热载流子太阳能电池：原理、材料和设计

中南大学物理与电子学院论文题目：热载流子电池的原理、材料和设计姓名：江浩课程：光电子学指导教师：许雪梅学号：13221204912453太阳能电池简介太阳能电池发电原理能量损失机制热载流子冷却动力学目录器件两端的接触

1太阳能电池简介太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件，主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。什么是太阳能电池返回

1太阳能电池简介按照技术成熟分类：第一阶段：晶体硅电池转换效率最高可达24.7%技术最成熟市场90%份额第二阶段：薄膜电池较晚起步转换效率最高可达13%第三阶段：新概念太能电池包括热载流子太阳能电池起步最晚但前景很好返回性能参数（1）开路电压UOC将太阳能电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。（2）短路电流ISC将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。（3）最大输出功率连接合适负载电阻的最大输出功率（4）转换效率连接最佳负载时n=输出功率/太阳光照能量1太阳能电池简介返回2论文信息论文题目：热载流子电池：原理，材料和设计期刊：物理学E：低维系统和纳米结构，2010年，第42卷（10），pp.2862-2866来源数据库：ElsevierJournal（爱思唯尔数据库）作者：D.K¨oniga,_,K.Casalenuovoa,b,Y.Takedac,G.Conibeera,J.F.Guillemolesd,R.Pattersona,L.M.Huangd,a,M.A.Green作者单位：澳大利亚悉尼新南威尔士大学ARC卓越光伏中心返回3热载流子太阳能电池发电原理返回半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电场作用下，电子（－）朝N型半导体汇集，而空穴（＋）则朝P型半导体汇集。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。太阳电池发电原理示意图3热载流子太阳能电池能量损失机制返回热损失:被吸收的光生载流子通过向能带释放声子的形式将大于禁带宽度的那部分能量损失掉。电子-空穴对的重新复合引起的能量损失。这种复合可以通过消除所有不必要的缺陷延长载流子的寿命来抑制。如⑤

还有一种能量损失是低于禁带宽度的能量损失，如①，能量小于禁带宽度的光子不能被吸收所造成的损失。3热载流子太阳能电池热载流子电池示意图返回3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（1）激发前的热平衡状态；（2）激发后的“想干分布”阶段；（3）载流子散射碰撞；（4）热载流子的热能化；（5）载流子冷却；（6）晶格热能化载流子；（7）载流子复合；（8）回到热平衡状态3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（1）激发前的热平衡状态：载流子浓度符合玻尔兹曼分布。载流子占据能态的概率随远离带边距离指数下降；但可占有的能态数量增加。从而得到如图所示的单峰形分布。3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（2）激发后瞬间，载流子浓度呈“想干迭加”状分布：受太阳光激发产生的激发态光生载流子迭加在原来平衡状态的分布上。价带中载流子分布离禁带边的距离比导带中载流子的距离大，这是由于价带中有效质量比导带中大。3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（3）载流子散射碰撞：在这个过程中，载流子之间相互碰撞，其能量分布趋于一个更稳定有规律的分布，最终趋于平衡状态。在该状态仍符合玻尔兹曼分布，但其所对应的平衡温度比热平衡所对应的温度高。能量只重新分配，并无损失。3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（4）-（6）载流子热能化：在这一过程中，载流子与晶格热碰撞，发射声子，造成能量损耗载流子数量不变，但其能态分布、对应的“温度”不断下降。直至与晶格温度一致。3热载流子太阳能电池热载流子冷却动力学返回（7）载流子复合：多余电子-空穴对的复合。这个过程中载流子数量开始减少，并最终趋于平衡态。（8）载流子从新回到稳定态3热载流子太阳能电池器件两端的接触返回吸收层两端接触材料中的载流子与吸收层平衡状态的温度相同。如果直接与热载流子刚性碰撞，会导致热载流子的冷却，损耗能量。如果热载流子只有一个很窄范围的能带与接触材料平衡，则会减少这种效应。两种实现方式：（1）选择能量式接触（2）通过共振量子隧穿3热载流子太阳能电池器件两端的接触返回选择能量式接触：通过带宽很宽，但价带和导带很窄的半导体实现3热载流子太阳能电池器件两端的接触返回通过共振量子隧道实现。理想状态下，能量在半导体量子阱宽能级状态的载流子可以在吸收体和接触之间隧穿4结论返回共振隧道二极管可用作热载流子器件两端的接触吸收体的尺寸必须很小，使载流子在冷却钱被吸收低维器件应该非常适用于热载流子器件BB