纳米结构在新型太阳电池中的应用进展

收稿日期:2008-12-02.

基金项目:国家自然科学基金项目(60676001,60706023);国家 973 计划项目(2009CB939703);所长基金项目(Y Z0635).

动态综述

纳米结构在新型太阳电池中的应用进展

朱晨昕,贾 锐,陈 晨,李维龙,李昊峰,刘 明,刘新宇,叶甜春

(中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室,北京100029)

摘 要: 介绍了应用低维纳米结构提高转换效率的新型太阳电池的研究现状,分别说明了基于量子点、量子线、量子阱结构新型太阳电池的工作原理、制备工艺、存在的问题及最新进展。同时,给出了这些太阳电池未来的发展方向,指出其在太阳电池领域中的重要地位。

关键词: 太阳电池;纳米结构;量子点;量子线;量子阱

中图分类号:T M 914 4 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)03-0333-06

Development of Nanostru ctu res Applied in Solar Cells

ZH U Chen x in,JIA Rui,CH EN Chen,LI Wei long,LI H ao feng,LIU M ing ,LIU Xin y u,YE T ian chun

(Key Laboratory of Nano fabrication and Novel Devices Integrated Technology,Institute of Microelectronics,C hinese Academy of Sciences,Beijing 100029,CHN)

Abstract: Research status of various nano structures applied for new so lar cell of enhancing conventional solar cells are intr oduced.The cell desig ns are categ orized by the types of nanostructure,including quantum do ts,quantum w ires,quantum w ells.T he basic w orking principles,fabrication methods,existing problems and latest developments are described,fo llow ed by the introduction of futher research directions.

Key words: so lar cells;nanostructures;quantum dots;quantum w ires;quantum w ells

0 引言

自1954年Chapin 等[1]

首次提出将Si 基p n 结结构应用于太阳电池以来,太阳电池经过半个多世纪的发展,种类不断增多。特别是近十几年来微电子领域中涌现出的各种新型纳米结构,为太阳电池的研发注入了新的活力,有望实现继以硅片技术的第一代太阳电池和第二代以半导体薄膜技术的太阳电池后,高转换效率、低生产成本、原材料丰富、无毒无污染的第三代太阳电池

[2]。本文介绍了基于量子

点、量子线、量子阱等纳米结构太阳电池的研究现状,说明了其中的原理、结构及实现技术,并对进一步的研究难点与趋势进行了分析与展望。

1 新型太阳电池高转换效率机理

热力学方法计算得到太阳能转换为电能的效率最高可达到95%[3]

,而目前广泛采用的带隙在1.1

eV 的Si 基单结电池理论效率为30%[4]

。为了获得更高的转换效率,人们基于太阳电池能量损失机理,设计出各种新材料、新结构的太阳电池[5]

。

图1为单结太阳电池能量损失机理示意图[6]。图中,!为能量低于带隙能量的光子不被吸收造成的损失;∀为热损失,即光生载流子的能量大于带隙E g 的部分,将以热能的形式损失;#和∃为p n 结和接触电压损失;%为电子 空穴对复合造成的损失。

为了更好地利用能量小于带隙能量的光子,上转换太阳电池[7]应运而生;为了减小热损失,可以设法使通过电池的光子能量等于或刚刚大于带隙能

&

333&∋半导体光电(2009年6月第30卷第3期朱晨昕等: 纳米结构在新型太阳电池中的应用进展

量,这样光子的能量基本完全贡献给电池的输出,而没有更多的能量可损失,这样人们提出了下转换太阳电池[8]

的概念;而叠层太阳电池[6]

概念的提出则试图集合多层能带大小不同的电池,以使各不同能量的光子均可被吸收利用;通过聚焦太阳光,增加光子密度可以减小p n 结接触电压损失,为此人们设计了各种新型高效的表面陷光结构[9];为了减少电子 空穴对重新结合造成的损失,可以通过消除不必要的缺陷以延长光生载流子的寿命,同时也可以通过多激子效应获得更多的电子 空穴对,从而提高能量的利用率[10]。

除了以上的新型太阳电池,人们还提出纳米线太阳电池

[11]、量子阱太阳电池

[12]

等,以达到减小能

量损失、提高转换效率的目的。这些基于纳米结构

的新型太阳电池目前还处于概念提出与实验室制造阶段,具有成为第三代太阳电池的潜力,受到人们的广泛关注

[13]

。

图1 单结太阳电池能量损失机理示意图

2 基于量子点结构的太阳电池

2.1 概述

量子点与纳米颗粒是一种接近零维的纳米结构,可以由半导体、金属构成,制备方法多样。这种量子点结构已经在纳米电子学、生物化学检测等领域得到广泛应用,这里主要介绍基于量子点结构与纳米颗粒结构的新型太阳电池。

2.2 上转换太阳电池

上转换太阳电池的目标是将入射光子中能量低于半导体带隙能量、不能被直接吸收的光子进行上转换加以利用。中间带太阳电池(Intermediate Band So lar Cell)是一种典型的上转换太阳电池,也是近年来的研究热点,其能带结构如图2[14]所示。CB,VB 分别代表导带、价带,IB 是插入的中间带, 表示各准费米能级,A 表示各能级间的跃迁过程,

则代表各能级间的化学势能。如图中箭头所示,电子的跃迁不仅可以发生在价带与导带之间(A CV 过程),还可以在价带与中间带之间(A IV 过程)、中间带与导带之间(A CI 过程),即可以吸收具有不同能量的光子,从而大大提高了光子的利用率。据理论计算,理想的具有中间带结构的太阳电池效率可以达到60%[14]

以上。

图2 中间带太阳电池能带结构示意图

量子点结构可用于形成中间带:紧密排列的量子点在能带上相互交叠形成微带结构,即所需的中间带。通过选择量子点材料和控制量子点大小的方法都可以起调节能带的作用

[15]

。目前,R.P.

Raffaelle 等人研制了以CdSe,CuInS 2或CuInSe 2为量子点材料的中间带太阳电池[14]

;Maro nchuk 等人采用液相外延生长(LBE )的方法制备了InAs 量子点结构以用于中间带太阳电池[16];A.M arti 组对InAs/GaAs 量子点超晶格结构中间带太阳电池做了大量的研究[17]。

目前,中间带上转换太阳电池处于研发初期,具有很大潜力。在寻找合适的量子点材料的同时,如何实现好的欧姆接触以保证电子和空穴分别从导带和价带进入电路形成电流,以及如何有效控制任意两个能级之间的非辐射复合等问题都有待进一步的研究与解决。2.3 下转换太阳电池

在典型的太阳电池中,能量高于半导体带隙的光子无法被吸收,通常以热能形式损失。下转换太阳电池的目标就是将高能量光子转换为两个或多个与吸收材料相匹配的低能量光子从而加以利用。理论上,下转换电池具有近200%的量子效率[8]。

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334&SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol.30No.3

June 2009

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