第6章 第三代太阳能电池

6.1概述
极限效率的分析； 极限效率仅与电池材 料的带隙有关，当电池材 料带隙为0时由于电压为0， 所以转换效率为0。当电池 材料带隙非常大时由于短 路电流为0，所以转换效率 也为0。只有在某一带隙时 极限效率最大。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
6.1概述
由于物理本质导致极限效率损耗的因数：
6.2 量子阱太阳能电池
主要内容：
1、第三代太阳能电池技术的类型 2、各种太阳能电池技术的特点 3、量子点和量子阱太阳能电池
6.2 量子阱太阳能电池
量子阱太阳能电池结构类型：
1、量子阱电池采用p-i-n结构； 2、i层为电池的吸光材料，采用量子阱结构； 3、量子阱是厚度满足某种条件的薄膜，包括多 层交替分布的势垒层和势阱层
太阳能发电过程中的三大能量损失：
低于材料带隙的光不被 吸收 辐射复合 转换比例损失各种复合损失 俄歇复合 体、表面复合 高于带隙的能量损失
6.1概述
太阳能发电过程中的三大能量损失：
电池串联电阻损失 电流传输损失 电池漏电损失
有些损失可以通过电池工艺技术改进来减 少和消除。然而另外一些损失具有物理本质规 律，采用普通方法无法减少或消除。
6.2 量子阱太阳能电池
1、多载流子电池技术原理：
在没有聚光的情况下理论最大转换效率为 43%，在最大聚光情况下，理论最大转换效率 为85%。
6.2 量子阱太阳能电池
2、热载流子电池技术原理：
载流子收集必须发生在载流子冷却阶段之 前，即载流子必须迅速穿越电池或者采用某种 方法减慢载流子的冷却速率。这需要特别的接 触来阻止载流子的冷却。 这种电池的理论效率 极限接近无限叠层电池极 限效率的86.8%。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
6.1概述
推算的主要损失； 1、低于材料带隙的光子不被电池吸收； 2、一个光子只产生一个电子； 3、高于带隙的能量将以热量的形式损失掉。
ΔE
导带
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
价带
6.1概述
推算的原理； 利用下面效率的计算式，根据前面的三种 能量损失，分别计算出电池的短路电流、开路 电压、填充因子三个电参数，从得出效率极限。
导带Ⅱ
导带Ⅰ
价带
6.2 量子阱太阳能电池
3、叠层电池的结构：
GaInP顶电池带隙为1.89电子伏特，GaAs中 间电池的带隙为1.42电子伏特，Ge底电池的带隙 为0.67电子伏特。
6.2 量子阱太阳能电池
4、多带隙太阳能电池技术：
通过对基质材料进行修饰产生中间能级或中 间能带，中间能级或中间能带又产生多个能隙， 以便吸收宽能量范围的光子。通过带隙中的杂质 态进行两步产生，来利用次带隙光子（能量低于 带隙的光子）。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
U OC
kT2 q
I ph ln 1 I0

Eg 1 I 0 c exp C Eg kT 2 kT2 e
6.1概述
开路电压的分析； 开路电压与材料的带隙有关，带隙越大， 开路电压越大。 V0C
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
I SC U OC FF I光
6.1概述
短路电流的计算； 短路电流等于光生电流，等于单位时间通 过电池横截面的电量，电量等于电子数乘以电 子电量，电子数等于光子数。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
I SC I ph A q f wEgT2
6.1概述
太阳能电池极限效率的几种推算方法：
1、基于能量守恒定律的推算； 根据能量转换守恒定律，可以推算出极限 效率为100%。
6.1概述
太阳能电池极限效率的几种推算方法：
2、根据卡若循环原理推算； 考虑发出太阳能光谱的热源温度T1为 6000K，电池的使用温度T2为300K。根据卡若 循环原理，可以通过下式计算转换效率。
6.2 量子阱太阳能电池
量子点太阳能电池结构类型及特点：
1、PiN结构量子点太阳能电池。 量子点结构位于电池的i层。起到吸收太阳 能光，产生载流子的作用。
6.2 量子阱太阳能电池
量子点太阳能电池结构类型及特点：
2、染料敏化量子点太阳能电池。 量子点敏化电池是用量子点替代染料分子。 相对于染料分子，量子点具有光学特性可调、 与固态空穴导体形成更好的异质结、以及具有 多载流子效应等优势。
6.2 量子阱太阳能电池
量子点太阳能电池—量子点材料特点：
1、具有多载流子效应：一个光子产生多个电子 -空穴对。 2、具有热载流子效应：在量子点中，热载流子 冷却速率会戏剧性地减少。 3、具有多带隙的特征。
6.2 量子阱太阳能电池
量子点太阳能的结构类型：
1、PiN结构量子点太阳能电池。 2、染料敏化量子点太阳能电池。 3、量子点分布在有机物太阳能电池中。
1、光子能量大于带隙时，大于带隙的那部分能 量以热的形式散发出去（占33%）。 2、低于带隙的光不被吸收而从电池透射出； （占23%)。
6.1概述
由于物理本质导致极限效率损耗的因数：
3、PN结和接触处的电压损失。
作业
1、简述二氧化钛染料敏化电池的工作原 理（过程）； 2、简述染料敏化电池的优点和缺点； 3、肖克来（Shcokley-Queisser）效率 极限计算没有考虑了哪些损失？
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
Eg
6.1概述
填充因子的计算； 对于无传输能量损失，填充只于开路电压 有关。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
V0C lnVOC 0.72 FF FF0 VOC 1
U OC kT2 / q
VOC
6.2 量子阱太阳能电池
7、利表面等离子体电池技术：
使用表面等离子体可以使特定波长光子的吸 收得到选择性的提高。金属颗粒覆盖在电池的表 面，且金属颗粒的尺寸远小于光子的波长。 图是20纳米到100纳米的银颗粒覆盖的情况， 对于波长大于700纳米的光子吸收增强明显。
6.2 量子阱太阳能电池
8、纳米天线太阳能电池技术：
太阳能电池 太阳光
I0 IR
透射光 输出电能
E
射入光 IT
产生电能
E0
内耗电能 图1
反射光
6.1概述
太阳能发电过程中的三大能量损失：
前表面反射损失 光学损失后表面透射损失 前电极栅线损失
太阳能电池 太阳光
I0 IR
透射光 输出电能
E
射入光 IT
产生电能
E0
内耗电能
反射光
图1
6.1概述
3 2
2k x dx 3 E g T2 3 2 T2 x h c e 1 E g / kT2
6.1概述
短路电流的分析； 短路电流只与材料的带隙有关，带隙越小 短路电流越大。
（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：
6.1概述
开路电压的计算； 开路电压与光生电流和饱和电流有关。
采用纳米材料结构，利用光是一种电磁波， 利用天线对电磁、第三代太阳能电池技术的类型 2、各种太阳能电池技术的特点 3、量子点和量子阱太阳能电池
6.2 量子阱太阳能电池
量子点太阳能电池—量子点材料：
量子点(QuantumDots一QDs)是准零维的 纳米材料，由少量的原子所构成。是指颗粒半 径(或三个维度的尺寸)小于材料激子玻尔半径的 金属或半导体颗粒，因此量子点又被称为“人 造原子”。
6.2 量子阱太阳能电池
第三代太阳能电池技术的主要类型：
6、聚光太阳能电池技术 采用聚光可以减少电压损失。 7、表面等离子体电池技术 通过特殊材料设计，在禁带中间引入中间 带隙和杂质能级。 8、纳米天线太阳能电池技术
6.2 量子阱太阳能电池
主要内容：
1、第三代太阳能电池技术的类型 2、各种太阳能电池技术的特点 3、量子点和量子阱太阳能电池
6.1概述
讨论太阳能电池转换效率极限的意义：
1、为太阳电池发展方向提高参考方向，能更好 理解电池转换效率的发展历程； 2、对于技术的改进提供参考依据。
6.1概述
太阳能电池极限效率的几种推算方法：
1、基于能量守恒定律的推算； 2、根据卡若循环原理推算； 3、肖克来（Shockley-Queisser)详细平衡的 计算法
第一、二代太阳能电池极限效率的损耗因数：
6.2 量子阱太阳能电池
第三代太阳能电池技术的主要类型：
1、多载流子产生技术 一个光子产生两对（或者两对）以上电子 空穴对。 2、热载流子电池技术 产生的高能电子在放热前被快速导出。
ΔE
导带
价带
6.2 量子阱太阳能电池
第三代太阳能电池技术的主要类型：
3、叠层太阳能电池 将不同带隙的电池堆叠在一起。 4、多带隙太阳能电池技术 通过特殊材料设计，在禁带中间引入中间 带隙和杂质能级。 5、利用光谱转换材料
6.1概述
主要内容：
1、复习太阳能发电过程中的能量损失 2、讨论太阳能电池转换效率极限的意义 3、太阳能电池效率极限的方法 4、肖克来（Shockley-Queisser)极限效率的计 算过程 5、理论极限效率中的损耗分析，第三代太阳能 电池概念
6.1概述
太阳能发电过程中的三大能量损失：
1、光学损失 2、光电转换比例损失 3、电流传输过程中的损失
6.2 量子阱太阳能电池
5、利用光谱转换材料：
普通的硅太阳电池，当光子能量在1.12电子 伏特时其转换效率最高，接近100%。所以将太 阳光谱转换能量在1.12电子伏特的光子，普通硅 太阳电池转换效率会得到很大的提升。 将高能光子转化为低能光子材料应在电池的 前端，而将低能光子转化为高能光子材料应在电 池的后端，并配有反射装置。