太阳电池材料进展

太阳电池材料研究进展太阳电池材料研究进展摘要：近年来，太阳能电池的研究得到突飞猛进的发展，显然，这是新材料和新器件结构的涌出以及器件机理研究深入的共同结果。本文讨论了有关利用Ⅲ一V族化合物材料制备多结太阳电池和基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件的研究进展。介绍了多结太阳能的基本工作原理，叠层材料的带隙选择和晶格匹配以及解决晶格匹配问题的一些方法。另外，对于有机薄膜太阳能电池材料，介绍了其基本工作原理，性能优越性以及研究者对未来发展前景的展望。关键词：Ⅲ一V族化合物；多结太阳电池；晶格失配；有机薄膜；光伏Abstract:Inrecentyears,solarcellsdeveloprapidly.Obviously,itisresultfromthedepthresearchofthenewmaterialsandnewdevicestructureandemissionmechanismofthedevice.ThisarticlediscussedtheuseofⅢ—Vcompoundmulti-junctionsolarcellmaterialsandpreparationofthinfilmsolarcellsbasedonorganicmaterialsanddeviceresearchprogress.Multi-junctionsolarintroducedthebasicworkingprincipleofthebandgapoflaminatedmaterialselectionandthelatticematchingandlatticematchingtosolvesomeoftheways.Inaddition,organicthin-filmsolarcellmaterials,describesitsbasicworkingprinciples,performanceadvantagesandresearchersontheoutlookforfuturedevelopment.Keyword:Ⅲ-Vcompound，Multi-junctionsolarcells，Latticemismatch，Organicthinfilm，PV引言：乐太阳能电池侵是将光能缴(贿太阳光能同)设转换为电能内的器件艳,酿是一种光伏建器件条,仔于哗195惧4骂年在贝尔实急验室首次发薪现崭。耍开始的研究址主要集中于淹以单晶硅为玩活性材料的切无机太阳能佩电池淋,鱼当时贝尔实玩验室报道的叶器件效率为犁4%央。肠无机太阳能教电池通常是希基于承p-n有结结构：串p士区存在过剩滑空穴目,n河区存在过剩跑电子被,舰在变p-n圈结附近太,厌弱由于蕉p瓦型和槽n吵型的突变而茧形成内建电平场苏。芦材料吸收光惊后产生的电霜子空穴对政,芽通过扩散眠,湾达到杠p-n客结界面答,霜在内建电场刑作用下秩分开居,练并分别向祝2蜡个电极移动镇,榨形成光伏沈。炎Ⅲ贿一矿V期族化合物多灭结太阳电池很，一直都是量太阳电池发粮展的热点方饲向。一方面耍，碌Ⅲ烈一胖V怠族化合物多雄结太阳电池冒的实验室效垂率在大气质红量已经突破鞭40乔%灾(AMl蛋.浆5)呈[1,2]亦的纪录，并鞠仍在不断刷瓜新；另一方道面，以撕GaAs吊基电池为代保表的一否批猾Ⅲ杀一辅V亚族化合物太昆阳电池，已狸经广泛应用想于宇航系统铲的能源供应康，打开竿了淋Ⅲ葛一岗V带族化合物多凉结太阳电池钻的应用空间办。而有机物熄是最为廉价锈和着最具狐吸引力的敌太阳能电池尽材料：一方宁面由于有机痕材料合成成戚本低、功能沾易于调制漂、柔韧性及扮成膜性都较烂好忽；达另一方面由县于有机太阳寺能电池加工反过程相岁对简单似,编可低温操作波,争器件制作成熊本也较低采.趁除此之外钥,想有机太阳能乖电池的潜在赛优势还包括桃：可实现大蜡面积制造、纷可使用柔性呢衬底、环境板友好、轻便判易携等。因兽而有望在手固表、便携式雾计算器、半拣透光式充电碎器、玩具、邀柔性可卷曲越系统等体系锅中发挥供电销作用。鞭Ⅲ家一旱V网族材料制备逼多结太阳电不池角1.浸饺多结电池结芳构偿半导体材料溜只能吸收能上量大于其带屠隙的入射光欺子，并且每麦吸收一个光淡子最多只能荐放出一对电讨子一空穴对纠。也就是说乖，对于能量举小于其蜓带隙的入射谋光子，半导认体材料策是煌“斥透婚明玻”腹的；对于能科量铺远大于其带奥隙的一个入国射光子，半欧导体材料将唯其吸收后，狠也只能放出嘉一对电锄子包—期空穴对。盲多余的能量盈会以声子辐梯射的方式转锦换为晶格振扶动的热能，歉造成能量损狼失。发太阳辐射光民谱在输0液.算15讽～谱4障cm进的波长范围植内均有着较娇强的分布，牧要想在这样伯宽的波长范邻围内尽可能歪多地吸收太狡阳辐射能量宗，并将其转椒化为电能而攻不是晶格振菠动的热能，油仅仅采用单拆一禁带宽度勤的单结电池拐是难以实现摸的。仅M给．响Wolfc啄[3]篇先后提出了愉多结太阳电乖池的概念。役将禁带宽度尚不同、能够区吸收不同波漠长区间太阳单辐射能量的墙单结太阳电逗池堆叠起来贝，形成叠勿层结构。这密样构成的多切结太阳电池季，不仅能够杜扩大电池对悦太阳辐射劣光谱波长的松利用范围，锡而且还提高身了单位波长悦区间内的光偏电转换效恭率观，是太阳电藏池设计理念劣的一次飞跃久。旅2.给任叠层材料的种带隙选择和玉晶格匹配问题题涨在矿AM(程大气质量农)1己.安5陪的尾标准光照条排件下，应用仔细节平衡理水论命[4]子，一个三结脏太阳电池理续论上能够达援到的最高效姓率为征49董.贯7毅％，而一个吩四结太阳电你池理论上能弃够达到的最瞧高效率为昨53谎.齐6兆％旋[5]籍。要想实现痛这样的最优级转换效率，锡所选材料的茄带隙组合就涝应该最大程菠度地与太阳燥辐射光谱相屡匹配。经计蹈算，对一个泽三结太阳电塞池，这样的将最优带隙组掏合应该是升0芹.辆71贿，仙1尾.币16趴和抓1结.瞧83eV糠；对一个四蹲结太阳电池律，最优问带隙组合应蒸该是庄0叨.约71阴，惹1东.铅13袋，医1魂.厉55削和摆2爆.颤13eV瞒。步目前，以私MOCVD惑为代表的外众延生长技术板只能实现晶豪格匹配材料彻的叠层外延侄生长，而如熄果采用晶格期完全匹配的慎材料构造多策结太阳电池眠，又很难找赶到一组材料俊能够完全满堪足上述最优威带隙组合。盛最佳的带隙壁组分可以实沾现对太阳辐鹊射谱的最大逮利用，而材谱料的晶格匹猴配便于外延底生长的实毛现恰，这对矛盾昆限制陪了磨Ⅲ吼一扣V侄族化合物多核结太阳电池骄转换效率的顺进一步提升肝。周3味.它解决方法库针对这一问此题，目前出暂现了一些新敬的解决方法骗：一种是采唐用渐变缓冲扫层结构滔设计来实现服晶格失配较目大材料的外献延生长；另逐一种是寻找酸带隙在省1暑.0栏eV艳附近，以很InGaA碌sN计为代表的四辟元材料尽量辈满足带隙要禽求和晶格匹概配；还有一堂种是采用低遥温键合技术裳，将晶格失络配的材料直殃接键合在一戒起。这些解篮决方法有的熄已经创造了役太阳电池转居换效率的新弹记录，有的步虽然目前转劫换效率还不魂高，但是提嘉供了一些具西备潜力的新陈思路虹。灭上述三种方陵法中，目前俊能够实现最汽高转换效率挣的是采用渐塔变缓冲层的沃方法。通过河采用渐变缓位冲层，失配吵和位错都能捎够限制在渐监变缓冲层的浊区域内，从盯而大大减小瞒了其对渐变茫缓冲层以上遥电池结构的胶影响。渐变退缓冲层技术燃已成为目前救晶格失岭配太阳电池宜的主流技术冤。素基于有机薄惩膜的太阳能慈电池材料仁1这.玻发展概况曲费闪步须有机太阳能岗电池的研究东始于娃1959减年迈,道其结构杯为单晶蒽夹个在励2皂个电极之间枪[6]闭,沉器件的开路盈电压为金200m汗V,翠由于激子的杨解离效率太埋低使得转换锣效率极低旅。惯这方面研究闷的重大突破良是时1986势年报道的双海层结构染料士光伏器件孤[7]懒。庸器件以酞菁纸衍生物作为鼻p忘型半导体原,穿以四羧基苝甜的衍生物作住为珠n赖型半导体母,党形成双层异傲质结结构晚,留功率转换效淘率约为厌1%巷。温该研究首次唱将电子给体机(p沙型怕)/杀电子受体厦(n谦型倘)希有机双层异颤质结的概念眼引入梳,茫并解释了光铃伏效率高的火原因是由于燕光致激劈子在双层异鼻质结界面的肃光诱导解离巾效率较高坝。粮1992丙年疤,霜研究发现用欠共细轭聚合物作致为电子给体滩（绘D医）尤和非C胡60少作为电子受见体啦（弃A搬）晨[晒8-12]隆的体系缺,茅这一发现叫,瑞使聚合物太会阳能电池的巨研究成为新治的热点氧。访继而发展的懒以聚合物价MEH-P蛛PV沈做给体，淹C似60蹦衍生物梅PCBM专作为选受体的共混括材料制备的质本体异质结跳器件抬,雅由于无处不误在的纳米尺候度的界面大疼大增加了异殃质结面积荷,伪激子解离效撇率提高桂,锅使律转换效率疲进一步提高辰,贸达到掩2.9%布[13]蜘。宗在过去的混30削年里餐,渔人类投入巨翻大的精力来冈研究有机太价阳能电池首,押双层异质结苹器件、本体穷异质结器件豆、混合蒸镀题的小分子器示件以及居有机枕/俊无机杂化器锐件的研究都喇有了长足的港进展闷。粘2.狭器件并结构及其工释作原理袍巷有机太阳能年电池的结构姐，露由单层谱Schot改tky闸器遥件开始件，笨相继发展了须双层异质结还、本体异质缺结、分子拿D-A刻结掠，搞以及基于以惠上单元结构采的级联器件少等夜。唤除了要求活枣性材料有较团高的太阳光途谱吸收能力忘，良有机光伏器梨件中激子解册离是提高器侨件效率的最判重要因素顽。咏与无机光伏盐器件吸收光脂后产生自由器电子空穴对扑不同狠，饭有租机材料在吸般收光后闻，烤产生流动的释激发态顾(傲即束缚电子耗空穴对走)党。翻由于激子中徐电子空穴对嘴之间库仑作后用较大碌，郑同时有机物目介电常数较朽小重，狠使激子解离折需要的能量蔽高于热能五kT治[锐14,15恒]鸟,忆因此负，窗有机材料激魔子解离困难继，咽不易形成自颈由载流子退。滚不喇同的器件结堆构中览，凉激子解离的夹机制有所不俭同形。3.展望催虽然有机太酸阳很能电池的功挑能转换效率冬已经达到了茅5%丈布—饿6%识，以应用前景已破经初见曙光月。饰但是指，末与成熟的无络机太阳能电腹池相比究，猪有机太阳能耕电池无论从赛性能、机理膊还是稳定性起等许多方面基都尚处于初少级阶段扣。浑因此念，零进一步地借挥鉴无机太阳壶能电池的成分熟技术及研厕究思路将会茫对有机太阳厉能电池的研短究起推动作绵用对;求机理的深入心研究月,披可指导功能野材料的合成饼、发展出新殖型的器件结钳构乐;棵结合有机材前料、无机材珠料、纳米材年料的不同优宇点袋,途有机卧/鞭无机杂化器玩件以及引入麦纳米材走料的研究将栽会继续维持双该领域的热老点稼;工利用分子逝D-A舍结材浪料制作性能卸优良的单层芦有机太阳能础电池亚,反对该类材料咽以及器件的挥制备工艺都字将是一大挑弃战弊;愁随着器件性数能日益提高串,勒稳定性研究晒也将提到日食程上来粪。结语：纵无论是更Ⅲ刚一亮V药族化合物多补结太阳电池以还是有机太爹阳能电池渐,她在其几十年声的发展历程谱中已经取得披了长足的进炭步，肿太阳电池的散转换效率不缩断得到提高饥。捆随着人们进器一步的探足索尖,梯太阳能电池眼将挑战更高造的转换效率恳和更广阔的冶应用空间。参考文献：就[究1绩]里.歇KING狗RR.L预AWD配C.EDM足ONDSO疫NKM对40%怎effic星ient诚metam阴orphi颗cGaI酬nP/Ga污InAs/掩G丑emul辛tijun六ction勺sola巧rcel里ls端逼2007(浊18)做[妖2三]允.店GUTER搬W.SC偏HONEJ穗.PHIL狸IPPS券SPC德urren惩t-mat竞ched始tripl释e-iun杯ction手sola伯rcel邻lrea欢ching茄41.1塔%con蛾versi塘oneff病icien忙cyun犁derc焰oncen威trate娃dsun瓜light贡2023瞧(22)缝[训3氏]捉.搞WOLF壶MLim敞itati蓝onsa尼ndpo显ssibi嗽litie菌sfor吧impr舟oveme灯ntof榆phot漆o-vol缝t滋aics西olar泪energ肢ycon摘verte窑rs:Pa辰rtI桨:Cons愤idera芦tions哪for仗earth炕'ssu留rface速oper裕ation评1960却(7)崖[塑4夏]芝.什SHOCK塌LEYW牧.QUEI仔SSER块HJD伴etail挥edba杯lance平limi遣tof自effic苦iency懒ofp怖-nju慧nctio麻nsol裹arce沫lls1屑966(3限)5.斑[尚5炮]泥.期MARTI盲A.AR爪AUJO前GLL弊imiti关ngef煮ficie酿n级cies赞forp组hoto-柿volta糖icen界e链rgyc睁onver诸sion葛inmu伸ltiga帮psys舱tem磨s1996鲜(2)勉[树6门]辟.障PTAK址AJ.F红RIEDM洪AND被J.KUR和TZS谈Low-a凳ccep-妥tor-c端oncen伙trati孕onGa辉InNAs黑grow鸦nby蒜molec邻ular-旨beam俭epita孩xy盘赞forh押igh-c密urren亏tp-i械-nso期larc渡ella辜pplic功ation迅s200级5(9)傅[节7宁]昼.览KURTZ不SR.浅KLEM后JF.A愤LLERM跑AN伸AA片Minor烛ityc绘arrie欲rdif熊f歌usion过and督defec太tsin乖InGa威AsNg量row晒nby巷赠molec商ular掀beam吐epita梯xy20族02(8)螺[粪8阅]悉.科GEISZ滤JF.叙KURTZ患S.WA床NLASS磨MW幕High-滴effic听iency话GaIn凯P/GaA奋s/InG充aAst龟riple汪-junc券tion喇solar雨cell迟sgro咱wn哄柜inver银tedw划itha忆meta寺morph拥icbo伤ttom洪junct请ion2长007(2恢)策[饿9奇]遍.厕KON局DOWM套.KITA怕TANI俯T.NAK名ATSUK尝A躲SGa湿InNAs皂:ano扔velm苏ateri幻alfo赖rl果ong-w拌avele蜘ngth披semic勉onduc剑-tor罢lase候r屠紧1997(寿3)上[辉10知]润.旬KURTZ滋SR.家MYERS衰D.OL毒SONJ思MPr坝oject皮edpe很rfor-积mance拦oft白hree-鼓andf慨our-j挽uncti涛onde炸vices帽usin翅gGaA果s省慌andG梁aInP窝1997决[刘1孙1酬]途.KURT劳ZSR.A喇LLERM辨ANAA.失JONES炸ED拐In逢GaAsN纺sola闯rcel庸lswi近th1.资O跃eVb变andg亭ap,la挨tt