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1、新一代太阳电池的发展思路 - 浅谈第三代太阳电池技术,沈 辉 中山大学太阳能系统研究所 顺德中山大学太阳能研究院,主要内容,概述 太阳电池基本原理 关于光电转换效率 薄膜太阳电池简介 化合物多能带叠层太阳电池 全硅叠层太阳电池 热载流子太阳电池 多电子-空穴对太阳电池 光谱转换技术 结束语,概述,三代太阳电池的概念和论述来自国际著名的太阳电池的研究专家Martin A. Green教授。上世纪七十年代初，Martin A. Green及其研究团队在澳洲新南威尔士大学开始了晶体硅太阳电池的研究，此后一直到今天，新南威尔士大学研究团队一直保持着单晶硅太阳电池最高转换效率的世界纪录（25%）。 Ma
2、rtin A. Green在研究中发现了晶体硅（第一代）电池的问题：虽然转换效率可以达到很高，甚至接近单结电池极限，但是需要高质量低缺陷的昂贵晶体材料和复杂耗时的工艺。鉴于此，新南威尔士团队在八十年代后期开始对薄膜太阳电池（第二代）进行研究，九十年代，他们开发出在玻璃上沉积硅工艺，并由Pacific Solar公司所验证。,概述,与第一代太阳电池相比，第二代电池的好处是采用薄膜技术，降低了高纯半导体材料消耗、减少材料制备过程的有毒物质和降低了制造成本，存在问题是转换效率和性能稳定性的降低。 第三代光伏技术旨在利用类似第二代的薄膜技术制备高效太阳电池，目标是实现生产成本低于0.5美元每瓦，甚至低
3、于0.2美元每瓦，同时在生产过程中尽量使用无毒物质。 目前他们主要在全硅叠层电池和热载流子电池方面进行研究。,概述,第三代光伏技术的核心理念是高效、长寿与低价。 第三代光伏技术包括： - 叠层太阳电池； - 热载流子电池； - 多电子空穴对电池； - 杂质能级以及多能带太阳电池； - 热光伏电池和； - 运用新材料等制备的电池，如染料敏化电池、有机太阳电池及 新概念太阳电池等。 其中大部分的电池还处于实验室试验阶段甚至理论阶段，如多能带太阳电池。但是具有冲击低价、高效这一目标的潜力。,概述,在晶体硅电池迅猛发展的今天，也有学者对Martin A. Green三代电池的说法提出了异议，讨论的核心
4、在于薄膜电池能否取代第一代电池。 按照Martin A. Green当初的设想，薄膜太阳电池将在2020年后成为市场的主流，2020后第三代太阳电池将迅速发展。 有学者也称第三代光伏技术为新一代光伏技术，或者未来一代光伏技术。无论命名如何，学术界一直以来对这一领域都保持了巨大的热情和兴趣，特别是凭借迅猛发展的纳米技术和材料技术，人们有机会挑战Shockley-Queisser 极限效率。,概述,晶体管之父 William Bradford Shockley 或许没有想到，他关于半导体的工作不仅引发了一次产业革命，在数十年后又为另外一个庞大行业提供了研究的基础。1961年，他与 Queisser
5、 通过理论计算发现，光电转换效率的极限与材料的带隙有关，具有最高理论转换效率的材料是GaAs，其极限效率接近32%，而Si的极限效率要低一些 (28%)。 虽然Shockley预言了半导体太阳电池的极限效率，但是他的结果仅适用了单个p-n结的器件，随着技术进步，采用新材料、具有复杂结构的新型光伏器件已经出现。对于多个p-n结结构的多结叠层电池和采用纳米技术制备的新材料和新结构的电池而言，它们不受 Shockley 极限的限制，以至可获得超过40%甚至50%的效率。,William Bradford Shockley (February 13, 1910 August 12, 1989),W.
6、Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys., 32 (1961) 510,太阳电池基本原理,光电效应(photoelectric effect) 现象最早在1887年由Heinrich Hertz在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射电子。光电效应是指金属表面在光的照射下能发射电子，即光电子。但金属的功函数大部分在35 eV之间，因此只有能量是紫外线以上的光子才能被吸收来产生光电流(photocurrent)，而太阳光中紫外线以上的辐射只占很小的一部分（ 67%)。 爱因斯坦从普朗克的能量子假设出发，提出光子(photon)的概念。光子
7、的能量= h（普朗克常数h=6.626x10-34Js，光子频率）。当光照射在金属表面上，金属表面的一个自由电子从入射光中吸收一个光子后，就会得到能量h，如果h大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功A，这个电子就可从金属表面逸出，逸出的电子可被称为光电子。,爱因斯坦提出光电效应方程: h=1/2(mvm2)+ A,太阳电池基本原理,光伏效应(photovoltaic effect)是指半导体表面在光的照射下，光子的能量被吸收，让电子从价带跃迁到导带。 一般的半导体的能隙宽度为1-2 eV，其可吸收可见光到红外线。另外，在半导体中可以传导的除了带负电的电子外，还有带正电的空穴，这种双极性的导电机制
8、是金属所不具有的。 光电化学效应(photoelectrochemical effect)也可通过光照产生电压，一般会涉及到电介质和化学反应。染料敏化太阳电池(dye sensitized solar cell：DSC）就是以此效应为基础的。,太阳电池基本原理,太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件： 1. 入射光子能够被吸收产生电子空穴对 2. 电子空穴对在复合前被分离 3. 分开的电子与空穴能够传输到负载,太阳电池基本原理,目前占太阳电池的主流地位的是晶体 Si 太阳电池。实现太阳光到电流转换的核心结构是晶体Si的p-n结。在光照下条件下，由于内建（built-in）电场的作用，在p-n
9、结附近产生的电子-空穴对被分离，电子向n-Si区漂移，空穴向p-Si区漂移，从而产生从n-Si区到p-Si区的漂移电流，即所谓的光电流。对于具有n/p结构的晶体硅太阳电池而言，产生的光电流方向是从n-Si区到p-Si区，这正好与一般p-n结二极管的正向电流相反。 在太阳电池中p-n结的空间电荷区的内建电场的作用就是使入射光子产生的电子-空穴对在复合（recombination）之前被分离，并形成光电流通过金属电极（metal contact）给负载供电。 在光照条件下，如果将太阳电池正负级直接连接，即短路，即可都到短路电流（short-circuit current）即光电流；如将太阳电池两端
10、不连接任何负载，即开路，即可测得开路电压（open-circuit voltage）。开路电压也被称为光电压（photovoltage），这也是光伏（photovoltaics）一词的由来。,太阳电池基本原理,太阳电池的核心结构是p-n结，而p-n结中的空间电荷区由施主正离子和受主负离子形成的内建电场是实现电子空穴分离的最重要的物理条件。 综上所述，在太阳光照射下，以光伏效应为基础的太阳电池的光电流主要来自以下三个部分： 1. 空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流； 2. n-Si 区的少数载流子空穴所形成的扩散电流； 3. p-Si 区的少数载流子电子所形成的扩散电流。,太阳
11、电池基本原理,相对与二极管，太阳电池在光照情况下产生的光电流 IL 为负值，即 I = Is ( e V/VT 1 ) IL 如无光照 IL 0，太阳电池就是一个普通的二极管 当太阳电池短路，即 V = 0 ，则 I IL = Isc ，即光电流就等于短路电流。 当太阳电池开路，即 I 0，则开路电压为： VOC = VT ln ( IL / Is 1 ) 相对于二极管的电流电压关系曲线，太阳电池的电流电压关系曲线向下移动 IL 距离，即从第一象限移动到第四象限。但为了简单起见和方便分析，一般将这电流电压曲线以 y 轴（电压）为对称轴旋转180度放到第一象限。,太阳电池电流-电压特性曲线,太阳
12、电池基本原理,太阳电池的输出功率就是电流和电压的乘积： P = IV = IsV(eV/VT1 )ILV 对于确定的太阳辐射，在太阳电池的电流电压特性曲线上存在一个最大功率点。为了求出最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作电流值，可对上式进行数学处理，即通过 dP/dV=0 即可得出最大工作电压： Vmax = VT In(（IL1/（Imax/VT1）)，由此导出最大工作电流： Imax Is Vmax eVmax/VT/VT 而太阳电池的最大功率即 Pmax Vmax I max,关于光电转换效率,卡诺循环 - 太阳电池的热力学效率极限 太阳辐射可以近似为温度为6000 K（太阳光球的温
13、度）的黑体辐射（黑体即为完美的吸收体和发射体）。 Planck采用公式描述了黑体辐射的能量分布。在Shockley和Queisser的研究中，认为太阳电池也是黑体模型，温度采用地表温度300 K。 则温度为6000 K（Tsource）和300 K（Tsink）的两个热库之间的能量转换效率受卡诺循环限制（1- Tsource/ Tsink）为95%。,关于光电转换效率,这个数值没有考虑电池的光子发射损失，因为模型假设这些损失能量又回到了太阳，使太阳保持自身的温度。修正模型考虑了光子发射损失，并假设过程是可逆的，满足卡诺循环的条件，由此得到的转换效率是93.3%，这个数值是实际太阳电池的效率极限
14、。 UNSW研究中心对转换效率为93.3%的器件的结构设计以及发展前途作了全面研究。指出达到这一极限效率的电池器件是有可能实现的，其结构为在无限层Tandem太阳电池中采用一系列光循环装置达到通道带阻辐射。否则，太阳光转换为有用功（包括电能）的热力学极限效率计算结果为86.8%，与无限层Tandem电池的理论效率相同。 另一个研究结果是，理论上Tandem电池不是获得86.8%转换效率的唯一途径。其它一些模型，例如热载流子和能量级联电池的极限效率也是这一数值。,关于光电转换效率,标准太阳电池的效率损失 标准单结太阳电池能量损失来自如图1所示的几种过程,图1 标准太阳电池能量损失过程。(1) 晶
15、格热振动损失；(2)、(3) p-n结和接触电压损失；(4) 复合损失。,图2. 标准太阳电池的结构,关于光电转换效率,主要损失是过程（1）：光激发电子-空穴对迅速失去多于禁带宽度的多余能量。能量较低的红光光子与能量较高的蓝光光子在激发电子-空穴对产生输出时是等效的。仅这一项损失就使标准电池的转换效率局限至44%左右。 另一个重要损失是过程（4）：光激发电子-空穴对的复合。采用光生载流子寿命长的材料，亦即材料缺陷更少以消除载流子复合通道，可以将复合损失降至最低。此时，载流子寿命取决于电池内部的辐射复合，即光激发过程的逆过程。 光吸收和发射过程的对称性可用于太阳电池性能的理论极限的推导。推导引用
16、了“黑体辐射”理论，这一理论为量子力学的诞生奠定了基础。在一个太阳下，假设带隙宽度1.3 eV，理想标准电池的转换效率极限计算结果为31.0%。 W.Shockley, H.J.Queisser, J.Appl.Phys. 32 (1961) 510,关于光电转换效率,另外一个损失是由于接触和p-n结处的电压降，电池输出电压低于带隙宽度可产生的电势，如图1所示。采用聚光方法提高光强密度，可以减小此类压降。 在极限聚光倍数下（46200倍，此数值是根据卡诺循环得到的计算结果），理想太阳电池的转换效率极限可以达到40.8%。 需要注意的是在这种方式下，只有直射光才可以被聚焦。最大聚光倍数下的效率极限可以作为有关聚光和非聚光电池研究的参考数据，还可以作为经典热力学结果的参考。,薄膜太阳电池简介,非晶硅-微晶硅薄膜（a-Si/c-Si ） 7-10%, 1.00, Kaneka, Ersol, United Solar, Sharp 新奥， 百世德，正泰，强生，普乐 碲化镉薄膜CdTe 9-11%
