淺析太陽電池材料研究進(jìn)展

/HYPERLINK"/"太陽電池材料研究進(jìn)展太陽電池材料研究進(jìn)展摘要：近年來，太陽能電池的研究得到突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，顯然，這是新材料和新器件結(jié)構(gòu)的涌出以及器件機(jī)理研究深入的共同結(jié)果。本文討論了有關(guān)利用Ⅲ一V族化合物材料制備多結(jié)太陽電池和基于有機(jī)薄膜的太陽能電池材料與器件的研究進(jìn)展。介紹了多結(jié)太陽能的差不多工作原理，疊層材料的帶隙選擇和晶格匹配以及解決晶格匹配問題的一些方法。另外，關(guān)于有機(jī)薄膜太陽能電池材料，介紹了其差不多工作原理，性能優(yōu)越性以及研究者對以后進(jìn)展前景的展望。關(guān)鍵詞：Ⅲ一V族化合物；多結(jié)太陽電池；晶格失配；有機(jī)薄膜；光伏Abstract:Inrecentyears,solarcellsdeveloprapidly.Obviously,itisresultfromthedepthresearchofthenewmaterialsandnewdevicestructureandemissionmechanismofthedevice.ThisarticlediscussedtheuseofⅢ—Vcompoundmulti-junctionsolarcellmaterialsandpreparationofthinfilmsolarcellsbasedonorganicmaterialsanddeviceresearchprogress.Multi-junctionsolarintroducedthebasicworkingprincipleofthebandgapoflaminatedmaterialselectionandthelatticematchingandlatticematchingtosolvesomeoftheways.Inaddition,organicthin-filmsolarcellmaterials,describesitsbasicworkingprinciples,performanceadvantagesandresearchersontheoutlookforfuturedevelopment.Keyword:Ⅲ-Vcompound，Multi-junctionsolarcells，Latticemismatch，Organicthinfilm，PV引言：太陽能電池是將光能(太陽光能)轉(zhuǎn)換為電能的器件,是一種光伏器件,于1954年在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)覺。開始的研究要緊集中于以單晶硅為活性材料的無機(jī)太陽能電池,當(dāng)時貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的器件效率為4%。無機(jī)太陽能電池通常是基于p-n結(jié)結(jié)構(gòu)：p區(qū)存在過?？昭?n區(qū)存在過剩電子,在p-n結(jié)附近,由于p型和n型的突變而形成內(nèi)建電場。材料汲取光后產(chǎn)生的電子空穴對,通過擴(kuò)散,達(dá)到p-n結(jié)界面,在內(nèi)建電場作用下分開,并分不向2個電極移動,形成光伏。Ⅲ一V族化合物多結(jié)太陽電池，一直差不多上太陽電池進(jìn)展的熱點(diǎn)方向。一方面，Ⅲ一V族化合物多結(jié)太陽電池的實(shí)驗(yàn)室效率在大氣質(zhì)量差不多突破40%(AMl.5)[1,2]的紀(jì)錄，并仍在不斷刷新；另一方面，以GaAs基電池為代表的一批Ⅲ一V族化合物太陽電池，差不多廣泛應(yīng)用于宇航系統(tǒng)的能源供應(yīng)，打開了Ⅲ一V族化合物多結(jié)太陽電池的應(yīng)用空間。而有機(jī)物是最為廉價(jià)和最具吸引力的太陽能電池材料：一方面由于有機(jī)材料合成成本低、功能易于調(diào)制、柔韌性及成膜性都較好；另一方面由于有機(jī)太陽能電池加工過程相對簡單,可低溫操作,器件制作成本也較低.除此之外,有機(jī)太陽能電池的潛在優(yōu)勢還包括：可實(shí)現(xiàn)大面積制造、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜等。因而有望在手表、便攜式計(jì)算器、半透光式充電器、玩具、柔性可卷曲系統(tǒng)等體系中發(fā)揮供電作用。Ⅲ一V族材料制備多結(jié)太陽電池1.多結(jié)電池結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料只能汲取能量大于其帶隙的入射光子，同時每汲取一個光子最多只能放出一對電子一空穴對。也確實(shí)是講，關(guān)于能量小于其帶隙的入射光子，半導(dǎo)體材料是“透明”的；關(guān)于能量遠(yuǎn)大于其帶隙的一個入射光子，半導(dǎo)體材料將其汲取后，也只能放出一對電子—空穴對。多余的能量會以聲子輻射的方式轉(zhuǎn)換為晶格振動的熱能，造成能量損失。太陽輻射光譜在0.15～4cm的波長范圍內(nèi)均有著較強(qiáng)的分布，要想在如此寬的波長范圍內(nèi)盡可能多地汲取太陽輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能而不是晶格振動的熱能，僅僅采納單一禁帶寬度的單結(jié)電池是難以實(shí)現(xiàn)的。M．Wolfc[3]先后提出了多結(jié)太陽電池的概念。將禁帶寬度不同、能夠汲取不同波長區(qū)間太陽輻射能量的單結(jié)太陽電池堆疊起來，形成疊層結(jié)構(gòu)。如此構(gòu)成的多結(jié)太陽電池，不僅能夠擴(kuò)大電池對太陽輻射光譜波長的利用范圍，而且還提高了單位波長區(qū)間內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換效率，是太陽電池設(shè)計(jì)理念的一次飛躍。2.疊層材料的帶隙選擇和晶格匹配問題在AM(大氣質(zhì)量)1.5的標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，應(yīng)用細(xì)節(jié)平衡理論[4]，一個三結(jié)太陽電池理論上能夠達(dá)到的最高效率為49.7％，而一個四結(jié)太陽電池理論上能夠達(dá)到的最高效率為53.6％[5]。要想實(shí)現(xiàn)如此的最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率，所選材料的帶隙組合就應(yīng)該最大程度地與太陽輻射光譜相匹配。經(jīng)計(jì)算，對一個三結(jié)太陽電池，如此的最優(yōu)帶隙組合應(yīng)該是0.71，1.16和1.83eV；對一個四結(jié)太陽電池，最優(yōu)帶隙組合應(yīng)該是0.71，1.13，1.55和2.13eV。目前，以MOCVD為代表的外延生長技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)晶格匹配材料的疊層外延生長，而假如采納晶格完全匹配的材料構(gòu)造多結(jié)太陽電池，又專門難找到一組材料能夠完全滿足上述最優(yōu)帶隙組合。最佳的帶隙組分能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽輻射譜的最大利用，而材料的晶格匹配便于外延生長的實(shí)現(xiàn)，這對矛盾限制了Ⅲ一V族化合物多結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。3.解決方法針對這一問題，目前出現(xiàn)了一些新的解決方法：一種是采納漸變緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)晶格失配較大材料的外延生長；另一種是查找?guī)对?.0eV附近，以InGaAsN為代表的四元材料盡量滿足帶隙要求和晶格匹配；還有一種是采納低溫鍵合技術(shù)，將晶格失配的材料直接鍵合在一起。這些解決方法有的差不多制造了太陽電池轉(zhuǎn)換效率的新記錄，有的盡管目前轉(zhuǎn)換效率還不高，然而提供了一些具備潛力的新思路。上述三種方法中，目前能夠?qū)崿F(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率的是采納漸變緩沖層的方法。通過采納漸變緩沖層，失配和位錯都能夠限制在漸變緩沖層的區(qū)域內(nèi)，從而大大減小了其對漸變緩沖層以上電池結(jié)構(gòu)的阻礙。漸變緩沖層技術(shù)已成為目前晶格失配太陽電池的主流技術(shù)?；谟袡C(jī)薄膜的太陽能電池材料1.進(jìn)展概況有機(jī)太陽能電池的研究始于1959年,其結(jié)構(gòu)為單晶蒽夾在2個電極之間[6],器件的開路電壓為200mV,由于激子的解離效率太低使得轉(zhuǎn)換效率極低。這方面研究的重大突破是1986年報(bào)道的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件[7]。器件以酞菁衍生物作為p型半導(dǎo)體,以四羧基苝的衍生物作為n型半導(dǎo)體,形成雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),功率轉(zhuǎn)換效率約為1%。該研究首次將電子給體(p型)/電子受體(n型)有機(jī)雙層異質(zhì)結(jié)的概念引入,并解釋了光伏效率高的緣故是由于光致激子在雙層異質(zhì)結(jié)界面的光誘導(dǎo)解離效率較高。1992年,研究發(fā)覺用共軛聚合物作為電子給體（D）和C60作為電子受體（A）[8-12]的體系,這一發(fā)覺,使聚合物太陽能電池的研究成為新的熱點(diǎn)。繼而進(jìn)展的以聚合物MEH-PPV做給體，C60衍生物PCBM作為受體的共混材料制備的本體異質(zhì)結(jié)器件,由于無處不在的納米尺度的界面大大增加了異質(zhì)結(jié)面積,激子解離效率提高,使轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高,達(dá)到2.9%[13]。在過去的30年里,人類投入巨大的精力來研究有機(jī)太陽能電池,雙層異質(zhì)結(jié)器件、本體異質(zhì)結(jié)器件、混合蒸鍍的小分子器件以及有機(jī)/無機(jī)雜化器件的研究都有了長足的進(jìn)展。2.器件結(jié)構(gòu)及其工作原理有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，由單層Schottky器件開始，相繼進(jìn)展了雙層異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)、分子D-A結(jié)，以及基于以上單元結(jié)構(gòu)的級聯(lián)器件等。除了要求活性材料有較高的太陽光譜汲取能力，有機(jī)光伏器件中激子解離是提高器件效率的最重要因素。與無機(jī)光伏器件汲取光后產(chǎn)生自由電子空穴對不同，有機(jī)材料在汲取光后，產(chǎn)生流淌的激發(fā)態(tài)(即束縛電子空穴對)。由于激子中電子空穴對之間庫侖作用較大，同時有機(jī)物介電常數(shù)較小，使激子解離需要的能量高于熱能kT[14,15],因此，有機(jī)材料激子解離困難，不易形成自由載流子。不同的器件結(jié)構(gòu)中，激子解離的機(jī)制有所不同。3.展望盡管有機(jī)太陽能電池的功能轉(zhuǎn)換效率差不多達(dá)到了5%—6%，應(yīng)用前景差不多初見曙光。然而，與成熟的無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池不管從性能、機(jī)理依舊穩(wěn)定性等許多方面都尚處于初級時期。因此，進(jìn)一步地借鑒無機(jī)太陽能電池的成熟技術(shù)及研究思路將會對有機(jī)太陽能電池的研究起推動作用;機(jī)理的深入研究,可指導(dǎo)功能材料的合成、進(jìn)展出新型的器件結(jié)構(gòu);結(jié)合有機(jī)材料、無機(jī)材料、納米材料的不同優(yōu)點(diǎn),有機(jī)/無機(jī)雜化器件以及引入納米材料的研究將會接著維持該領(lǐng)域的熱點(diǎn);利用分子D-A結(jié)材料制作性能優(yōu)良的單層有機(jī)太陽能電池,對該類材料以及器件的制備工藝都將是一大挑戰(zhàn);隨著器件性能日益提高,穩(wěn)定性研究也將提到日程上來。結(jié)語：不管是Ⅲ一V族化合物多結(jié)太陽電池依舊有機(jī)太陽能電池,在其幾十年的進(jìn)展歷程中差不多取得了長足的進(jìn)步，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率不斷得到提高。隨著人們進(jìn)一步的探究,太陽能電池將挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和更寬敞的應(yīng)用空間。參考文獻(xiàn)：[1].KINGRR.LAWDC.EDMONDSONKM40%efficientmetamorphicGaInP/GaInAs/Gemultijunctionsolarcells2007(18)[2].GUTERW.SCHONEJ.PHILIPPSSPCurrent-matchedtriple-iunctionsolarcellreaching41.1%conversionefficiencyunderconcentratedsunlight2009(22)[3].WOLFMLimitationsandpossibilitiesforimprovementofphoto-voltaicsolarenergyconverters:PartI:Considerationsforearth'ssurfaceoperation1960(7)[4].SHOCKLEYW.QUEISSERHJDetailedbalancelimitofefficiencyofp-njunctionsolarcells1966(3)5.[5].MARTIA.ARAUJOGLLimitingefficienciesforphoto-voltaicenergyconversioninmultigapsystems1996(2)[6].PTAKAJ.FRIEDMANDJ.KURTZSLow-accep-tor-concentrationGaInNAsgrownbymolecular-beamepitaxyforhigh-currentp-i-nsolarcellapplications2005(9)[7].KURTZSR.KLEMJF.ALLERMANAAMinoritycarrierdiffusionanddefectsinInGaAsNgrownbymolecularbeamepitaxy2002(8)[8].GEISZJF.KURTZS.WANLASSMWHigh-efficiencyGaInP/GaAs/InGaAstriple-junctionsolarcellsgrowninvertedwithametamorphicbottomjunction2007(2)[9].KONDOWM.KITATANIT.NAKATSUKASGaInNAs:anovelmaterialforlong-wavelengthsemiconduc-torlaser1997(3)[10].KURTZSR.MYERSD.OLSONJMProjectedperfor-manceofthree-andfour-junctiondevicesusingGaAsandGaInP1997[11].KURTZSR.ALLERMANAA.JONESEDInGaAsNsolarcellswith1.OeVbandgap,latticematchedtoGaAs1999(5)[12].KURTZSR.SEAGERCH.SIEGRMMinoritycarrierdiffusion,defects,andlocalizationinInGaAsN,with2%nitrogen2000(3)[13].YAMAGUCHIM.NISHIMURAK.SASAKITNovelmaterialsforhigh-efficiencyⅢ-Vmulti-junctionsolarcells2008(2)。[14].BarthS,B?ssl