硅基纳米结构太阳电池研究新进展_王懿喆

Ｎｅｗ ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｓｉｌｉｃｏｎ-ｂａｓｅｄｎａｎｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ
ＷＡＮＧＹｉ-ｚｈｅ, ＭＡＸｉａｏ-ｆｅｎｇ, ＣＡＯＭｅｎｇ, ＺＨＯＵＣｈｅｎ-ｙｕｅ (ＳｈａｎｇｈａｉＣｅｎｔｅｒｆｏｒＰｈｏｔｏｖｏｔａｉｃ, Ｓｈａｎｇｈａｉ201201, Ｃｈｉｎａ)
式复合 , 系统达到最终平衡状态 。 因此 , 提高太阳电 池转换效率的途径有两种 , 即在热载流子冷却之前 将其引出以提高光生电压 , 以及通过多激子激发的 方式让热载流子产生更多的电子 -空穴对以提高光 生电流[ 10] 。 理论和实践都表明 , 单独依靠传统的块 体半导体材料 , 是不可能实现高于其转换极限的太 阳电池器件的 。
态的硅 /合金超晶格结构有各种优势 , 如可以拓展有 效带隙 、有效质量分 离 、增加开路电压等 。 计算表 明 , ｐ-(ａ-ＳｉＮ:Ｈ/ａ-Ｓｉ:Ｈ) -ｉ(ａ-ｓｉ:Ｈ)-ｎ(ａ -Ｓｉ:Ｈ)结构 , 其中 ｐ区为超晶格结构 , 膜层厚度在 2.5 到 3.5ｎｍ 的 太阳 电池 开路 电压 可以 超 过 1. 05Ｖ, 效率预期超过 12%[ 23] 。
3 硅基量子点超晶格太阳电池
以量子点 、量子阱 、超晶格等概念为基础的量子 纳米结构材料是基于量子限制效应技术的新一代人 工构造材料 , 它以全新的概念改变着光电子和微电 子器件的设计思想 , 由于工艺相对简单 、易于实现 , 以 Ⅲ -Ｖ族元素为基础的量子阱 、超晶格太阳电池 研究也获得了广泛的进展 [ 10, 20, 21] , 硅基太阳电池主 要集中在纳米硅 /非晶硅的量子点超晶格结构电池 方面[ 22 -26] 。 ＡｒｇｙｒｉｏｓＣ.Ｖａｒｏｎｉｄｅｓ指出 , 由 于非晶
1 纳米结构在高效率太阳电池中的作用
根据 Ｓｈｏｃｋｌｅｙ-Ｑｕｅｉｓｓｅｒ的分析 , 限制转换效率 的主要因素在于 , 载流子驰豫到它们各自的能带边 缘 (对电子而言是导电底 , 对空穴而言是价带顶 )并 与声子到达平衡态过程中 , 半导体材料所吸收的能 量高于半导体带隙的光子的能量通过电子 -声子散 射以及声子发射而损 失掉了[ 2] 。 在 块体半导体材 料中 , 通过吸收光子产生的电子和空穴具有超过导 带和价带边缘的多余动能 , 即初始载流子的温度高 于晶格温度 , 这样的载流子称为热载流子 。 热载流 子通过相互碰撞和谷间散射达到平衡态 , 随后通过 与载流子 -声子的相互作用 , 将多余动能传递给晶 格 , 这过程中一部分载流子被分离 , 形成光生电压和 光生电流 , 未被分离的载流子通过辐射或非辐射方
Ｈｏｎｓｂｅｒｇ对实现超高效率光伏太阳电池的可能 途径进行了仔细分析 , 指出可以通过 5种方法实现 转换效率超过单结电池 :多光谱电池 、多吸收路径电 池 、多能级电池 、多温度电池和 ＡＣ(ＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔ)电池[ 15, 16] 。应用纳米结构材料 , 比较容易实现 的是基于碰撞电离原理的多吸收路径电池和基于能 带分割原理的多能级电池 。 在此方面 , 比较容易实 现的 Ⅲ -Ⅴ族 、Ⅳ -Ⅵ 族化合物纳米电池已经取得 了长足发展[ 10] , 近年来由于原材料消耗日益增加 , 以及对环境的考虑 , 硅基纳米结构太阳电池也受到 广泛重视 , 成为研究的热点之一 。
0 引言
众所周知 , 近年来太阳能光伏产业获得了巨大 的发展 。由于硅原材 料在地球上的 蕴藏量非常丰 富 ,而且硅没有毒性 , 对环境友好, 硅基太阳电池 (包括晶体硅 和薄膜硅 )一直是业 界发展的 重点 。 2008年全球太阳能电池产量达到创纪录的 7.9ＧＷ , 其中硅基太阳电池的份额占 到了 93%以上 [ 1] 。去
2 传统电池上的硅纳米结构
近年来 , 一种纳米硅薄膜引起了广泛注意 。 纳 米硅薄膜是尺度在几个纳米范围内的晶体硅纳米颗
粒与非晶硅组成的二相体系 。和非晶硅相比 , 纳米 硅材料的载流子迁移率 、电导率 较高 ;同多 晶硅相 比 , 纳米硅材料的光学吸收系数较高 , 其光学带隙也 可由纳米尺度效应调节到所需带隙区域 [ 10] , 因此在 高效率硅基太阳电池方面有广阔的应用前景 。何宇 亮等对 用等 离子 体增 强型 化学 气相 沉 积 (Ｐｌａｓｍａ ＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ, ＰＥＣＶＤ)方 法
(上海太阳能电池研究与发展中心 , 上海 , 201201)
摘要 :由于原材料蕴藏量非常丰富以及对环境无毒友好的特点 , 硅基太阳电池不仅在当前 , 而且在 今后都将是光伏太阳电池的主流 。传统晶体硅电池光电转换原理决定了其转换效率不可能在短期 内有较大提高 。 基于量子限制原理的纳米结构材料具有独特的性能 , 能够实现全新结构的超高效 率的光伏太阳电池 。 文章介绍了硅基太阳电池研究方面的一些最新研究进展 , 并指出了未来一些 可能的发展方向 。 关键词 :纳米结构 ;硅基太阳电池 ;硅量子点超晶格 ;热载流子电池 ;多界面器件 中图分类号 :ＴＭ914.4:Ａ 文献标识码 :Ａ
Ｐｉｖａｃ.Ｂ等人制备了称之为 "下一代太阳电池 " 的纳米硅超晶格太阳电池结构 [ 22] 。 在单晶硅基片
上用热蒸发的方式沉积 4ｎｍ厚的 ＳｉＯ和 ＳｉＯ2 各 10 层 , 形成非晶型的超晶格结构 。用小角度 Ｘ射线散 射仪研究表明 , 600℃退火时 , 无定形态几乎不发生 任何变化 。退火温度达到 1000℃以上时 , 开始形成 晶粒 。最终形成了纳米硅和 ＳｉＯ2 的量子点超晶格 。 另外 , ＡｔｕｌＭａｄｈａｖａｎ等人对纳米晶 /非晶超晶格的
第 16卷第 5期 2010年 10月
功能材料与器件学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＦＵＮＣＴＩＯＮＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳ
文章编号 :1007 -4252(2010)05 -0483 -07
Ｖｏｌ.16, Ｎｏ.5 Ｏｃｔ., 2010
硅基纳米结构太阳电池研究新进展
王懿 , 马小凤 , 周呈悦 , 曹萌
5期
王懿 , 等 :硅基纳米结构太阳电池研究新进展
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制 备的纳米硅 薄膜的显 微结构进行 了细致研 究 [ 17] [ 18] , 获得了一系列网络中的界面微观图形 , 清 楚地显示出网络中硅微晶粒的大小及其分布情况 , 结果发现晶粒分布有一定的择优取向 , 晶粒的大小 和形状分布不均匀 , 另外大量的界面形状分布也不 同 , 界面区原子分布是无序的 。在传统电池上的应 用之一便是多结叠层纳米硅薄膜太阳电池 。上海交 通大学的沈文忠教授给出了这样一种结构设计 :在 导电玻璃衬底上沉积地步多晶硅薄膜 ｐ-ｉ-ｎ结电 池 , 吸收 1.1ｅＶ光 子 , 然后沉积中间 和顶部纳米硅 薄膜 ｐ-ｉ-ｎ结电池 , 分别吸收 1.5ｅＶ和 2.0ｅＶ的 太阳光子 , 其带隙是有硅量子点的尺寸来调节控制 的 [ 19] 。该电池稳定性比非晶硅好 , 预计会有良好的 产业化前景 。另外 , 利用硅纳米线的优良的减反射 特性在晶体硅上制作纳米线阵列太阳电池的研究也 在进行中[ 19] 。
纳米结构材料具备在电学 、光学等方面与块体 材料完全不同的特性 , 可应用于超高效率太阳电池 。 纳米结构太阳电池的特点在于 :1)克服现存器件的 某些材料特性限制 , 对材料特性进行剪裁 , 如渐变带 隙电池材料 [ 11] 、中间带隙电池材料 [ 12] , 以及减少晶 格失配的缓冲层结构等 [ 13] ;2)能够实现转换效率超 过单结电池极限的新概念 、新结构太阳电池 , 如通过 势垒限制实 现的量 子点 、量子 阱和 超晶 格太阳 电 池[ 10] , 通过声子瓶颈效应 、能量选择接触实现的热 载流子电池[ 14] , 3)具备简化电池材料 、降低电池成 本的潜力 , 如热载流子电子理论上可达到 66%的效 率极限 , 而要实现同样效率极限的叠层电池 , 理论上 需要无穷多个 ｐ-ｎ结叠合 [ 14] 。
源 , 与传统水电 、火电相比成本仍然偏高 。 实际上 , 经过过去几年的晶体硅价格虚高及暴跌之后 , 在原 材料和设备方面 , 已经很难有进一步降低成本的潜 力 。因此 , 开发新型硅基太阳电池 , 研究高转换效率 的器件 , 仍将是未来研究人员的主攻方向 。
以晶体硅电池为代表的 ｐ-ｎ结型太阳电池的 转换效率不可能无限制提高 , 在理论上存在一个转 换效 率 的 极 限 值 , 这 就 是 Ｓｈｏｃｋｌｅｙ-Ｑｕｅｉｓｓｅｒ极 限 [ 2] 。根据 Ｓｈｏｃｋｌｅｙ-Ｑｕｅｉｓｓｅｒ的计算 , 单晶硅太阳 电池的极限效率只有 31%[ 2] , 到目前为止实验室最 高记录值是新南威尔士大学研究的 ＰＥＲＬ(ＰａｓｓｉｖａｔｅｄＥｍｉｔｔｅｒ, ＲｅａｒＬｏｃａｌｌｙＤｉｆｆｕｓｅｄ)电池 , 其转换效率 达到 24.7%[ 3] (后来被修正为 25%)[ 4] , 实际规模 化产品的转换效率一般在 17 -19%左右 [ 5, 6, 7] 。硅 基薄膜电池的转换效率更低 , 以 ＵｎｉｔｅｄＳｏｌａｒＯｖｏｎｉｃ 公司的非晶硅 /非晶锗硅 /非晶锗硅三结叠层太阳电 池为例 , 据报道实验室最 好水平只有 14.6%, 稳定 后达到 13.0%[ 8] 。由于受理论极限值的限制 , 传统 硅基太阳电池的转换效率不太可能再有大幅度的提 高 。未来高效率 、超高效率的太阳电池将不得不借 助于全新的光电转换机理 、全新的电池材料和电池 结构 , 即所谓第三代光伏太阳电池概念 [ 9] 。 纳米技 术的发展和纳米结构材料具有的独特性能为第三代 光伏太阳电池提供了可能的解决方案 。本文将主要 介绍几种近年来成为研究热点的硅基纳米结构太阳 电池的发展状况 , 并讨论面向未来的高效率 、低成本 太阳电池的发展趋势 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆａｂｕｎｄａｎｃｅｏｎｔｈｅｅａｒｔｈａｎｄｎｏｎｔｏｘｉｃｉｔｙ, Ｓｉ-ｂａｓｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌｗｉｌｌｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｄｏｍｉｎａｔｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ.Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｎｏｒｍａｌｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｃａｎｎｏｔｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｉｎａ ｓｈｏｒｔｔｉｍｅｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ.Ｎａｎｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ, ｂａｓｅｄｏｎｑｕａｎｔｕｍｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ, ｏｐｅｎａｗｉｎｄｏｗｔｏｎｏｖｅｌ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ, ｓｕｐｅｒ-ｈｉｇｈ-ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｏｌａｒｃｅｌｌ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｏｍｅｎｅｗｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｉｎＳｉ-ｂａｓｅｄｎａｎｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｓｏｌａｒａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｐｏｓｓｉｂｌｅａｓｐｅｃｔ ｉｎｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｎａｎｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ;Ｓｉ-ｂａｓｅｄＳｏｌａｒｃｅｌｌ;Ｓｉ-ＤｏｔＳｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ;ＨｏｔＣａｒｒｉｅｒＳｏｌａｒＣｅｌｌ;Ｍｕｌｔｉ -ｉｎｔｅｒｆａｃｅＤｅｖｉｃｅ