有机体异质结太阳能电池的数值分析
有机体异质结太阳能电池的数值分析
邢宏伟 彭应全
杨青森 马朝柱 汪润生 李训栓
(兰州大学物理科学与技术学院,兰州 730000)(2008年1月20日收到;2008年4月15日收到修改稿)
介绍了一种有机体异质结太阳能电池的数值模拟方法,模型使用Onsager 提出的成对复合理论,并结合了完善的无机半导体理论而提出来的,其结果与实验结果符合较好,证明了模型的正确性.在此基础上分析了器件的内建电场与工作温度对器件性能的影响,以及影响器件光电流的主要因素.
关键词:有机太阳能电池,体异质结,数值分析
PACC :8630J ,7115Q ,7125
通讯联系人.E 2mail :yqpeng @https://www.360docs.net/doc/604972041.html,
11引言
有机太阳能电池利用有机半导体薄膜作为光电活性介质,由于具有容易加工、价格低廉并能制作大面积柔性器件等优点而备受关注.自从人们发现处于基态非简并态的共轭聚合物与富勒烯之间有光诱导电子转移发生以来,
[1,2]
这些材料已经被考虑应用
于制作大面积的可折叠的太阳能电池.体异质结(BH J )结构太阳能电池与传统双层异质结太阳能电池相比,克服了几何界面的影响,即只有在pn 结附近吸收的光子才对光电流有贡献
[3,4]
,而是将电子受体材料和给体材料混合形成可传输电荷的渗透网格,从而大幅度提高了短路电流值
[5,6]
.太阳能电池
的转换效率接近5%,使其比双层结构有更大的开发前途,因此被认为是光伏器件的主要发展趋势[7]
.
体异质结太阳能电池吸收光子产生光电流的主要机理是给体材料和受体材料接触面处吸收光子产生激子,在接近给体2受体接触面的区域的激子扩散同时以极快的速度分离为成对出现的给体里的空穴和受体里的电子
[8,9]
.但是由于有机材料的介电常量
(εr =2—
4)与无机材料相比较低,使得激子没有像无机半导体中马上分离成电子和空穴,而是牢牢的被库仑力约束在一起.为了产生光电流,激子必须分离成能够自由移动的载流子,并在完全复合成为基态激子之前,移动至电极,被电极俘获,这样才能形
成光电流.
本文以Onsager
[10]
的成对复合理论和较完善的
无机半导体相关理论为基础,研究有机体异质结太
阳能电池的数值模型.该模型包含了载流子的产生、复合、漂移和扩散等重要物理机理.模型的数值计算与实验结果符合较好.
21理论与模型
有机体异质结太阳能电池器件通过金属2有机
半导体2金属的图像来描述,其能级分布及电子与空穴传输如图1所示.半导体材料的导带底和价带顶分别是受体物质最低未占据分子轨道(LUMO )和给体物质的最高占据分子轨道(H OMO ).受体的LUMO 与给体的H OMO 的能量之差为其带隙(E gap ).电子与空穴的复合用Langevin 提出的双分子复合理论来
表述[11]
.由于器件有机层非常薄(100nm 左右),我们假定器件中吸收光子产生激子的产生速率(G max )是相同的.
自由电荷载流子的产生可分为两个阶段,如图2所示:首先,给体内有机层吸收光子产生束缚电子空穴对(激发态激子).激子的结合能大约为012—110eV ,高于相应的无机半导体激发产生的激子的结合能,所以不会像无机半导体激子可以自动离解形成自由移动的电子和空穴,而是需要电场驱动激子才能离解.在给体2受体的界面处电场较大,激子比较容易离解.可以看出,在有机体异质结太阳能电
第57卷第11期2008年11月100023290Π2008Π57(11)Π7374206
物 理 学 报
ACT A PHY SIC A SI NIC A
V ol.57,N o.11,N ovember ,2008
ν2008Chin.Phys.S oc.
图1 有机体异质结太阳能电池能级图(实线为给体能级,虚线为受体能级
)
图2 在给体材料和受体材料界面处的载流子分离示意图
池的能量转化中,激子分离为自由电荷是产生光电流的一个重要的环节,这点已经被Mihailetchi 等人
[12]
证明.在高的反偏压下可得到饱和光电流,显示出激子(G max )几乎全部分离为自由电子和空穴.而在短路和最大功率情况下,只有一部分能衰变成自由载流子并对光电流产生贡献,这就是在这种器件中的主要损耗机理.与之相比,在短路和最大功率情况下电子和空穴的复合因素影响相对较小,特别在高的反偏压情况下,电子和空穴复合的对电流的影响可以忽略不计.
低迁移率材料中的自由电荷的产生率可以用
Onsager 成对复合理论[10]
来解释.并不是所有光电流产生的激子(G max )都能离解成自由载流子,只有其中一部分能离解成对光电流产生贡献的自由载流子,其离解的大小依赖于电场和温度.因此,自由电荷的产生率G 可以表示为
G (T ,E )=G max P (T ,E ),(1)其中P (T ,E )是在给体受体界面处的电荷分离概
率,T 为绝对温度,E 为电场强度.Braun 对Onsager 成对复合理论做了重要的补充,指出约束空穴电子对是具有有限寿命的.如图2所示,产生的激子可能以速度k d 离解成自由载流子,同时以速度k f 衰变成基态,产生的自由载流子在扩散和漂移的过程中
受到复合的影响,可能重新复合成为激发态的激子,其复合速率为R .那么,激发态的激子离解成对光电流有贡献的自由载流子的过程可以看成激子离解速率k d 与自由载流子重新复合成为激子速率R 的竞争过程.
在给体受体界面,处于激发态的激子以k f 的概率衰变成基态,或者以与电场密切相关的k d 的速率分离成自由电荷.这里,衰变率主要受到声子的非辐
射复合的控制[13]
.一旦分离,自由载流子以常数R 的速度复合成为激子.根据Braun 理论,在弱场下,对于给定电场强度和温度,激子分离成自由载流子离解概率为
P (T ,E )=k d (E )
k d (E )+k f ,
(2)激发态激子分离速率k d (E )的表达式为
k d (E )=k d (0)J 1[22(-b )
1Π2
]Π2(-b )1Π2
=k d (0)1+b +
b
2
3
+
b
3
18
+
b
4
180
+…,
(3)这里J 1是1阶的贝塞耳函数,b =e 3
E Π8πε0εr k 2
T 2
,
e 是基本电荷,k d (0)表示电场为零时的离解率,其
表达式为
k d (0)=
3γ4
πa 3e -E b Πk B
T
,(4)
γ是电子空穴复合系数,对于低迁移率半导体,复合系数为
γ=e μ—
Π(ε—r ε0),
(5)
其中ε—r 是相对介电常数的空间平均值,μ—
是电子与
空穴迁移率的空间平均值,a 是激子中电子和空穴之间的距离,E B 是激子的结合能,表示为
E B =
e
2
4πεr ε0a
.(6)
此外,在像共轭聚合物富勒烯这些种材料中,给体受
体分开距离呈无序分布,较好的假设是激子的电子2空穴对分离距离不是一个常数,而是呈高斯态分布[14]
.这时激子离解概率表示为
P (T ,E )=N F
∫
∞
p (x ,T ,E )F (x )d x ,(7)
其中p (x ,T ,E )是在温度为T ,电子和空穴之间距离为x ,电场为E 的情况下激子的离解概率;F (x )=x 2
e
-e 2
Πa
2
是空穴电子的分布函数,N F =4Π
π1Π2a 3
是分布函数的归一化因子.每单位体积内的激子数X
随时间的变化关系为
d X
d t
=G -k f X -k d X +R ,
(8)5
73711期邢宏伟等:有机体异质结太阳能电池的数值分析
其中R表示复合率,假设复合为双分子型,则
R=γ(np-n2int),(9)电子和空穴的连续性方程为
d n d t =
1
e
9J n
9x+k d X-R
=nμn
9E
9x+
μ
n
9n
9x+D n E
92n
9x2
+k diss X-R,(10)
d p d t =-
1
e
9J P
9x+k d X-R
=-pμp
9E
9x-
μ
p
E
9p
9x+D p
92p
9x2
+k diss X-R,
(11)
这里n,p是电子和空穴浓度,J
n
(J p)是电子(空穴)形成的电流密度.n和p与电势V通过P oiss on方程联系起来
92V(x) 9x2=e
ε
r
ε
[n(x)-p(x)].(12)
稳态情况下,方程(10)和(11)变为
9
9x J n(x)=-e(k d X-R),(13)
9
9x J p(x)=e(k d X-R).(14)
电势的边界条件是V(L)-V(0)=E
gap
-V a,其中L
是有机层厚度,V
a 是外加偏压,E
gap
是禁带宽度.如
果顶电极和底电极接触均为欧姆型接触,则在x=0和x=L处的n和p的边界条件分别为
n(0)=p(L)=N c,
n(L)=p(0)=N c exp-E gap
V t
,(15)
N c是导带和价带的有效态密度.
31模拟结果与讨论
311.与实验结果相比较
我们使用了郑立平等人的实验数据为主要研究对象[15],器件结构和能级结构如图3所示.光照情况下的电流密度J是以MEH2PPVΠPC BM为有机层的有机体质结太阳能电池分别在AM115(800W?m-2)模拟太阳光下和无光照情况下的辐射下获得的.图4中的实线是对100nm厚的MEH2PPVΠPC M B (1∶4的质量比)体异质结太阳能电池电流2电压特性和数值模拟的结果,其中空心圆和方块是实验结果[15].在图中,数值模拟的开路电压V0=0185V(外加偏压)与实验结果(01848V)非常接近的.
所有使用到的参数如表1所示
.
图3 聚合物富勒烯太阳能电池器件能级图
图4 常温下MEH2PPVΠPC BM器件的暗电流(方块)和光电流(空心圆)(虚线表示暗电流模拟结果,实线表示光电流模拟结果)
表1 器件模拟使用的参数
禁带宽度E gapΠeV1140
电子迁移率μnΠ(10-7m2ΠVs)215
空穴迁移率μpΠ(10-8m2ΠV s)310
有效态密度N CΠ1025m-3215
空穴电子对产生率GΠ1027m-3316
介电常数εr3134
电子空穴对距离aΠnm113
衰减率k fΠ106s-1116
这里需要指出的是,由于在聚合物中激子的距离不是恒定不变的,那么从以往的实验中证明其符合高斯分布[14],其分布函数如图4中的插图所示.从图4中可以看出计算的电流值在整个电压范围内与实验数据符合较好.
6737物 理 学 报57卷
3121短路时的器件
在短路情况下,电势、电流密度、载流子浓度和复合率如图5和图6所示.欧姆接触情况下,接触点的载流子浓度非常大.在器件的内部,空穴浓度高于电子浓度1个数量级,这是由于电子和空穴的迁移率不同所致,空穴的传输速度相对于电子来说比较慢,结果会在器件内积累.如果两者之间的迁移率之差变得足够大,那么空穴浓度将会变得很大以至于由于空间电荷使得光照情况下的电势与无光照情况下的电势不再相同.但是由于在短路时器件内部的电场非常大,载流子的抽出速率很快.空间电荷效应的影响很小,光生电荷的数量不足以明显地改变电势.进而导致器件内除了接近接触面的地方以外,其他位置的电场强度基本接近一个常量.同时造成内部的P 值也接近一常量,如图6插图所示.结果是,电流密度与其在器件中的位置成线性关系.唯一的一个例外是接触点附近,即接近x =0与x =L 的地方离解率很高,P 接近1,这主要归结于该点电场强度较高,P 造成电子和空穴的浓度都很高,特别是,同时由于其电场强度较强,造成了其大量的载流子聚集,同时使得在接触点的复合率大幅度提高,该点的复合率甚至超过了其产生率,这时复合就显得很重要,这里的复合率甚至超过了自由载流子的产生率.如图6所示
.
图5 短路情况下器件的电势和电流密度
空间平均离解概率和平均复合率表达式为
P =
1
L
∫L
0P (x )d x ,
(16)k —
R
=1L ∫L
0R (x )k d
X d x .(17)
在短路情况下,计算的空间平均离解概率 P
=
图6 短路情况下载流子浓度和离解率的空间分布(插图为激子概率的空间分布)
7015%,表明在短路情况下,分离率和复合率同为影
响器件电流的主要因素,这意味着提高器件性能的一个重要的方法是提高这种激子的分离率.计算的复合而损耗的电荷载流子数量与产生的载流子数量的比率k —
R =2217%,即2217%的自由电荷载流子由于双分子复合衰减而损耗.电荷载流子的低损耗是高电场强度的一个必然结果,由于在短路时载流子浓度很低造成的,这种低损耗保证了电荷的抽出.既然载流子浓度很低复合很弱,因此载流子复合寿命相应的就很长.另一方面,由于高电场强度,载流子通过器件的时间很短,所以只有小部分载流子损耗掉了.所以激子的分离概率是影响短路情况下太阳能电池能量转换效率的主要因素.3131开路时的器件
如图7所示,在开路条件下,由于给体材料和受体材料H UMO 能级和LUMO 的不同,使得在有机层中形成了018V 的电势差.同时由于是开路下,有机层内部电子和空穴电流密度呈互补分布,但其总电流密度处处为0.这主要是由于两方面原因引起的.首先有机层内部电势差较小,内部除电极附近以外电场较小,进而导致其激子离解概率较低,这一点可
以从图8的插图中看出,其平均离解概率为3211%.
其次由于比较低的电场使得载流子抽出更加困难,造成绝大多数载流子还没有到达电极就已经复合,而不能形成电流,其复合率高达9711%.
3141有效电压对器件的影响
有效电压即V 0-V a ,其中V a 为外加偏压,V 0是光照情况下电流密度为0时的补偿电压.在比较
7
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图7
开路情况下的器件的电势分布和电流密度
图8 开路情况下载流子浓度和复合率的空间分布(插图为激子概率的空间分布)
低的有效电压情况下,由于内部平均电场较小,离解概率较低,造成其载流子浓度较低,同时低的电场造成载流子移动速度较慢,使得载流子漂移的作用较弱.电子和空穴在不能及时的被抽出情况下,绝大多数已经复合.例如开路情况下有效电压V 0-V a =0时,其平均离解概率 P =3211%,而复合率高达k —
R =9711%.在较高的有效电压情况下,其有机层内部
平均电场较高,离解概率 P 明显较高,使得绝大多数激子可以离解成载流子,同时较高的电场使得载流子在有机层内部的移动速度较快,绝大多数电子和空穴在复合前已经到达电极,形成电流,电流以漂移电流为主.有效电压V 0-V a =2V 时,其离解概率 P =8911%,而其复合率降为
k —
R
=819%.可以得出
在低的有效电压情况下,离解概率低,复合率高,电
流以扩散电流为主,随着有效电压的升到离解概率升到,复合率降低,电流以漂移电流为主,如图9所示
.
图9 随外加偏压变化时的平均离解率和平均复合率变化曲线
3151温度对光电流的影响
器件光电流密度J PH 是衡量太阳能电池的一个重要指标,它是光照电流减去暗电流得到的.如图10所示,在不同温度情况下,随着有效电压的升高,
光电流密度逐渐增大,同时不同温度引起的光电流
差异逐渐减小.这主要是由于在低的有效偏压情况下,光电流以载流子的扩散为主,激子分解概率较低,增大温度能较大比例的提升离解概率.而在高的有效偏压情况下,离解概率已经处在一个较高的水平,虽然增大温度也能提升离解概率,但是提高比例较低,使得温度的影响较弱
.
图10 不同温度下电流光密度随有效电压变化的曲线
41结论
本文以Onsager 的成对复合理论和较完善的无机半导体相关理论为基础,建立了包含载流子漂移和扩散的有机体异质结太阳能电池数值模型.该模型与实验结果符合较好.器件在短路情况下,光子产
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生的激子离解概率较低,载流子复合率较高,电流以扩散电流为主.器件在开路情况下,光子产生的激子离解概率较高,载流子复合率较低,电流以漂移电流为主.有效电压是影响光电流的一个重要因素,激子
离解概率随着有效电压的升高逐渐升高,复合率逐渐降低,使得电流逐渐增大,电流也从以扩散电流为主转变为以漂移电流为主.同时,随着电压的升高,温度对光电流的影响也逐渐变弱.
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Simulation of polymer 2fullerene bulk heterojunction solar cell
X ing H ong 2W ei Peng Y ing 2Quan Y ang Qing 2Sen M a Chao 2Zhu W ang Run 2Sheng Li Xun 2Shuan
(School o f Physical Science and Technology ,Lanzhou Univer sity ,Lanzhou 730000,China )
(Received 20January 2008;revised manuscript received 15April 2008)
Abstract
A numerical m odel of organic bulk heterojunction solar cell based on Onsager ’s theory of gem inate charge recombination and related theory of inorganic sem iconductors is described.the correctness of the m odel is verified by experimental data.On the basis of this m odel ,we analyzed the in fluence of effective v oltage and operating tem perature on the properties of organic solar cells and the factors that affect the photocurrent efficiency of the device.K eyw ords :organic solar cell ,bulk heterojunction ,simulation PACC :8630J ,7115Q ,7125
C orresponding author ,E 2mail :yqpeng @https://www.360docs.net/doc/604972041.html,
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太阳能电池发展现状综述
太阳能电池发展现状综述 摘要：随着社会的发展，传统能源消耗殆尽,能源越来越收到重视。其中发展前景最为广阔的莫过于太阳能。太阳能绿色环保，因此逐渐受到了人们的普遍重视。太阳能已成为新能源领域最具活力的部分，世界各国都致力于发展太阳能。本文主要阐述了太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类，太阳能电池的现状以及发展前景. 关键词：太阳能电池；太阳能电池种类；发展现状； Narration on the Current Situation of Solar Battery Abstract:With the development of society, traditional energy will be used up in a short time.Eneygy are being payed more and more attention.And the solar energy is the most promising.Because of its’environmental protection,it gets widespread attention. Solar energy has become the most vibrant part among the new energy field,and all countrise tried their best to develop solar energy.This article mainly explains the development of solar battery,the types of solar battery,curent situation of solar battery and its’ prospect. Key Words:solar battery; types of solar battery; curent situation of solar battery 1引言 随着经济的发展，能源的重要性日趋凸显。但是石油、煤等不可生起源消耗殆尽，人们开始探索新的能源。太阳能取之不尽用之不竭，因此受到了人们的亲睐。在太阳能电池领域中，太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域[1]．太阳能电池的研制和开发日益得到重视．制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础．其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转化反应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：①硅太阳能电池；②以无机盐如砷化镓Ⅲ一V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；③纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：①半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率；③材料本身对环境不造成污染；④材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料[2]．这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因. 本文简要地综述了太阳能电池发展进程，太阳能电池的种类，以及发展现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。 2太阳能电池现状及其前景
异质结太阳能电池综述
异质结太阳能电池研究现状 一、引言： 进入21世纪，传统的化石能源正面临枯竭，人们越来越认识到寻求可再生能源的迫切性。据《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书统计，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘，各种能源都只能用很短的时间，石油：42年，天然气：67年，煤：200年。而且，由于大量过度使用这些能源所造成的环境污染问题也日益严重，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，二氧化碳的过度排放是造成全球气候变暖的罪魁祸首；空气中大量二氧化碳、粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。正是因为这些问题的存在，人们需要一种储量丰富的洁净能源来代替石油等传统化石能源。而太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量就可达5.6×1012千瓦小
时。而我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1700亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的前景非常广阔。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。本文简要地综述了各种异质结太阳能电池的种类及其国内外的研究现状。 二、国外异质结太阳能电池 1、TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池 2005年5月份，Kohshin Takahashi等发表了TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池，电池结构如图1。 图1 ITO/PEDOT:PSS/CuPc/PTCBI/Al结构太阳能电池 简图 图2 TCO/TiO2/P3HT/Au电池结构示意图 同时采用了卟啉作为敏化剂吸收光子，产生的电子注入
GaAs基多结太阳能电池高效性的研究
GaAs基多结太阳能电池高效性的研究 摘要：人们使用的传统能源化石燃料是不可再生并影响环境。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它具有清洁、可再生、地域广等特点而受到了广泛的关注，目前常用光伏电池一般硅电池，砷化镓作为一种新兴太阳电池材料虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。砷化镓三结太阳电池以其高效率、长寿命、抗辐照高温性能好等优点在空间应用中占据着主导地位。 关键词砷化镓太阳能电池；高效性；多结叠层 1 砷化镓太阳能电池发展历程 1956年，Jenny等人在N—GaAs上扩散镉，首次研制成功砷化镓太阳能电池，但电池的转换效率只有6.5%左右。1962年，Gobat制成扩散锌的砷化镓P—N 结太阳能电池，转换效率提高到11%。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16%。目前应用的三结砷化镓太阳电池主要为晶格匹配而带隙失配的GaInP(1.85eV)/In0.01Ga0.99As（1.40eV）/Ge（0.67eV）结构体系研究的空间用三结砷化镓太阳电池最高效率已超过30%（AMO），批产转换效率为29—29.5%（AMO）；在聚光条件下最高转换效率超过40%（AM1.5，500sun），批产转换效率为36—39%（AM1.5，500sun）。可预计其空间光谱下半经验理论效率约为31.9%。显然该电池实际效率值已非常接近理论极限。而三结砷化镓聚光电池实际转换效率尽管与理论效率52%还有一定差距，但由于受到电池工艺、串联电阻等因素的限制，进一步提升的空间也非常有限。因此一些研究机构开始开展带隙匹配的四结甚至五结、六结太阳电池研究。在材料选取方面主要有晶格匹配和晶格失配结构两种技术路线，并主要集中于空间应用的研究。 2砷化镓结构及光电性能 砷化镓属于Ⅲ－Ⅴ族化合物，是一种重要的半导体材料，化学式GaAs，分子量144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃。在300 K 时，砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV，如图1。
高效异质结太阳能电池产业化观察
高效异质结太阳能电池产业化观察 1异质结电池的技术前景及产业政策 1.1技术前景 从最新的市占率预测来看，异质结（简称HIT，SHJ，SJT等）电池在10年内都将是小众市场，预计5年内市占率在5%-7%之间。按照2016年72GW（中国53GW）的全球出货量和15%的平均增长率，5年后的2022年将达到144GW（中国106GW）的年全球出货量，其中HIT技术产品占7-10GW（中国5-7GW）。 图1.晶硅电池技术市占率预测 目前国际和国内布局HIT电池技术的厂商及其产能情况如下： 生产商电池效率产能产业规划 松下22.50% 1GW 因日本产业链不完善，成本居高不下。 上澎21.80% 40MW 国内运营最长的1条量产线，计划扩产至120MW。 新日光22.00% 50MW 2017年底扩张到50MW，目标23%效率。 新奥21.60% 80MW 产能陆续扩张中，计划到400MW 赛昂21.50% 30MW 被Solarcity收购，在美国有1GW电池规划。 国电21.50% 80MW 被中环收购，有1GW扩产计划。 钧石22.50% 100MW 总产能规划600MW，目前一期调试中。 中智22.00% 200MW 规划1.2GW产能，目前2条线轮调中。 晋能--- 100MW 规划2GW产能，设备采购中。 汉能--- 60MW 规划600MW产能。 表1.HIT电池主要厂商及其产能情况统计
按照上表给出的产能计算，未来5年内全球HIT电池产能将达到8GW左右，其中大陆产能占绝对多数，约为7GW。另外，国电投、亿晶光电、合金盛等公司也在计划上马HIT电池技术，实际产能可能会更大。 从以上分析来看，业内业已进入的HIT厂家几乎将全球HIT产品的市场瓜分殆尽。新入者必须在着力产品研发的同时，努力挖掘HIT的应用市场。鉴于HIT技术的成本较高，高昂的产品售价必将令市场开拓存在巨大的困难，其可能的市场领域包括：美日欧等发达市场需求、中国超级领跑者项目、新能源汽车领域、其他高效产品应用领域。 1.2 技术路线图 图2.2017年最新的晶硅电池效率路线图 从最新的电池效率路线图来看，HIT电池技术处于排名第二的高效晶硅技术，仅次于IBC技术。但HIT电池的效率与P型PERC、N型PERT的效率差异没能显著拉开（高1%），鉴于P 型PERC技术的规模化应用正在急速扩张之中，而HIT电池技术的产业配套尚有很多需要完善。
异质结发展现状和原理
异质结发展现状及原理 pn结是组成集成电路的主要细胞。50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。pn结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。掺杂类型不同的称为“异型异质结”。另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。 1 异质结器件的发展过程 pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。 1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。 1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。 1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结,比同质结具有更高的注入效率。 1962年,Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明了电流输运过程。
1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。 1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对． 在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不仅能生长出很完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的范围内精确控制。 2 异质结的结构、原理、 异型异质结 两块导电类型不同相同的半导体材料组成异质结称为异型异质结，有pN和Pn 两种情况，在这里只分析pN异质结。两种材料没有接触时各自的能带如图所示。接触以后由于费米能级不同而产生电荷转移，直到将费米能级拉平。这样就形成了势垒，但由于能带在界面上断续，势垒上将出现一个尖峰．如图3．2m。我们称这一模型为Anderson模型。
太阳能电池的发展历史
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/604972041.html, 太阳能电池的发展历史 作者：张金晶 来源：《商情》2016年第26期 【摘要】相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源，太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点，成为最具有发展前景的能源之一。目前，随着太阳能电池制备技术的不断完善，其技术的开发应用已经走向商业化、大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。 【关键词】太阳能单晶硅薄膜电池 引言：随着社会的飞速发展，能源是影响当今社会进步的重要因素，但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡，并且不可再生，而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源，可以提供充足的能量供人类使用，因此开发新能源，是人类社会薪火相传，世代相传的重要保证。 此外，不可再生能源的过快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应，臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响，不仅阻碍了人类经济的飞速发展，而且还严重影响到社会的可持续发展。因此，发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。 1. 第一代太阳能电池 第一代太阳能电池是发展时间最久，制备工艺最为成熟的一代电池，一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多，商业前景最好。 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低，稳定性也比较好，这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高，它达到的最高的光电转换效率为21.9%，但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。 2.第二代太阳能电池
c-Si异质结结构太阳能电池设计分析(精)
a -S i /c -S i 异质结结构太阳能电池设计分析 * 林鸿生马雷 (中国科学技术大学物理系 , 合肥 , 230026 2001-09-10收稿 , 2002-01-14收改稿 摘要 :通过应用 S c h a r f e t t e r -G u m m e l 解法数值求解 P o i s s o n 方程 , 对热平衡态 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池进行计算机数值模拟分析 , 着重阐述在 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池中嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层的作用 , 指出采用嵌入 i (a -S i :H 缓冲薄层设计能有效增强光生载流子的传输与收集 , 从而提高 a -S i /c -S i 异质结太阳能电池的性能 , 同时还讨论 p + (a -S i :H 薄膜厚度和 p 型掺杂浓度对光生载流子传输与收集的影响 , 而高强度光照射下模拟计算表明 , a -S i /c -S i 异质结结构太阳能电池具有较高光稳定性。关键词 :异质结太阳能电池 ; 牛顿-拉普森解法 ; 氢化非晶硅隙态密度 ; 载流子收集中图分类号 :T M 9 14. 42文献标识码 :A 文章编号 :1000-3819(2003 04-470-06 A n a l y s i s o f t h e D e s i g nf o r a -S i /c -S i H e t e r o j u n c t i o n S t r u c t u r e S o l a r C e l l s L I N H o n g s h e n g MA L e i
(完整版)钙钛矿太阳能电池研究综述
钙钛矿太阳能电池 引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。 而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。 近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。 一钙钛矿太阳能电池的发展历程 人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以 CH3NH3PbBr 3和CH 3 NH 3 PbI 3 为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的 第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CH 3NH 3 PbI 3 为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组 分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。
多结太阳能电池制备技术
多结太阳能电池制备技术 太阳能光伏技术经过近几十年的发展，已经在新能源领域确立了其重要地位。大力发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径。在产业界，当前太阳能技术的重点仍是硅太阳能电池，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池等。 由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导产品。而其它种类的薄膜电池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳能电池。目前的硅系太阳能电池最高转换效率只有20%左右，要想再进一步提高已经非常困难。众所周知，提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术中的根本因素。开展高效太阳能电池技术研究，开发新的电池材料、电池结构，也一直是该领域的热点。在这其中，高效多结太阳能电池技术的研究尤为引人注目。 认识高效多结太阳能电池技术 一般所说的高效多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。目前研究较多的III-V族材料体系，如InGaP/GaAs/Ge三结电池，所报道的转换效率可达42.8%左右。也有选取II-VI族材料的，但目前还处于研究阶段。本文将主要介绍InGaP/GaA s/Ge等III-V族材料体系。 图1是一个典型的多结太阳能电池示意图。其中顶层的InGaP电池、中层的GaAs电池和底层的Ge电池带隙分别为1.86eV、1.40eV和0.65eV。在顶层和中层相邻两个电池间设有宽带隙的异质结构隧道结，使得入射光能顺利通过顶层电池到达中层的Ga As电池。同时提供高的结间势垒，防止两层中产生的少子扩散。
多结太阳能电池经过近十几年的发展，其在太空领域已经被广泛应用，效率纪录也不断被刷新。但由于成本等原因，很难得以大规模地面推广。因此必须尽可能地提高其转换效率，降低成本，才能显出其优势。 目前降低成本主要采用聚光镜技术，将太阳光通过透镜收集起来，大大减小了芯片的面积。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、转换效率高达40％的4.5mm2的I nGaPAs系多结太阳能电池单元。2008年初，Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），仅在20个太阳的聚光条件下即可实现42. 8%的组合效率。2008年8月，美国能源部可再生能源实验室（NREL）宣布，采用倒置赝形三结结构的太阳能电池在326个太阳的聚光条件下，其光电转化效率可达40. 8%，并宣称这是迄今为止光伏技术中被证实的最高效率。随着效率纪录不断被刷新，高效多结太阳能电池的研发也正进一步深入。 太阳能电池新材料的研发现状 为了提高多结太阳能电池的转换效率，研究者们从新材料开发、器件结构乃至整个系统等方面对多结太阳能电池进行了优化。在新材料开发方面，主要有掺氮材料、量子点结构，以及In(Ga)N氮化物材料。 新型材料的研发始终是一个活跃的领域，研究者们首先想到的是掺氮材料。因为从III-V族半导体能带结构和晶格常数关系图中可以看出，对于GaInNAs材料四元材料的晶
太阳能电池发展现状及存在的主要问题
太阳能电池发展现状及存在的主要问题 晨怡热管2008-10-17 23:05:45 一、2005年国际太阳能电池产业发展情况 2005年，世界太阳能电池总产量1656MW，其中日本仍居首位，762M W，占世界总产量的46％，欧洲为464M W，占总产量的28％，美国156M W，占总产量的9％，其他274MW，占总产量的17％。 2004年全球前14位太阳能电池公司总产量达到1055MW，占当年世界总产量的88.3％，近五年来，日本Sharp公司一直领先，2004年产量达到324MW，见表1。
以2004年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98％，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6％，多晶硅太阳能电池占总量的56％，见表2。
2005年，世界光伏市场安装量1460M W，比2004年增长34％，其中德国安装最多，为837MW，比2004年增长53％，占世界总安装量的57％；欧洲为920MW，占总世界安装量的63％，日本安装量292M W，增幅为14％，占世界总安装量的20％；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7％，其他安装量为146M W，占世界总安装量的10％。
至2005年全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10亿美元。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2005年全世界硅原材料供应增长了12％，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25％。持续的硅材料紧缺将对2006年太阳能电池生产产生较大的影响，预计2006年世界太阳能电池产量的增幅将不限制在10％左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5年以上的时间。 根据光伏市场需求预测，到2010年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G到3.9GW之间，而光伏工业年收入将达到186美元到231亿美元。 日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV发展路线图。 按日本的PV路线图（TV Roadmap 2030），到2030年PV电力将达到居民电力消耗的50％（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表3和表4。
太阳能电池的发展与趋势
《物理演示实验》结课论文题目：太阳能电池的发展与趋势 学生姓名： 学号： 专业班级： 2013年 5月25日
摘要：现代社会应是节约型的社会，而社会生活也应是节约能耗的生活。而太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国世界上能源探究工作中的一个重要课题。是我国在经济目前状况下采取的较为简单、经济、环保、可靠的节能办法。近些年，随着我国经济的飞速发展、科技水平的快速提升，太阳能技术已逐渐普及、应用到各个行业领域乃至人们的生活中，而市面上也涌现出了大量的太阳能热水器、太阳能发电设备、太阳能照明器具等产品。其中，太阳能电池的应用，不仅充分发挥了太阳能技术环保、节能、可再生的特点，同时也有效满足了当代社会发展、科技进步的需求。本文就太阳能电池新发展的新概念及新的方向作简要的分析、探讨。 关键字：太阳能新能源太阳能电池 一、引言 太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随时间、地理纬度、气候变化，实际可利用量较低，但可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗及2100年后规划的能源利用量?。地球上太阳能资源一般以全年总辐射量[kJ/(m^2·年)]和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量3．3×10^3～8．4×10^6 kJ/(m^2·年)之间，相当于2．4×10^4亿t标煤，属太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积2／3以上地区年日照时数大于2200h，日照在5×10^6kJ/(m^2·年)以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其他地区为资源较富和中等区，所以在我国太阳能有很大的发展前景。 随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。通过对太阳能电池的发展背景、现状进行分析，可将太阳能电池发展的新概念、新方向归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池。 二、太阳能电池概况 1、太阳能电池定义 太阳能电池就是把太阳光转化为电的一种器件，在一般的情况下（注意条件），太阳能电池 的效率随光强增加而增加的。再进一步说就是太阳能电池效率和安装地的综合气候条件有关系。2、太阳能电池的分类 不同的材料对光的吸收系数不同，禁带宽度也不同，量子效率自然也不同，电池效率自然也 不同了。一般来说，单晶硅/多晶硅对光的系数系数远小于非晶硅的，所以非晶硅太阳能电池厚度仅仅有单晶硅/多晶硅厚度的百分之一即可较好的吸收太阳光。另外理论上讲GaAs太阳能电池的极限效率要大于其他太阳能电池的极限效率，因为GaAs太阳电池的禁带宽度在1.4ev，和地面太阳光光谱能量的最值最为接近。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池3、功能高分子材料制备的太阳能电池4、纳米晶太阳能电池等。硅是最理想的太阳能电池材料，这是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。在以上电池中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，光电转化效率可达23.3%。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。目前国际成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、CdTe电池、CIS 电池的制造技术、III-V族化合物半导体高效光电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜光电池等方面。 三、太阳能电池发展综述 长期以来，世界各国在大力发展经济的同时，各行业领域的过度生产消耗了大量的能源，倘若继续按照此种趋势发展，在未来的五十年里，能源危机将是影响人类生活、阻碍社会进步的首要问题。目前，不同国家、地区、种类的全部能源中，能够使用的化石能源占90%以上，若是以现阶段世界各国的能源消耗状态发展到二十一世纪的中期，可供使用的能源储备、化石能源所占比例将减少近50%，之后的能源需求必将是以可再生能源、核能为主。基于此种趋势，预计到2100年，在人类所使用的能源中，可再生资源将占有30%以上。可供开发、使用的可再生能源主要有地热能、生
有机体异质结太阳能电池的数值分析
有机体异质结太阳能电池的数值分析 邢宏伟 彭应全 杨青森 马朝柱 汪润生 李训栓 (兰州大学物理科学与技术学院,兰州 730000)(2008年1月20日收到;2008年4月15日收到修改稿) 介绍了一种有机体异质结太阳能电池的数值模拟方法,模型使用Onsager 提出的成对复合理论,并结合了完善的无机半导体理论而提出来的,其结果与实验结果符合较好,证明了模型的正确性.在此基础上分析了器件的内建电场与工作温度对器件性能的影响,以及影响器件光电流的主要因素. 关键词:有机太阳能电池,体异质结,数值分析 PACC :8630J ,7115Q ,7125 通讯联系人.E 2mail :yqpeng @https://www.360docs.net/doc/604972041.html, 11引言 有机太阳能电池利用有机半导体薄膜作为光电活性介质,由于具有容易加工、价格低廉并能制作大面积柔性器件等优点而备受关注.自从人们发现处于基态非简并态的共轭聚合物与富勒烯之间有光诱导电子转移发生以来, [1,2] 这些材料已经被考虑应用 于制作大面积的可折叠的太阳能电池.体异质结(BH J )结构太阳能电池与传统双层异质结太阳能电池相比,克服了几何界面的影响,即只有在pn 结附近吸收的光子才对光电流有贡献 [3,4] ,而是将电子受体材料和给体材料混合形成可传输电荷的渗透网格,从而大幅度提高了短路电流值 [5,6] .太阳能电池 的转换效率接近5%,使其比双层结构有更大的开发前途,因此被认为是光伏器件的主要发展趋势[7] . 体异质结太阳能电池吸收光子产生光电流的主要机理是给体材料和受体材料接触面处吸收光子产生激子,在接近给体2受体接触面的区域的激子扩散同时以极快的速度分离为成对出现的给体里的空穴和受体里的电子 [8,9] .但是由于有机材料的介电常量 (εr =2— 4)与无机材料相比较低,使得激子没有像无机半导体中马上分离成电子和空穴,而是牢牢的被库仑力约束在一起.为了产生光电流,激子必须分离成能够自由移动的载流子,并在完全复合成为基态激子之前,移动至电极,被电极俘获,这样才能形 成光电流. 本文以Onsager [10] 的成对复合理论和较完善的 无机半导体相关理论为基础,研究有机体异质结太 阳能电池的数值模型.该模型包含了载流子的产生、复合、漂移和扩散等重要物理机理.模型的数值计算与实验结果符合较好. 21理论与模型 有机体异质结太阳能电池器件通过金属2有机 半导体2金属的图像来描述,其能级分布及电子与空穴传输如图1所示.半导体材料的导带底和价带顶分别是受体物质最低未占据分子轨道(LUMO )和给体物质的最高占据分子轨道(H OMO ).受体的LUMO 与给体的H OMO 的能量之差为其带隙(E gap ).电子与空穴的复合用Langevin 提出的双分子复合理论来 表述[11] .由于器件有机层非常薄(100nm 左右),我们假定器件中吸收光子产生激子的产生速率(G max )是相同的. 自由电荷载流子的产生可分为两个阶段,如图2所示:首先,给体内有机层吸收光子产生束缚电子空穴对(激发态激子).激子的结合能大约为012—110eV ,高于相应的无机半导体激发产生的激子的结合能,所以不会像无机半导体激子可以自动离解形成自由移动的电子和空穴,而是需要电场驱动激子才能离解.在给体2受体的界面处电场较大,激子比较容易离解.可以看出,在有机体异质结太阳能电 第57卷第11期2008年11月100023290Π2008Π57(11)Π7374206 物 理 学 报 ACT A PHY SIC A SI NIC A V ol.57,N o.11,N ovember ,2008 ν2008Chin.Phys.S oc.
异质结
异质结 百科名片 异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。 目录[隐藏] [编辑本段] 基本特性 所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后 异质结 次序沉积在同一基座上。例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。 (1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。 (2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。 (3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。
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太阳能电池的种类特点及发展趋势 一、种类 按照材料分类 ?硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅） ?化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具 半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池(硫化镉、 砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟) ?有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳－碳键且导电 能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池(分子 晶体、电荷转移络合物、高聚物) 单晶硅太阳电池 特点 硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下，严重影响了其广泛应用。 单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5μm）的光有较高的灵敏度，但其制
法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。 1. 多晶硅太阳电池 特点 单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。 但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多 晶界存在，电池效率比单晶硅低； 晶向不一致，表面织构化困难。 单晶、多晶与非晶的区别 多晶：短程有序（团体有序），成百上千个原子尺度，通常是在微米的量 铸造多晶硅 ?结晶形态分 单晶硅 多晶硅 非晶硅 高纯多晶硅 薄膜多晶硅 带状多晶硅 区熔单晶硅 直拉单晶硅
(整理)文献综述 硅基异质结太阳电池的研究
华南理工大学 本科毕业设计文献综述硅基异质结太阳电池的研究 班级_______09级信息工程2班__ 姓名___________胡思凯_________ 学号_________200931281039_____ 指导教师________耿魁伟____________
作为一种取之不尽的清洁能源,太阳能的开发利用引起人类的极大关注[13]。目前,大规模商业化太阳能电池仍以硅太阳能电池为主,正开发的有GaAs[4]、GaN[5]、CdS[6]、铜铟硒[7]和ZnO[810]等新型材料太阳能电池。其中,GaAs和GaN太阳能电池虽在空间应用中比硅太阳能电池更有优势,但属于!族化合物,挥发性强、工艺复杂,制备成本高;CdS和铜铟硒对人类具有一定的毒副作用,不符合绿色环保能源发展的要求。氧化锌（ZnO）由于其优越的物理特性，如具有较大的禁带宽度（室温，~3.37 eV）和激子束缚能（~60 mV），而且热稳定性好、抗氧化性能优越，已经成为一种极具发展前景的II–VI族半导体材料，其在光电子应用领域也已经引起了广泛关注。 关于硅基ZnO薄膜的生长及发光性质已有广泛的研究,但对于P型硅纳米线（SiNWs）为衬底上制备ZnO异质结太阳能电池的研究尚不成熟。硅纳米线是新型的一维纳米材料(SiNWs),由于其自身所特有的光学、电学性质和半导体所具有的特殊性质已越来越引起纳米科技界的广泛关注。通过最近几年的研究表明, SiNWs料具有很强的广谱光吸收特性和室温下的可见光发光特性。因此，对一维纳米材料形貌的控制、生长机理的探索以及各种性能的测量与改进,是人们研究的重点。 一.目前，化学腐蚀法和化学气象沉积（cvd）已经成为制备SiNWs主要的2种技术。此次毕业设计打算以这两种不同的方法制备SiNWs，比较两种方法的优劣。 1.化学腐蚀法,HF溶液4.6mol／L,AgNO3溶液0.02mol/L,腐蚀温度50℃,腐蚀 时间30min时制备出的大面积阵列一维SiNWs。 2. 3.用SiH4做反应气体，H2作载气，在氢的辉光放电中淀积SiNWs，反应室预真 空约1.33Pa,沉积温度为380度。 利用sem电镜观察生长结构，X射线衍射仪（XRD）观察X射线衍射谱，生长取
聚合物太阳能电池综述
文献综述聚合物太阳能电池 一、前言 能源问题和环境问题一直是人类关注的重点。第一次工业革命以来，随着煤、石油等化石燃料的大规模应用，环境问题也日趋严重。在不可再生的化石燃料逐渐减少的今天，寻找更清洁环保的能源已是迫在眉睫。 太阳能以其清洁环保、储量丰富的特点可以很好地解决这些问题，而太阳能电池的研发与应用是关键的一点。无机太阳能电池经过几十年的发展已经很成熟了，能量转换效率大约达到了10% ~ 20%。然而，无机半导体电池也存在着一些缺点，比如：制备成本较高、制备能耗较大、工艺复杂[1]。 近年来，有机聚合物太阳能电池（PSC）开始受到关注，它具有很多优点：提高光谱吸收能力的途径有很多，提高物质载流子的传输能力并扩展光谱的吸收范围；容易加工，成膜性好；物理改性比较容易；工艺简单。这也说明了有机聚合物太阳能电池拥有光明的应用前景和发展空间。 二、聚合物太阳能电池简介 共轭聚合物太阳能电池是一种新型有机薄膜太阳能电池，它由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混薄膜活性层夹在ITO 透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成。下图图1-1是聚合物电池的结构示意图[2]。ITO（氧化铟锡）作为电池的透光正极，金属Al、Ca等其他金属作为电池负极，正极和负极之间有一层共混膜，厚度约100-200nm，是由给体和受体材料组成的活性层。聚合物PEDOT:PSS是一层修饰层，厚度约50nm，可以改善ITO电极的功涵和界面性质。
当光透过ITO电极照射到聚合物活性层上时，活性层中的给体材料吸收光子产生激子。激子随后迁移到聚合物受体/给体的界面上，其中的电子就转移到受体材料的LUMO能级上，空穴则在给体材料的HOMO能级上，光生电荷实现分离。 在电池势场作用下，被分离的空穴会沿着共聚物给体形成的通道传输到正极，而电子沿着受体传输至负极。空穴和电子分别传达到正极和负极后，就形 成了光电流和光电压，这就是聚合物太阳能电池所产生的光生伏打效应。大体 的光伏过程为：1．光的吸收；2．产生激子；3．激子发生迁移；4．激子的解离；5．载流子分开、迁移及收集。 三、窄带隙共轭聚合物 如何提高其光电转换率是目前研究的关键课题。制备窄带隙聚合物是解决转换效率低的一种方法。聚合物能带隙就是聚合物中HOMO能级与LUMO能级的能级差。一般来讲，窄带隙聚合物的能带隙小于 2.0eV，它可以吸收的光的波长大于等于620nm。 研究发现，D-A型窄带隙共轭聚合物能够有效提高能量转换效率，这种聚合物由给体单元（D）和受体单元（A）组成。改变其给体和受体单元，可以改变它的HOMO 和LUMO能级，以降低带隙，提高光电性能。D-A共聚物中因给体单元 和受体单元的推拉电子作用，使得聚合物的带隙变窄，从而极大地拓宽了聚合 物的吸收光谱。并且人们可以通过将不同的给体单元与不同的受体单元进行排 列组合，可以在较大的范围内精细地调控聚合物的吸收光谱[3]。 四、D-A共聚物设计要求 影响电池的能量转换效率（PCE）的因素有很多，比如光吸收区的吸收强度、电荷迁移速度、能带隙宽度和活性层的形貌特征等。 1.光吸收：在聚合物太阳能电池的激活区域，要有较强的光吸收。聚合物给体的带隙一般比较大，吸收光谱和太阳辐射光谱并不能较好匹配。我们需要聚合物在可见- 近红外区有宽的、强的吸收，这是提高PCE的重点。在设计聚合物的过程中，在支链上添加基团可以提高光子的吸收，共轭支链上添加上助色团，推、拉电子的基团，促使吸收向可见-近红外区偏移[4]。
太阳能电池片技术发展的现状和趋势
太阳能电池片生产技术的发展和趋势 LED光伏电子项目部 2009/2/22
1太阳能电池片的生产工艺 1.1太阳能电池的工作原理 典型的太阳电池本质上是一个大面积半导体二极管，它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能。当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时,其中能量大于 禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子,价带中留下带正电的自由空穴，即电子-空穴对，通常称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区,被该区的内建电场分离电子被扫 到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面(两极) 分 别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”,即“光伏效应”（photovoltaic effect）若在电池两侧引出电极并接上负载,负载中就有“光生电流”通过，得到可利用的电能,这就是太阳电池的工作原理，如图1所示。 图1太阳电池的工作原理 光伏效应是1839年法国Becqueral第一次在化学电池中观察到的。1876年在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应,随后开发出Se/CuO光电池。硅光电池 的报道出现于1941年1954年，贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅光电池，为太阳能光伏发电奠定了技术基础，成为现代太阳电池时代的划时代标志。作为能源,硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10。多年里,硅太阳电池在空间应用中不断扩大，工艺不断改进,电池设计逐步定型。70 年代初，许多新技术引入电池制造工艺,转换效率有了很大提高。与此同时,硅太阳电池开始引入地面应用，70年代末，地面太阳电池产量已经超过了空间电池产 量,促使成本不断降低。80年代初，硅太阳电池发展进入快速发展时期，技术进步和研究开发使太阳电池效率进一步提高，商业化生产成本持续降低，应用不断 扩大。在太阳电池的整个发展历程中,先后开发出各种不同结构的电池，如肖特基(MS)电池、MIS电池、MINP电池、异质结电池等，其中同质p2n结电池自始 至终占着主导地位，其他结构电池对太阳电池的发展也产生了重要影响。在材料 方面,有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒(CIS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、砷化镓薄膜电池等，由于薄膜电池被认为是未来大幅度降低成本的根本出