浅析太阳电池材料研究进展

/HYPERLINK"/"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进展，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差不多工作原理，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，关于有机薄膜太阳能电池材料，介绍了其差不多工作原理，性能优越性以及研究者对以后进展前景的展望。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：太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件,是一种光伏器件,于1954年在贝尔实验室首次发觉。开始的研究要紧集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池,当时贝尔实验室报道的器件效率为4%。无机太阳能电池通常是基于p-n结结构：p区存在过剩空穴,n区存在过剩电子,在p-n结附近,由于p型和n型的突变而形成内建电场。材料汲取光后产生的电子空穴对,通过扩散,达到p-n结界面,在内建电场作用下分开,并分不向2个电极移动,形成光伏。Ⅲ一V族化合物多结太阳电池，一直差不多上太阳电池进展的热点方向。一方面，Ⅲ一V族化合物多结太阳电池的实验室效率在大气质量差不多突破40%(AMl.5)[1,2]的纪录，并仍在不断刷新；另一方面，以GaAs基电池为代表的一批Ⅲ一V族化合物太阳电池，差不多广泛应用于宇航系统的能源供应，打开了Ⅲ一V族化合物多结太阳电池的应用空间。而有机物是最为廉价和最具吸引力的太阳能电池材料：一方面由于有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；另一方面由于有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也较低.除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用。Ⅲ一V族材料制备多结太阳电池1.多结电池结构半导体材料只能汲取能量大于其带隙的入射光子，同时每汲取一个光子最多只能放出一对电子一空穴对。也确实是讲，关于能量小于其带隙的入射光子，半导体材料是“透明”的；关于能量远大于其带隙的一个入射光子，半导体材料将其汲取后，也只能放出一对电子—空穴对。多余的能量会以声子辐射的方式转换为晶格振动的热能，造成能量损失。太阳辐射光谱在0.15～4cm的波长范围内均有着较强的分布，要想在如此宽的波长范围内尽可能多地汲取太阳辐射能量，并将其转化为电能而不是晶格振动的热能，仅仅采纳单一禁带宽度的单结电池是难以实现的。M．Wolfc[3]先后提出了多结太阳电池的概念。将禁带宽度不同、能够汲取不同波长区间太阳辐射能量的单结太阳电池堆叠起来，形成叠层结构。如此构成的多结太阳电池，不仅能够扩大电池对太阳辐射光谱波长的利用范围，而且还提高了单位波长区间内的光电转换效率，是太阳电池设计理念的一次飞跃。2.叠层材料的带隙选择和晶格匹配问题在AM(大气质量)1.5的标准光照条件下，应用细节平衡理论[4]，一个三结太阳电池理论上能够达到的最高效率为49.7％，而一个四结太阳电池理论上能够达到的最高效率为53.6％[5]。要想实现如此的最优转换效率，所选材料的带隙组合就应该最大程度地与太阳辐射光谱相匹配。经计算，对一个三结太阳电池，如此的最优带隙组合应该是0.71，1.16和1.83eV；对一个四结太阳电池，最优带隙组合应该是0.71，1.13，1.55和2.13eV。目前，以MOCVD为代表的外延生长技术只能实现晶格匹配材料的叠层外延生长，而假如采纳晶格完全匹配的材料构造多结太阳电池，又专门难找到一组材料能够完全满足上述最优带隙组合。最佳的带隙组分能够实现对太阳辐射谱的最大利用，而材料的晶格匹配便于外延生长的实现，这对矛盾限制了Ⅲ一V族化合物多结太阳电池转换效率的进一步提升。3.解决方法针对这一问题，目前出现了一些新的解决方法：一种是采纳渐变缓冲层结构设计来实现晶格失配较大材料的外延生长；另一种是查找带隙在1.0eV附近，以InGaAsN为代表的四元材料尽量满足带隙要求和晶格匹配；还有一种是采纳低温键合技术，将晶格失配的材料直接键合在一起。这些解决方法有的差不多制造了太阳电池转换效率的新记录，有的尽管目前转换效率还不高，然而提供了一些具备潜力的新思路。上述三种方法中，目前能够实现最高转换效率的是采纳渐变缓冲层的方法。通过采纳渐变缓冲层，失配和位错都能够限制在渐变缓冲层的区域内，从而大大减小了其对渐变缓冲层以上电池结构的阻碍。渐变缓冲层技术已成为目前晶格失配太阳电池的主流技术。基于有机薄膜的太阳能电池材料1.进展概况有机太阳能电池的研究始于1959年,其结构为单晶蒽夹在2个电极之间[6],器件的开路电压为200mV,由于激子的解离效率太低使得转换效率极低。这方面研究的重大突破是1986年报道的双层结构染料光伏器件[7]。器件以酞菁衍生物作为p型半导体,以四羧基苝的衍生物作为n型半导体,形成双层异质结结构,功率转换效率约为1%。该研究首次将电子给体(p型)/电子受体(n型)有机双层异质结的概念引入,并解释了光伏效率高的缘故是由于光致激子在双层异质结界面的光诱导解离效率较高。1992年,研究发觉用共轭聚合物作为电子给体（D）和C60作为电子受体（A）[8-12]的体系,这一发觉,使聚合物太阳能电池的研究成为新的热点。继而进展的以聚合物MEH-PPV做给体，C60衍生物PCBM作为受体的共混材料制备的本体异质结器件,由于无处不在的纳米尺度的界面大大增加了异质结面积,激子解离效率提高,使转换效率进一步提高,达到2.9%[13]。在过去的30年里,人类投入巨大的精力来研究有机太阳能电池,双层异质结器件、本体异质结器件、混合蒸镀的小分子器件以及有机/无机杂化器件的研究都有了长足的进展。2.器件结构及其工作原理有机太阳能电池的结构，由单层Schottky器件开始，相继进展了双层异质结、本体异质结、分子D-A结，以及基于以上单元结构的级联器件等。除了要求活性材料有较高的太阳光谱汲取能力，有机光伏器件中激子解离是提高器件效率的最重要因素。与无机光伏器件汲取光后产生自由电子空穴对不同，有机材料在汲取光后，产生流淌的激发态(即束缚电子空穴对)。由于激子中电子空穴对之间库仑作用较大，同时有机物介电常数较小，使激子解离需要的能量高于热能kT[14,15],因此，有机材料激子解离困难，不易形成自由载流子。不同的器件结构中，激子解离的机制有所不同。3.展望尽管有机太阳能电池的功能转换效率差不多达到了5%—6%，应用前景差不多初见曙光。然而，与成熟的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池不管从性能、机理依旧稳定性等许多方面都尚处于初级时期。因此，进一步地借鉴无机太阳能电池的成熟技术及研究思路将会对有机太阳能电池的研究起推动作用;机理的深入研究,可指导功能材料的合成、进展出新型的器件结构;结合有机材料、无机材料、纳米材料的不同优点,有机/无机杂化器件以及引入纳米材料的研究将会接着维持该领域的热点;利用分子D-A结材料制作性能优良的单层有机太阳能电池,对该类材料以及器件的制备工艺都将是一大挑战;随着器件性能日益提高,稳定性研究也将提到日程上来。结语：不管是Ⅲ一V族化合物多结太阳电池依旧有机太阳能电池,在其几十年的进展历程中差不多取得了长足的进步，太阳电池的转换效率不断得到提高。随着人们进一步的探究,太阳能电池将挑战更高的转换效率和更宽敞的应用空间。参考文献：[1].KINGRR.LAWDC.EDMONDSONKM40%efficientmetamorphicGaInP/GaInAs/Gemultijunctionsolarcells2007(18)[2].GUTERW.SCHONEJ.PHILIPPSSPCurrent-matchedtriple-iunctionsolarcellreaching41.1%conversionefficiencyunderconcentratedsunlight2009(22)[3].WOLFMLimitationsandpossibilitiesforimprovementofphoto-voltaicsolarenergyconverters:PartI:Considerationsforearth'ssurfaceoperation1960(7)[4].SHOCKLEYW.QUEISSERHJDetailedbalancelimitofefficiencyofp-njunctionsolarcells1966(3)5.[5].MARTIA.ARAUJOGLLimitingefficienciesforphoto-voltaicenergyconversioninmultigapsystems1996(2)[6].PTAKAJ.FRIEDMANDJ.KURTZSLow-accep-tor-concentrationGaInNAsgrownbymolecular-beamepitaxyforhigh-currentp-i-nsolarcellapplications2005(9)[7].KURTZSR.KLEMJF.ALLERMANAAMinoritycarrierdiffusionanddefectsinInGaAsNgrownbymolecularbeamepitaxy2002(8)[8].GEISZJF.KURTZS.WANLASSMWHigh-efficiencyGaInP/GaAs/InGaAstriple-junctionsolarcellsgrowninvertedwithametamorphicbottomjunction2007(2)[9].KONDOWM.KITATANIT.NAKATSUKASGaInNAs:anovelmaterialforlong-wavelengthsemiconduc-torlaser1997(3)[10].KURTZSR.MYERSD.OLSONJMProjectedperfor-manceofthree-andfour-junctiondevicesusingGaAsandGaInP1997[11].KURTZSR.ALLERMANAA.JONESEDInGa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