太阳能论文

综述纳米结构材料在太阳能电池中的应用

作者：Elham n Afsha

摘要：近年来，纳米结构材料，为未来的可再生能源已经开辟了一条很有前途的路线，特别是在太阳能电池。本文考虑了纳米结构材料在提高太阳能电池结构性能和稳定性方面的优越性。这些结构已被用于各种性能/能量控制的版本增强策略。在这里，我们已经调查了四种类型的纳米结构应用于太阳能电池，其中所有被命名为量子太阳能电池。我们还讨论了量子点纳米颗粒和碳碳纳米管量子太阳能电池与传统的太阳能电池竞争的新发展。此外，优点，缺点和纳米结构太阳能电池的产业化进行了挑战。

关键词:纳米结构;太阳能电池;太阳能转换;光伏设备

1. 介绍

太阳能电池（SCS）或光伏（PV）的设备，收获阳光的能量直接转化为电能。化石燃料，如石油、焦油等，已作为能源的主要来源，但化石燃料资源有限，由于环境退化，每年增加的供应成本。技术和基础设施的发展和改进提供了替代能源和可再生能源，如太阳能，风能，地热能，生物质能，水电，核电等。光伏技术是唯一的替代性可再生能源如风力、生物质能、核能和水电。该技术具有许多优点，相对于其他可再生能源，如，从阳光直接产生电力，在便携式模块的形式提供电力，具有小型到大型兆瓦的发电厂，而不被特殊区域限制。所有这些技术都有望在未来的几十年中对世界的能源供应作出显着贡献。

通过开发技术和理念提高PVS的能量转换效率必须不断扩大为我们未来全球能源的补充，但关键部件，PVS的主要问题是其较高的生产成本和能源消耗。

2．光伏的历史和发展

世界上第一个商业化的光伏是基于晶体硅的，它是1954年2月由贝尔实验室的研究人员研制，第一个硅电池的效率约为4%，然后，许多研究人员提出了一个尝试演示的效率约为3 25%非常接近理论极限，在一个阳光下照射31%。如今，今天的大多数商业化的晶体硅基SCS 是封装在模块中有14–20%太阳光转换效率。今天,采用硅作为光伏行业最常用的材料的主要原因是,它是第二丰富的元素(氧)地壳的相对廉价的半导体。晶体硅的生产成本相对较低,每公斤0.2美元。然而,硅的光学和电学性质并不是很好的半导体技术和光伏。例如,在制造过程中，间接带隙的Si使得光学吸收和光传输效率低下,如果需要一个最低纯度水平。这些是最重要的原因，不是太阳能能量转换理想的半导体材料。单结SCs(如Si)的效率是有限的31%的主要原因如下:

●透明度的重要部分(20%)较低的太阳光谱的光子能量比带隙;

●高能光子的损失由于热热化,运营商和声子散射;

●从细胞表面的反射;

●无辐射复合带隙之间的转换。

大部分Si SCs被认为是代我技术,而第二代细胞是基于薄膜技术,允许使用薄材料吸收体沉积在基质成本较低,因此降低电池成本。第三代细胞是基于纳米结构和能量转换的概念,有可能实现有限的效率大于单一连接限制。预计这种结构基于纳米粒子能够实现成本水平相似或优于第二代电池技术。第二代细胞,如多结(MJ)pv,允许更大范围的波长的吸收太阳光谱结合不同带隙材料串联堆栈和最大浓度下可以达到71%的效率理论基于2 -4和超出许多不同的带隙。现在,这些是昂贵的(> 7 w−1美元),它们用于空间应用程序,以及太阳能发电站地面集中器系统小面积是必要的。

3.纳米SCs

这是串联细胞的效果可以结合在一种材料中的高效率和低成本的半导体。所有这些问题都是

我们对新技术和新概念的一个新的问题。串联的方式影响细胞可以组合在一个高效和低成本的半导体材料。必须注意的是，在太阳能转换领域的纳米技术的权力。对应用于SCs的后四个类型的纳米结构进行了调查;

●纳米复合材料(3 D),

●量子井(2 D),

●纳米线和纳米管((准)1 D),

●纳米颗粒和量子点(量子点)[(准)0 D]。

这些结构被用于各种性能/能量转换增强策略。每种类型提到的现象将很快解释;将纳米级荧光粉颗粒吸收光谱的一部分,转换为更适合SC的能量称为纳米复合材料系统能源转换器。

第一个3 D纳米应用的例子,色素增感太阳能电池光伏设备(DSC),最初是由Greatzel和奥雷根。这种结构,结合新的分子吸收,有助于提高DSCs 性能,一些公司试图扩大到模块级别。

此外,DSCs液态电解质的存在激发了开发聚合物SCs的工作。

Nanu等人，喷涂CuInS 2复合（CIS）和TiO 2纳米颗粒在石墨/纳米二氧化钛电极结构完成了结构致密的二氧化钛膜由透明导电氧化物（TCO）约有5%的能量转换效率。作者展示了创建纳米复合材料。纳米结构的另一种形式是纳米晶硅的使用更换无定形硅或将它们结合在一起的串联结构。这种结构的晶界，显著提高复合中心浓度以及重组的概率因为载流子要遍历很多界限高表面积。

量子威尔斯也具有高的吸收，由于较高的密度，导致高的短路电流的带边的高密度。多量子威尔斯插在基于三–V的材料主要是GaAs和相关合金如AlGaAs和InGaAs SC器件的有源区，一直关注了好几次。下一个二维受限的纳米结构，即纳米线和纳米管提供准或真实的一维结构。

纳米线作为一个直接的路径不存在晶界的电荷传输，从而导致增强的性能相比，纵横比接近1:1的纳米结构的应用。他们提供了一个更直接的路径，电荷传输的接触，而树枝状的纳米线结构，可以提高光的收获。例如，杨和他的同事表明与基于DSC的最大功率转换效率1.5% AM1.5光下纳米TiO2相比短路电流密度的增大。此外，纳米线还提供了增强的光吸收特性的潜力。tsakalakos等人，已经显示出这种效果直接在硅纳米线的制备直接在熔融石英衬底上

阿撒托斯和同事显示的所有无机纳米棒SC组成的层上沉积的CdTe纳米棒的CdSe纳米棒。这些电池产生的功率转换效率为1%，并进一步烧结的纳米线的复合膜，允许更好的粘附/接合的纳米线的接口产生的效率约3%的细胞。

总之，纳米线和纳米棒未来的供应链设备显示出巨大的前景，剩余的技术挑战，包括适当的表面钝化，分流和高品质的接触。碳纳米管（碳纳米管）也被证明能产生光伏效应。李等，显示一个单独的碳纳米管的二极管，静电掺杂在分裂栅场效应晶体管的结构，是一种理想的P N结一理想因子。他们已经得出结论，碳纳米管没有表面状态，因为碳键的石墨烯结构的碳纳米管是饱和的。这种装置被证明具有小的光伏效应，估计功率约5%的转换效率。碳纳米管也正在探索作为电极。在所有提到的纳米结构，量子点已经成为如此著名，由于它们的潜在的实施在各种光伏应用和增强计划。对该量子点在基于两大概念的SC结构这一特性可以通过特殊性能的纳米结构改性后的现实。

●多激子产生(MEG)或碰撞电离(II):

在这个概念中,高能量光子能量大于两个带隙应通过II产生两个或更多的电子空穴对的效果。量子化的量子点纳米级别的概率是一个好主意来增强这种效果。Nozik理论上首次提出这个概念。

最近的硒化铅和PbS纳米晶体实验表明,它确实是可以用数量的激子单光子吸收。实践方面,包括电荷分离等,需要额外的基础研究。