半导体工艺品类丰富，效率不一，最高的III-V族叠层效率已到41.6%，c-Si

25%。Si基光伏电池的重要性：低成本、绿色化、资源丰富资源丰富：地壳中含量27%，居第二位（CIGS中In属稀缺资源）绿色化：本身无毒无害，环境友好（CdTe薄膜中Cd有毒）低成本：Si的器件制作工艺相当成熟问题：每度电实际成本约1元，为常规煤电（0.6-0.7元）的2倍解决途径提高效率：解决紫外、红外约2/3光能的利用。降低Si的消耗：薄膜化、柔性化4太阳电池基本原理

UNSWPERL晶硅太阳电池，效率25%，面积20×20mm2电子、空穴输运：没有pn结！电子传输靠光阳极（纳米网络电极）和电解质，空穴留在染料上不动。人工制造的“树叶”模拟叶绿体的光合作用，dreamintoreality敏化剂（叶绿素）+纳米半导体网络结构（类囊体，磷酸类酯膜）+氧化－还原电解质光合作用模拟光合作用人工制造的“树叶”传统材料三位一体:集光吸收、光生载流子分离、输运于一体。DSC材料三权分立，单载流子输运：光吸收（染料）电子、空穴分离与电子传输（纳米晶半导体网络电极）：电子注入到纳米晶中，空穴留在染料表面，晶界阻挡电子与空穴的复合电子传输通道（固体电解质，氧化还原反应）阳光驱动的“电子泵”敏化剂分子吸收可见光，跃迁到激发态激发态不稳定性，敏化剂分子与TiO2表面相互作用，电子注入到TiO2导带，随后进入导电膜，输出光电流。（带有空穴）处于氧化态的染料分子被电解质中的碘离子I-还原回到基态，而I-被氧化为I-3I-3被从阴极进入的电子还原成I-，得到再生，构成了一个循环。整个过程：表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能不同颜色的染料敏化电池柔性衬底上的染料敏化电池（Graetzel的结果）最好的单个DSC电池结果二、Si基太阳电池的效率现状与提高途径Si太阳电池的能带图，物理过程132.三类Si基太阳能电池：c-Si，poly-Si，a-Si141.吸收的光子2.低能光子：无法吸收3.高能光子：热电子弛豫损失类型研究水平产业水平文献出处C-Si25%14-17%SolarCellEfficiencyTables(Version34)，2009Poly-Si18%13-15%a-Si15.39%初始，13%稳定a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H4-9%Shockley-Queisser效率极限

Efficiencyandcostprojectionsforfirst-,second-andthirdgenerationphotovoltaictechnology(wafers,thin-films,andadvancedthin-films,respectively)Source:UniversityofNewSouthWalesFirstgenerationPVtechnology–SiWaferSecondgenerationPVtechnology-ThinfilmsThirdgenerationofPVtechnology–Advancedthinfilms&Nanotech.高效率，低成本4.1叠层提高太阳电池转换效率的五种方法4.1叠层日本Sharp35.8%(2009年10月)提高太阳电池转换效率的五种方法提高太阳电池转换效率的五种方法4.1叠层硅量子点叠层4.1叠层叠层的变形－分光提高太阳电池转换效率的五种方法4.2聚光聚光的优点：1节省电池2性能提高提高太阳电池转换效率的五种方法4.2聚光叠层数量1234∞1个太阳31.0%42.5%48.6%52.5%68.2%聚光40.8%55.5%63.2%67.9%86.8%提高太阳电池转换效率的五种方法提高太阳电池转换效率的五种方法4.2聚光需求：跟踪，散热，高性能电池4.2聚光41.6%240个太阳美国波音Spectrolab实验室2009年8月提高太阳电池转换效率的五种方法4.3中间带吸收提高太阳电池转换效率的五种方法4.3中间带吸收A掺杂提高太阳电池转换效率的五种方法提高太阳电池转换效率的五种方法4.3中间带吸收B量子阱量子点4.3中间带吸收C高失配合金提高太阳电池转换效率的五种方法提高太阳电池转换效率的五种方法4.4热载流子利用热载流子电池(理论高效86％）提高太阳电池转换效率的五种方法4.4热载流子利用多激子产生单结理论效率44%提高太阳电池转换效率的五种方法4.4热载流子利用多激子产生提高太阳电池转换效率的五种方法4.4热载流子利用多激子产生硅纳米晶提高太阳电池转换效率的五种方法4.5光子上转换提高太阳电池转换效率的五种方法4.5光子下转换380nm激发451nm激发提高太阳电池转换效率的五种方法叠层最成熟，目前最实用，但成本高聚光中间带吸收研究最多，突破可能大热载流子利用难度大光子上下转换目前效率相当低，电池应用上受其它限制多五种方法研究现状总结六、展望全光谱响应的实现，Si基太阳电池有望在10年内达到50%的光电转换效率，部分替代常规的电力供应，大范围地满足社会的需求。>50%的转换效率<1mm的薄膜结构

无尽丰富的Si资源(地球上含量>27%)

成熟的Si微电子工艺尽可能采用无排放的物理工艺