第三代太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率提高方法

■ 阮瑜 張汝民 李政伊 程思沖 劉迪軍 蘇國(guó)彬

(1.無(wú)線移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院；3.大唐電信集團(tuán)聯(lián)芯科技有限公司)

0 引言

根據(jù)太陽(yáng)電池的材料，可將太陽(yáng)電池的發(fā)展分為3個(gè)階段。以晶體硅為襯底的第一代太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率較高，然而其繁瑣的制備工藝導(dǎo)致其成本居高不下。第二代太陽(yáng)電池是基于薄膜材料的太陽(yáng)電池。薄膜技術(shù)所需材料較晶體硅太陽(yáng)電池少得多，且易于實(shí)現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn)，但其效率較低，目前單結(jié)非晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率為16.6%[1]。第三代太陽(yáng)電池的目標(biāo)是在第二代薄膜沉積技術(shù)的基礎(chǔ)上降低成本，新南威爾士大學(xué)的Green M A總結(jié)了第三代太陽(yáng)電池應(yīng)具備的特征[2]：薄膜化、轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富且無(wú)毒。

本研究綜合一些提高太陽(yáng)電池的方法，如果在第三代太陽(yáng)電池中引入這些新方法，其性能還會(huì)有很大的提高潛力，這樣便有可能研制出高效低成本的光伏器件，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

1 太陽(yáng)電池效率的提高

根據(jù)太陽(yáng)電池內(nèi)部的能量損失機(jī)理，通常有以下幾種提高效率的方法可應(yīng)用到第三代太陽(yáng)電池中：增加能級(jí)數(shù)量(如疊層太陽(yáng)電池)、增加激發(fā)產(chǎn)生的載流子的數(shù)量、載流子熱能化之前俘獲載流子、熱能方法。

1.1 多能級(jí)法

1.1.1 疊層太陽(yáng)電池

疊層太陽(yáng)電池是由Jackson于1955年提出[3]，電池由不同禁帶寬度材料的p-n結(jié)堆疊而成，具有最大禁帶寬度的p-n結(jié)置于電池最頂端，禁帶寬度較低結(jié)依次堆疊在底部。這樣較高能量的光子由寬能隙的結(jié)吸收，較低能量的光子由窄能隙的結(jié)吸收。光譜便可被各層分裂開來(lái)，每一部分都可充分利用光譜中的能量，減少了高能量光子的熱損失并能更多地利用低能量的光子。

商用的多結(jié)太陽(yáng)電池已經(jīng)開始在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮作用，專家預(yù)言與聚焦器配合一起使用的多結(jié)太陽(yáng)電池將來(lái)會(huì)發(fā)揮其成本和效率上的優(yōu)勢(shì)[4-6]。現(xiàn)在這種多結(jié)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)40%[7]。

圖1 疊層太陽(yáng)電池示意圖

1.1.2 多元化合物疊層電池

高品質(zhì)高效率的疊層太陽(yáng)電池是由單晶的III-V族化合物材料通過(guò)晶體外延技術(shù)制作而成。晶體外延技術(shù)需控制晶格常數(shù)在一定范圍內(nèi)，疊層太陽(yáng)電池材料的禁帶寬度也需控制好。III-V族化合物可比較靈活的長(zhǎng)成這種器件，一般是將其匹配在Ge襯底上。大多數(shù)這種器件是基于AlAs/GaAs體系，因?yàn)槠渚Ц癯?shù)接近Ge的晶格常數(shù)，這樣可有效避免位錯(cuò)。對(duì)于三結(jié)器件，則需三重化合物系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化晶格常數(shù)和禁帶寬度，如GaInP/GaAs/GaInAs[2]。另外，通過(guò)在Ge襯底生長(zhǎng)限制并不很嚴(yán)格的疊層，我們將這種限制并不十分嚴(yán)格的疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)稱為變質(zhì)結(jié)構(gòu)[8]。CIGS理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到25%～30%，CIGS薄膜電池最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20.8%[9]，組件轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了18.7%[10]，是轉(zhuǎn)換效率最高的薄膜太陽(yáng)電池，被認(rèn)為是最有前途的新一代太陽(yáng)電池之一[11]。

1.1.3 硅基薄膜太陽(yáng)電池

硅基薄膜太陽(yáng)電池分為：非晶硅(a-Si)薄膜太陽(yáng)電池、微晶硅(uc-Si)薄膜太陽(yáng)電池、納米硅(a-Si)薄膜太陽(yáng)電池，以及它們相互合成的疊層電池。

非晶硅通常用來(lái)制作單結(jié)太陽(yáng)電池，但由于非晶硅內(nèi)部缺陷濃度較高，其效率只有約4%～5%[12]。非晶硅疊層太陽(yáng)電池的頂層是由非晶硅制作而成，底層為非晶硅和Ge的合金。這種疊層電池通常為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一般利用化學(xué)氣相沉淀或其他真空沉淀技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)。雖然這種雙結(jié)或三結(jié)的疊層電池在實(shí)驗(yàn)室的效率可達(dá)到19.8%[13]，但在大規(guī)模生產(chǎn)中其效率很難達(dá)到10%。

微晶硅能帶為1.1 eV，非晶硅能帶約為1.7 eV，兩者結(jié)合較接近理想的疊層電池結(jié)構(gòu)。1994年，IMT Neuchatel小組首次提出 μc-Si：H/a-Si：H 疊層太陽(yáng)電池[14]，轉(zhuǎn)換效率可得到顯著提高。此結(jié)構(gòu)以非晶硅為頂電池，微晶硅為底電池，且高效率、高穩(wěn)定性。Shah[15]通過(guò)計(jì)算得到這種電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上。目前其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)8.5%～11%[16]。

1.1.4 染料敏化疊層太陽(yáng)電池

首先，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)汽車金融行業(yè)面臨著來(lái)自國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)。互聯(lián)網(wǎng)汽車金融企業(yè)眾多，如彈個(gè)車、上汽金融好車e貸等，為了爭(zhēng)奪市場(chǎng)，這些企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)是很激烈的。除了同行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)，互聯(lián)網(wǎng)汽車金融行業(yè)還要面臨著諸如像銀行這樣的傳統(tǒng)金融機(jī)構(gòu)間的競(jìng)爭(zhēng)。銀行具有資金量大，客戶群體多，風(fēng)險(xiǎn)控制能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，這都是新興的互聯(lián)網(wǎng)金融企業(yè)所不具有的。

近20年來(lái)，染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)是到目前為止基于有機(jī)小分子的效率最高、最有潛力的電池器件，且相對(duì)于普通硅基太陽(yáng)電池，該電池生產(chǎn)成本低且環(huán)保，從而受到越來(lái)越多的關(guān)注[17-19]。Gr?tzel科研組[20]在 1991 年成功制備了以Ru金屬配合物(N3)作為染料分子，高比表面積的納米多孔二氧化鈦膜作為半導(dǎo)體材料的電池體系，實(shí)際測(cè)量光電轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)8%。這一研究成果引起了全世界范圍內(nèi)的重視，就此拉開了針對(duì)染料分子太陽(yáng)電池相關(guān)研究的序幕。從理論上講，該類電池效率可達(dá)到33%～36%[21]，但由于技術(shù)等實(shí)際因素限制，目前達(dá)到的效率與上限相差甚遠(yuǎn)。據(jù)2008年5 月媒體報(bào)道，索尼已經(jīng)開發(fā)出商業(yè)應(yīng)用的染料敏化太陽(yáng)電池，效率達(dá)到10%[22]。根據(jù)日經(jīng)BP社報(bào)道[23]，2013年Gr?tzel的研究小組、牛津大學(xué)和桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組分別獨(dú)立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過(guò)15%的固體型染料敏化太陽(yáng)電池。宮坂表示，此次太陽(yáng)電池采用現(xiàn)在的材料和技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到17%；將來(lái)，還能達(dá)到21%。

1.2 量子限制結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池

為了能利用晶體材料及薄膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又可避開III-V族化合物晶體外延技術(shù)的高成本，可使用晶體硅薄膜。目前用這種材料制得的單結(jié)太陽(yáng)電池效率只有10%。為提高利用這種材料制成的疊層電池的效率且保持第三代太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)，目前研究人員正研究在Si疊層太陽(yáng)電池中引入量子限制的微結(jié)構(gòu)以提高其性能。利用量子限制效應(yīng)調(diào)整材料的等效禁帶寬度，從而實(shí)現(xiàn)疊層太陽(yáng)電池的最大能量轉(zhuǎn)換效率。量子限制效應(yīng)通常是通過(guò)在材料內(nèi)引入量子阱或量子點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)[24]。

1.3 中間能級(jí)太陽(yáng)電池

中間能級(jí)方法是通過(guò)在普通單結(jié)太陽(yáng)電池能隙中引入一個(gè)或多個(gè)中間能級(jí)，這些中間能級(jí)便可在電池正常工作時(shí)吸收光子，吸收過(guò)程分為3種：VB(價(jià)帶)→IB(中間能帶)，IB→CB(導(dǎo)帶)，VB→9CB。這種方法有增加電池效率的潛力[25]。

目前研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了利用量子點(diǎn)來(lái)形成中間能帶[26]。量子點(diǎn)的能級(jí)比勢(shì)壘區(qū)要低，因此量子點(diǎn)形成了分離的能級(jí)，這些分裂的能級(jí)形成小能帶，會(huì)增加電池吸收的光子數(shù)。然而由于量子點(diǎn)非常小，并不能吸收較多光子。為了使用較多量子點(diǎn)來(lái)提高激發(fā)載流子的數(shù)量，通常在電池中生長(zhǎng)較多層的量子點(diǎn)。然而生長(zhǎng)的量子點(diǎn)層數(shù)越多會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成越多的破壞，從而降低太陽(yáng)電池的性能。

綜上所述，通過(guò)在能隙中引入中間能級(jí)雖未實(shí)現(xiàn)其效率上的優(yōu)勢(shì)，但這些器件在不遠(yuǎn)的將來(lái)仍有較大的潛力提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。

1.4 量子增殖

1.4.1 碰撞離化

圖2 中間能級(jí)太陽(yáng)電池

圖3 多載流子激發(fā)

1.4.2 調(diào)制光譜

調(diào)制入射光譜有很大潛力可以提高標(biāo)準(zhǔn)單結(jié)太陽(yáng)電池的效率。有兩種方法可以用來(lái)調(diào)制光譜：下轉(zhuǎn)換和上轉(zhuǎn)換。下轉(zhuǎn)換：吸收一個(gè)高能量的光子來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)低能量的光子；上轉(zhuǎn)換：吸收兩個(gè)或多個(gè)低能量的光子來(lái)產(chǎn)生一個(gè)高能量的光子[28]，如圖4和圖5所示。

通過(guò)調(diào)制光譜來(lái)提高太陽(yáng)電池的效率，必須使得轉(zhuǎn)換層的外量子效率超過(guò)100%。雖然曾有量子轉(zhuǎn)換效率接近200%的相關(guān)報(bào)道[29]，但在太陽(yáng)電池表面貼上其他材料會(huì)改變表面的折射率，由此導(dǎo)致反射損失的增加。綜上所述，雖然這種上轉(zhuǎn)換方法在理論上很有效，但其應(yīng)用前景還很渺茫。

圖4 下轉(zhuǎn)換示意圖

圖5 上轉(zhuǎn)換示意圖

1.5 熱載流子電池

高能量光子高出禁帶寬度的能量以熱能形式損失掉，若能在載流子與晶格作用前收集載流子，便可有效提高電池的轉(zhuǎn)換效率，熱載流子電池正是基于此原理而設(shè)計(jì)的[30]。

熱載流子電池的本質(zhì)是減慢光生載流子冷卻速度，以便有充足時(shí)間在載流子仍具有較高能量時(shí)收集它們。這樣電池便可得到較高電壓，從而解決太陽(yáng)電池中主要的熱能損失。然而實(shí)現(xiàn)熱電子空穴的分離比較困難，為了實(shí)現(xiàn)分離，必須減少電子和空穴的接觸。通過(guò)引入金屬接觸可很輕松地冷卻熱載流子。這樣我們就需一個(gè)能量選擇接觸(ESC)來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子的析出，從而提高太陽(yáng)電池效率，如圖6所示。這些接觸只允許一定能量的載流子從吸收材料中吸收，一旦載流子到達(dá)接觸，就會(huì)被冷卻。通過(guò)熱載流子析出太陽(yáng)電池的理論效率可超過(guò)80%[31-32]。即便如此，熱載流子電池還需很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。

圖6 熱載流子電池示意圖

1.6 其他方法

1.6.1 熱光伏和熱光子器件

晶體內(nèi)部的缺陷或雜質(zhì)會(huì)輔助聲子的放射而使得電子空穴對(duì)復(fù)合，故載流子不可避免地要將能量傳遞給聲子，使器件發(fā)熱。熱光伏效應(yīng)便可利用這部分熱能，將其轉(zhuǎn)換成電能再次被元器件利用[33]。熱光子器件是在熱光伏器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用一個(gè)正偏的發(fā)光二極管代替熱光伏器件中的能量選擇器，在正偏壓作用下，二極管發(fā)出的輻射可被太陽(yáng)電池利用，從而提高其效率[34]。

1.6.2 循環(huán)器

太陽(yáng)電池屬于交互系統(tǒng)，即可接收一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射，同時(shí)也可輻射出相同波長(zhǎng)的輻射。然而對(duì)于非交互系統(tǒng)，有可能再次利用發(fā)射出的波長(zhǎng)以提高系統(tǒng)的效率。原則上，循環(huán)器(如圖7)的作用便是將來(lái)自前一個(gè)電池的輻射光照射到下一個(gè)電池上。如果使用無(wú)限數(shù)量的循環(huán)器和無(wú)限數(shù)量的電池，這種方法可將效率提高到93%。

圖7 循環(huán)器示意圖

2 總結(jié)

結(jié)合多能級(jí)的方法可有效改善光伏器件的效率，從而降低第三代太陽(yáng)電池發(fā)電成本。另外，第三代太陽(yáng)電池還可使用靈活的量子阱或量子點(diǎn)微結(jié)構(gòu)來(lái)提高效率。然而疊層太陽(yáng)電池是目前為止開發(fā)得最好、最有應(yīng)用前景的光伏器件。

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