纳米太阳能电池——太阳能的希望

纳米太阳能电池——太阳能的希望.txt当你以为自己一无所有时，你至少还有时间，时间能抚平一切创伤，所以请不要流泪。能满足的期待，才值得期待；能实现的期望，才有价值。保持青春的秘诀，是有一颗不安分的心。不是生活决定何种品位，而是品位决定何种生活。 本文由skipkop贡献
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取之不尽! 用之不竭的 最清洁能源
小学生都知道太阳是生 命 三 要素 !阳光! 空气和 水" 之 一 " 太阳对于人类之必须尽人皆知# 当然我们这里只谈太阳能能源问 题$ 现在一年内全球消耗的所有 能量 !矿物能源和可 再 生 能 源" 总 和 为 #$%& % 兆 瓦 & " #%& ’
撰文 !张邦维
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变为电能" 并不需要机械设备" 不燃烧任何燃料" 也不需要水或 气体" 不会产生任何温室气体或 其他有害气体" 也不会产生噪 声" 因此" 不会对人类和环境产 生任何有害影响" 就是说 " 太阳 能是完全清洁的能源$ 此外" 按 目前太阳的质量消耗速率计" 太 阳 的 寿 命 至 少 可 维 持 .(( 亿 年 " 人类根本用不着去考虑太阳能没 有了该如何办的问题$ 所以说"
的$ 联合国估计 " 全球实际上还 能够建造的水电资源小于 (*,%& $ 所有潮汐和洋流的发电总额小于
)%& $ 所有 全 球 的 地 热 能 源 约 为 #)%& " 其 中 只 有 一 小 部 分 能 够
实际开采$ 全球的风力资源大约 是 )!-%& $ 全球的生物燃 料 能 源 理 论 上 为 +!#(%& $ 这 些 能 源 即 使是全部都开发出来" 但还是满 足 不 了 到 )# 世 纪 末 的 需 求 $ 因 此" 人们只有寄希望于利用太阳 能$ 太阳照射到地球大气顶 部 的 能 量 " 理 论 上 为 #+( (((%& " 经过大气和云层散射 后" 到达地面上的为
#(#) 瓦 " 即 # 万 亿 瓦 ’#( 亿 千 瓦 $
一个大型电厂或电站年发电量为
#( 亿瓦" 因此" 要 #((( 个大型电
厂才能生产 #%& 电 $ 太 阳 一 小 时 投 到 地 球 上 的 能 量 !#$*+%&" 就 超过了这个数量$ 随着人口和经 济的发展" 预计到 )(,( 年 " 全球 的 能 量 需 求 将 翻 番 为 $(%& " 而 到 )# 世纪末" 能源的需求会是现 在的 $ 倍 " 即 -.%& $ 矿 物 燃 料 不 仅会产生有毒和有害气体 " 给环 境和人类带来危害 " 而且它们的 数量也愈来愈少" 远远不能满足 这种需求$ 其他的能源" 从目前 来看" 核电厂似乎可能性最大 了 " 但 要 达 到 )(,( 年 $(%& 的 目 的" 需要每天新建一个 #( 亿瓦的 核电厂才行" 这当然是办不到
#)( (((%& $ 全 球
的陆地面积只占全 球 总 面 积 的 )/0 " 即 #*$ 亿 平 方 公 里 $ 再考虑到技术上的可行 性" 即使能量转变效率 只

有 #(0 " 实际上" 全球 真正能够使用的太阳也 能 达 到 约 .(%& $ 因 此 " 大大超过了到本世纪末 全部能量的需求$ 由于 太阳能电池直接将光转
图 ! 半导体太阳能 "# 发电原理示意图!
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谈天说地
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进入半导体层# 如果 光子能量为半导体层 吸收# 较低能量的价 带中的电子就会被激 发# 跨越能隙变成为 较高能量导带中自由 电子# 相应的在价带 中形成一个带正电的 空穴" 只有超过某一 能量 !这种最低阈值 能 称 为 能 隙 12" 的 光
’ 区和 % 区经复合产生的损耗" 就
是因为有了这些损耗# 所以#
#$ 电池的转变效率 ! 即每平方米
能 产 生 多 少 电 能" 比 较 低 # 比 如 说 $ 现 在 的 一 般 效 率 就 是 4/5 # 这 就 是 说4平 方 米 所 产 生 的 太 阳 能为 4// 瓦# 而为在无云的天气#
4 平方米的太阳光能约为 4/// 瓦"
太阳能的输出功率通常用其在无 云 天 气 所 产 生 的 尖 峰 功 率 6’ 来 表示" 当然# 从光子转换为电能 过程损耗愈小# 转换效率就愈 高# 太阳能就愈有效" 因此# 太 阳能源研究和开发的关键和全部 问题就集中于如何提高转换效率 上" 在实际应用中# 单个 #$ 电池 的尺寸大约从 4!4/78 # 所产生的
图 & 太阳光子产生电子空穴对及各种损耗示意图!
太阳能是取之不尽! 用之不竭的 最清洁能源" 这也就是为什么世 界各国在面临能源即将严重短缺 的关键时刻# 纷纷提出计划和注 入重金用于太阳能开发利用# 向 太阳光索取能源的原因" 太阳能利用主要包括 了 两 个 方面$ 一个是太阳能电池% 另一 个是光热" 把太阳光聚集起来# 利用其热量# 或直 接 加 热 水 !太 阳能热水器" 或空气 !太 阳 能 空 调 " # 或使水加热成蒸汽后发电"
子才能被吸收将电子激发到导 带# 否则就会躲过吸收# 这样的 光子称为热光子" 在内建电场的 作用下# 电 子 向%型 区 移 动 # 空 穴 向’型 区 移 动 # 电 子 和 空 穴 沿 着外接电路流动# 从而产生电 流" 如果外接电路中有负载比如 灯泡# 就会发亮" 这种 由光所产生的电动势# 就是光生伏特电动势" 这种形式的 #$ 电池实际 上相当于一个二极管# 只是# 现在是太阳光充 当了外加电压一样" 显 然# #$ 电池直接将太阳 光转变为电能# 既不需 要水和任何燃料# 也不 需要任何机械设备" 从 #$ 电池 产 生 电 的 结构# 可以看到# 如果 经太阳照射# 半导体所
什么是太阳能电池
所谓太阳能电池# 就 是 使 太 阳光照射到某种材料上 # 产生出 电流# 从而对外作功的一种装 置" 太阳能电池也叫做光伏 !#$" 电池# 因为光照射产生出电压 ! 伏 特 " 而 得 名 " 以 通 常 的 #$

来 说 # 其核心部分是其半导体材料 %& 型 和 ’& 型 () # 然 后 是 两 边 接 触 层 ! 抗 反 射 层 和 封 装 " ’ 型 () 和 % 型 () 接 触 后 # 必 然 在 接 触 处 形 成 ’&% 结# 并在结区形成内建电场# 方 向由%型区指向’型区" 我们知 道 # 太 阳 光 子 的 能 量 !*!" 从 紫 外 区 的 +,-.$ 到 红 外 区 的 /,-.$ # 可见光中间部位黄光的能量为
图 ! 全 球 "#$#%&’() 年 *+ 产 量 ! 数 据 取 自 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 的 ,-./0/1 &(() 年 以 及 *+ 2345 &((6 年的统计资料!
吸收的光子愈多# 产生的电子& 空穴对就愈多 % 而且 # 如果产生 的 电 子&空 穴 对 损 失 愈 少 的 话 # 光生伏特电动势就会愈大" 通常 的 这 种 半 导 体 () 材 料 #$ 损 失 电 子&空 穴 对 的 途 径 有 3 条 $ 热 光 子损耗# 光子没有能够产生电 子&空穴对就流失掉了% 在结区 的损耗% 在接触处的损耗以及在
电 能 只 有 4!0 瓦 # 这 对 于 大 多 数 应用来说是不够的" 因此# 总是 将它们连接起来制造成密封的模 块# 再把模块连起来成为阵列" 提交给发电厂或使用单位的就是 这种阵列# 其中的模块或叫做太 阳阳能板可以是数千甚至于数万 块# 根据所需要产生的电能决定 所用太阳能板的数量"
0,-.$ " 当 太 阳 光 照 射 时 # 光 子
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积的太阳能就 能够供给了" 对于全美国! 则只相当于将 全美所有的高 速公路上都装 上太阳能电池 板就能满足她 目前对能源的 需求" 我国的
图 ! 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 的 "#$%& 关 于 全 球 ’( 积 累 产 量 以及价格逐年下降图! 图 中预示了未来的发展状况!
倍 ! 甚 至 % 倍 ! 达 到 C%( 的 话 ! 那么价格不就自然而然地降下 来! 与其他矿物能源的价格相 当! 甚至更便宜了" 这两个方面 人们都寄希望于纳米技术来解 决" 但更为重要的是! 发展 !" 的 关键还在于如何用纳米技术来提 高 !" 的光转换率"
情况也类似" 总之! 担心
纳米太阳能电池 应运而生
人们设想 !" 的发展过程为三 代% 第一代也就是当前 !" 所处的 时代! D$( 以上的 !" 使用的是单 晶 和 多 晶 半 导 体 @A 材 料 " 光 效 率 不 超 过 )%( ! 价 格 不 低 于 *’% 美 元 B,E " 第一代经历了半个世纪& 第 二 代 !" 使 用 的 材 料 为 非 晶 @AF $
为什么太阳能电池的 发展受到限制
根据美国国家可再生能 源 实 验室的统计! 全球 !" 产量比 #$$% 年 增 长 了 &&’%( ! 应 当 说 增 长 得 相当快! 但是总量却占全球总能 量 )*+, 的 )’**( " 到 !""# 年 为 止! 我国 !" 产量在总生产能量中 的比例低于世界水平 " 既然太阳 能那么丰富! 而且又非常清洁! 为什

么到现在! 我国在全球太阳 能产量总能量中所占比例又是如 此之低呢# 是不是像有些人所想 象的那样! 由于太阳能密度较 低! 需要太多的土地面积才能产 生足够多的能量需求呢# 美 国 -./0102. 大 学 的 3.4.567 教授等人曾经对美国的情况进行 过分析" 在美国每人每年平均消 耗 的 能 量 为 8$$$9,: ;)9,: 就 是 一度电!" 发电会占用过多土地面积完全
没有必要" 那么是不是价格问题呢 # 总 的来说! !" 的价格不论是全球还 是我国! 都是下降的" 但是! 近 年来不论是中国 $ 美国还是欧洲 都有相当的波动" 因为! !" 发电 尚无法同火电$ 风电等竞争" 预 计到 #$)$ 年! 光伏系统发电成本 才有望下降" 因此! 高价格的确 成了制约 !" 发电大规模应用的主 要因素" 为 什 么 !" 的 价 格 如 此 之 高 呢# 多数学者和业内人士基本上 都 把 它 归 之 于 太 阳 能 @A 材 料 紧 缺 因而成本太贵所致! 在我国还认 为是 !" 尚未完全实现市场化的影 响" 如 何 解 决 !" 价 格 高 的 问 题 呢 # 如 果 不 用 @A ! 而用便宜的材料! 比如塑 料! 价格只有 @A 材料的 )B% 到 )B)$ ! 那么即使是 !" 的 转换率仍然像现在这样的 不高! 但价格却降下来 了 " !" 价 格 贵 更 为 重 要 的原因当是太阳光电转换 效率太低" 如果光转换效 率提高到现在的#倍$ *
@A 薄膜$ G5+. 以及 G6HI@.# 等半导
体材料" 光效率仍然不会有大的 提 高 ! 但 是 价 格 会 降 低 到 ) 美 元B
,E " 不 论 是 第 一 代 ! 还 是 第 二
代光伏技术器件! 由于同样会碰 到半导体材料转换效率受限制的 问题" 因此! 人们寄希望于 纳 米 材 料和量子点材料为基础第三代 !" 上! 理论研究表明% 其光效率远 大于 *$( ! 高达 88(%?C( ! 价格
#$$$9,: " 平 均 每 人 为 %9,: ! &
口 之 家 每 天 消 耗 为 #$9,: " 按 照 现在 !" 的水平! 需要 %$= 的太阳
#
能 板 才 能 产 生 " 也 就 是 需 要%$
)$= 的屋顶面积的太阳能就 能 满
#
足美国 & 口之家全年的能源需要 " 耗 能 为 )$$$>, 的 工 厂 有 ?9= 面
#
图 ) 近 年 来 美 国 " 欧 洲 和 中 国 *( 及 价 格 虽 然 总 的 来 说 仍 然 是 降 低 趋 势 # 但 有 所 波 动 ! 数 据 取 自 "+,-$.#// $ 0#1 $+2%-3 -34 5" 6,, "+,-$ 7+4#,% 8%9-:, *$:;% <34%= 和 我 国 有关统计资料!
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对" 即载流子增值 产生光子损失的一个重要原因是 由于低于能隙能量光子的流失! 阻止这些低能量光子的流失当然 就会提高 ’( 的光转换率! 降低这 种光子传输损耗的方法之一是" 将未被 ’( 吸收因而流失的那些太 阳能谱中的较低能量光子" 通过 反射和向上转换

而成为高能量光 子" 因而为 ’( 所吸收! 学者们又 提出了下转换太阳能电池的概 念" 并进行了理论分析和计算! 现在是把与单结 ’( 绝缘的发光转 换器放置在 ’( 前面" 转换器吸收 了高能量光子后转换辐射出两个
+,-. 效应! 文献中
把 这 样 的 ’( 称 为
-/0 太 阳 能 电 池 !
这种新概念起源于 半导体晶体中" 叫 做级联碰撞的碰撞 离化过程" 一个高 能量的光子" 有可 能激发出多对电
图 ! "# 发 展 的 $ 个 阶 段 示 意 图 ! 目 前 主 要 处 于 第 % 代 和 第 & 代 "# " 其 特 征 是 光 转 换 率 低 而 价 格 贵 ! 第 $ 代 "# 才 能 达 到很高的光转换率" 价格才能见到于矿物能源相当的程度" 第 $ 代 "# 得依靠概念创新和纳米技术才能逐步实现!
子$空 穴 对 1 不 过 这 样的机率相当低! 美国可再生能
将 可 降 到 !"# 美 元 $%& ! 显 然 " 在 现在的第一代# 第二代与第三代 之间" 存在着巨大的间隙! 如何 在这种巨大的间隙之间架设起桥 梁" 正是一些先进的科研人员当 前注视和努力研究的课题" 而且 已经取得了成就 ! 这主要是通过 概念# 方法和材料创新 " 提出了 诸如多结 ’( 器件# 光谱移动# 多 电子产生# 多能级太阳能电池以 及热载流子太阳能电池等完全崭 新的概念和模式" 并有了进展! 量子点多激发太阳能电池 前面所讨论的目前最 通 用 的 单 结 )* 太 阳 能 电 池 " 一 个 光 子 最 多 只 能 产 生 一 对 电 子$空 穴 对 ! 突破这种旧模式的崭新概念就是 一 个 光 子 产 生 多 对 电 子$空 穴
源 国 家 实 验 室 的 23443 等 人 " 在
#!!5 年 底 计 算 了 ’6)7 等 各
种 -/0 太 阳 能 电 池 的 最 大 转换效率" 最大可达 89: ! 此前" 他们甚至在理论上 预言" 转换率可超过 ;5: ! 真 实 的 -/0 太 阳 能 电 池 转 换率到底能达到多大" 还 得等待有关制备技术解决 了" 实际 的 -/0’( 制 作 出 来之后才能知晓! 看来这 还有一段路要走! 多光谱纳米晶太阳能 电池 多 光 谱 ’( 是 指 通 常 宽 能量范围太阳能光谱中那 些低于 ’( 能隙的光 子 " 通 过一定方法和装置也能够转变为 或更多个低能量光子" 它们在 ’( 中产生多对电子$空穴对" 就 是 说" 一个高能量入射光子产生的 电子$空穴对多于一对 " 从而 提 高了转换效率! 对于散射太阳 光" 这种太阳能电池的转换效率 前面 我 们 看 到" 在普 通太阳能 电池中" 最大达到 <=>;: ! 这两种方法中的 ’( 和转换器 是分开的" 这样就可以尽量使各 自的材料最佳化! 一些学者认 为" 采用量子点作为发光转换
图( 上 转 换 器 太 阳 能 系 统 #左 边 $ 和 下 转 发 器 #右 边 $ 示意图% 图左显示太阳能和转换器之间用绝缘体隔开" 绝缘" 因

能量低于太阳能电池的能隙未被吸收" 而流失的亚能带光 子" 经安装在转换 器后面的反射体向上" 反射部分 由 转 换 器 转 变 成 为 高 能 量 光 子 " 随 之 便 可 以 为 "# 所 吸 收 " 成 为 有 用 的 光 子! 图右的原理相类似!
’( 所吸收
的有用光 子的一种 太阳能电 池!
图’ 量 子 点 中 产 生 多 激 发 的 能 级 示 意 图 ! 这 里 表 示 的 是 一 个 光 子 产 生 $ 个激发的 情况!
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一方面将电子输送 到染料分子使其氧 化态得到还原! 而 空穴则传输到对电 极! 在其表面上与 外电路来的电子复 合! 从而完成一个 光电化学循环过 程" 这就清楚地表 明 ! 4%%5 电 池 实
图 * 染 料 敏 化 +, 原 理 示 意 图 ! 图 中 表 示 了 各 种 不 同 状 态 的 电 子 能 级 ! 光 照 下 的 电 池 电 压 为 光 照 时 -./0 的 准 1234. 能级与电极的电化学势之差 !, " 而电 极 的 电 化 学 势 等 于 在 电 极之间传递电荷的氧化还原反应对 #23%’5 势 6 7 6" ! 8 表示 敏 化剂" 8" 表示电激发的敏化剂" 89 则是氧化后的敏化剂!
成 本 仅 为 硅 太 阳 能 电 池 的 (>:"(>
(9 ! 寿 命 能 达 (:"39 年 ! 那 么 其
使用性是很明显的" 实际上! 不追求转换 效 率 大 大 超 过 %1 太 阳 能 电 池 ! 而 只 是 在 于采用塑料等以大大降低太阳能 电池价格为目的! 除了上述纳米 晶 4%%5 电池外! 还有相当一部分 人在研究有机和无机薄膜纳米晶 太阳能电池" 目前两者的最高转 换率在 399: 年都达到或超过 :8 "
际上就是一种光电 化学太阳能电池" 当 初 *+!,-./ 电 池 的 转 换 效 率 为 67(8 "
前景灿烂
目前以单结 %1 材料 为 主 的 !" 发展很快! 但所占总能源的份额 还很低! 远远满足不了人们对于 可再生清洁能源的需求" 主要原 因 在 于 光 转 换 率 太 低 和 !" 价 贵 " 创造出崭新的概念 ! 设计出全新 的 !" ! 在 纳 米 技 术 的 基 础 上 ! 从使用价格低廉的有机材料! 以 及主要追求很高光转换率! 然 后 ! 达 到 大 大 降 低 !" 价 格 两 个 方面! 都在发展! 并且在实际制 造上也取得了初步成就" 但是! 要 想 纳 米 !" 有 突 出 的 进 展 ! 还 有很多的工作要做 ! 还有很长的 路要走" !
器! 将会很有希望的" 但是至今 还没有实际制作出来! 看来还需 要一些时候才能真正制造出这样 的 !" 来"
后来到 ())6 年! 转换效率提高到 了 (98"((8 " 如 上 可 知 ! 电 解 质 在 *+!,-./ 电池中起着使染料再生和传输空 穴的双重作用! 对包括电池的光 电压在内的性能也有很大的影 响" 加之! 最初所用的液体电解 质容易出现溶剂泄漏 $ 挥发! 使 电池稳定性不好等缺陷 ! 并且影

响到设计和制备较难掌握! 于是 人们在转向于研究提高 4%%5 电池 转换效率的同时 ! 也着力于凝胶 态和固态电解质的研究 " 而使用 后者的称之为固态纳米晶染料敏 化太阳能电池" 固 态 纳 米 晶 4%%5 的 转 换效率普遍都比液 体 电 解 质 的 4%%5 为 低 " 399: 年 我 国 物 理 所 采 用 ;1<= 甲 醇 或 三 羟 基 丙 腈 >%123 固 态电解质! 将纳米 纳 米 晶 4%%5 的 转 转 换 率 分 别 提 高 到
!) 染 料 敏 化 纳 米 晶 太 阳 能 电
池 为什么叫染料敏化太阳 能 电 池 # $%%&’ # 因 为 ())( 年 瑞 士 的
*+!,-./ 在发明这种 !" 的时候! 使
用了染料敏化来模仿自然界植物 通过光合作用吸收太阳能的原 理! 因而得名" 现在! 也常常将 这种 !" 称为 *+!,-./ 电池" 电池中 染料的作用类似那些使植物变 绿! 负责吸收光能释放电子的叶 绿 素 " 最 初 的 *+!,-./ 电 池 是 由 透 明 导 电 玻 璃 $ 多 孔 纳 米 晶 0123 薄 膜$ 染料敏化剂$ 电解质溶液和 透明对电极组成" 其工作原理 是! 染料分子中的电子吸收太阳 光能后由基态跃迁到激发态! 但 激发态不稳定! 电子快速注入到 紧邻的能级能量较低的 0123导带! 染 料 变 为 氧 化 态 ! 进 入 0123 导 带 中的电子传输到导电玻璃片! 从 外电路通过负载传输到对电极" 同时电解质中的氧化还原作用!
7@8 和 :7?8 " 如 果
再提高一些转换效 率! 考虑到其制造
图 !" 由 #$%&’(’ 公 司 用 有 机 材 料 生 产 的 太 阳 能 电 池 更 薄更具柔性!
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纳米太阳能电池——太阳能的希望
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 张邦维
科学（北京） SCIENCE 2007，""(1) 0次
本文链接：/Periodical_kx-bj200701014.aspx 授权使用：上海交通大学(shjtdxip)，授权号：a36d0254-8df2-4819-bc55-9e4900d1e2f6 下载时间：2010年12月11日

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