高效太阳能电池机理与工艺结构

1 高效太阳能电池机理与工艺结构 宋太伟 2013-10-22 上海建冶环保科技股份有限公司，上海陆亿新能源有限公司，建冶研发中心

内容摘要：本文系统地、原创性地阐述了太阳能电池的普遍机理、提高光电转换效率的关键技术及多种简便可行的超高效率硅基电池的结构与工艺方法；开创性地提出准二维薄膜结构、准一维纳米线结构是决定太阳能电池高效的关键时空结构，并阐明染料敏化电池和钙钛矿电池只是纳米线超晶格结构电池的特殊形式；开创性地提出纳米薄膜超晶格结构电池和纳米线超晶格结构电池，开创性地提出了诱导更多光子电子有序运动的材料结构与电子泵结构，开创性地提出了多层PN结的叠层连接的高效耦合技术等等。

1. 前言 地球能源与环境问题日益突出，人类充分、高效、绿色地使用太阳能迫在眉睫。高效绿色太阳能电池的开发，是人类大量且充分地使用太阳能的关键环节。近年来新型太阳能电池不断出现，硅基太阳能电池效率与工艺也有所提高，但有关太阳能电池的普遍机制，以及使用什么样的材料与结构，才是人类比较理想的长期大量使用太阳能的工艺路径，等等核心问题，都没有真正取得共识与解决。本文以作者长期的实践探索积累为基础，对太阳能电池的本质逻辑，以及适应于人类长期持久的、循环经济的、无毒无害的、太阳能电池工艺路线和提高电池光电转换效率的方法等核心问题，作相对简明的理论回答（表述）。

2. 太阳能电池的普遍机理 2.1 环境保护约束条件下的电池材料与光电转换效率的选择 广义上讲，太阳能是地球万物能量的源泉。经过千百万年进化，大自然广泛利用太阳能的方法，如光合作用、大气环流的热蒸发效应等，是真正绿色自然循环的方式，值得人类借鉴。太阳光强度如用太阳常数描述约为1367W/M2 ，单位面积能量密度相对于现代人类的能耗需求来讲比较小，要广泛的、方便的使用太阳能，就必须大面积的、甚至像树枝树叶一样立体化的建造太阳能光电池叶片或电池薄膜。这里有两个关键环节问题需要把握与解决： 一是生产太阳电池所需材料问题，即必须使用无毒、无害、在大自然环境中大量存在并参与生态自循环的低成本材料作为制作可以广泛推广使用的、大市场的太阳能电池的原材 2

料，否则，会出现新的材料短缺与新的更严重的环境污染问题，从这个意义讲，硅基太阳能薄片或薄膜电池，是极好的选择：硅是地球第二大丰度物质，是土地的主要组成部分，大量的太阳能硅基电池，不论是使用中还是报废，都没有给大自然生态环境增添新的成份，可以成为绿色的循环。绿色植物主要组成成份为有机碳水化合物，作为太阳能电池原材料当然更为绿色自然，但因寿命与效率限制，绿色有机物太阳能电池，不会成为主流太阳能电站的首选电池材料，但可以是多元化的太阳能电池产品中的非常环保的、低成本的、方便使用的重要组成成员。 二是太阳能电池的光电转换效率问题，要广泛地推广使用太阳能发电，使用太阳能电池的经济性、适用性，必须均为地球上大部分地区的普通公民与企业所接受，这实际上是绿色太阳能电池的光电转换效率问题，也就是普通居民与企业使用效果好坏问题。当前最好的硅基单晶电池产品的实际光电转换效率不超过19%—20%，绝大多数使用产品的车间光电转换效率在16%—19%（薄膜电池产品效率低得多），实际使用中单位平方米功率仅100—150W/ M2 ，天气稍有阴雨发电功率即近为零。这样低的太阳能电池使用价值，决定了其不可能为广大社会民众所接受，也不可能有辉煌、美好的未来。炎热夏季即使是阴雨天，空气温度也在30—40o C ，可利用的太阳能是巨大的，如果能将现有绿色太阳能硅基电池的效率大幅提升20%—30%以上，并将其光电转换吸收谱线宽度拓展至近中红外区域，地球人类自觉、积极推广使用太阳能的时代就会来临，太阳能电池产业也将真正进入黄金时代。 2.2 太阳能电池普遍原理 2.2.1 光照下的物体组成原子的外围电子的集体跃迁 微观世界由光电主宰，电磁作用处于支配地位，光与电场磁场是宏观与微观联系的基础路径。电子能级跃迁发射或吸收光子，一个电子吸收一个光子，即进入更高能级状态，是一种激发态，当然处于激发态的电子也可能再吸收一个光子，进入更高的激发态，这要满足泡利不相容原理与电子量子跃迁选择定则。 广义上讲，大量电子同时吸收大量光子，产生(宏观可测的)有序移动态势，即形成空间电位梯度，这种光生电势差，即光电池（积累电能）；宏观物质（包括气体）被光照，只有在某些特定的条件下，才能产生(宏观可测的)有序移动态势，绝大部分光照能量被材料物体的原子电子吸收产生宏观无序热运动（或称“热激发”）；实际上宏观物质的微观结构原子离子电子，吸收光子光能，产生的宏观物理状态，是宏观有序移动态势与无序热运动之和（叠加），大量微观粒子（较）纯集体有序运动，是一种宏观量子效应。假设一个宏观物体被光照射，入射光功率为△W（J/s），物体对外辐射的光热功率为△Q（J/s），物体由此产生的内能变化△E（J/s），△E包含宏观有序移动态势△Φ（J/s）（即积累势能，对电荷粒子来讲即 3

为电能）与宏观无序热运动能△R（J/s），则在不考虑其它宏观条件下，有： △E = △W — △Q （1） △E = △Φ + △R （2） △Φ = △W — △Q — △R （3） η = △Φ / △W (4) β = △Φ / △E (5) 其中，η、β 分别为物体（光电池）吸收光能变为有序能（电能）的转换效率、物体吸收光能的宏观量子效应大小（或称相对强弱）。物体在外界作用下的表现出纯宏观量子效应时β等于1（即100% ）。 以上论述并没有对光电池的材料结构组成等作具体限制，不只是适用于固体、液体形态的光电池，是普适的关系。 2.2.2 下面讨论物体微观电子在外界功（光）作用下能实现宏观自发有序运动的条件 普通太阳光照下，由于气体物质分子原子中吸收光子激发跃迁的电子密度低、脱离原子束缚的空间“自由电子”极少，以下吸收太阳能物体只考虑固体、液体等凝聚态情形。 凝聚态物质，微观分子原子离子等单元结构有一定清晰度的空间边界，但外围电子或单元整体的电磁作用边界已经不清晰，或者说，结构单元之间的电磁相互作用已经很强，不同原子的外层电子已经存在不同程度的相互关联度，结构单元之间Å或10 Å级的空间距离，已经可能实现一个原子的外围电子的逃逸与在原子之间接力移动，这是原子间外围电子产生协同有序状态的前提。 吸光物体在稳定的光功率△W（J/s）照射下达到平衡状态时，物理状态量随时间变化的宏观量子统计平均值为零，宏观物理状态量的时空关系可以简单地化为微观粒子的空间量子结构的统计平均关系。大量外围电子吸收光子产生激发跃迁处在统计平衡状态，假设单位时间处在高能级（激发态）的平均电子数为Ne ，吸收的光子的平均能量为Δε= ħω— ，（其中，ħ为普朗克常数，ω—为光子平均角频率。），△E为均衡状态下相对于无光照时的内能变化，则 △E = NeΔε= Neħω— = ħΣω （6） 跃迁到激发态的电子，因为物体微观结构单元（原子）的电磁边界重叠，相互之间形成比较强的电磁作用，如果存在一个稳定的作用力场（或），则全体外围激发态电子即会形成集体有序运动来对冲内部空间内的作用力场，（因此也可以称这些外围激发态电子为光生载流子），直至这些电子形成的内部电场完全对冲作用力场。作用力场可以是外加作用场，也可以是物体内部结构内生场，同时也可以是光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用。假设电子电荷为e库仑，光生载流子（电子）的平均有序做功移动路径为d， 4

单位时间处在激发态的平均电子数为Ne，则有序移动态势能△Φ（电能）为： △Φ= Ne∫d ·d = Ne∫d e·d = e Ne△V (7) 其中，△V为电子受作用进行有序运动后形成平均空间电位势，（即开路电压）。 一般来讲，光生载流子的在稳定作用力场作用下形成的电能△Φ，是可以通过外接电路可逆地释放出来的（除去部分热功），这就是光电池放电过程，太阳光持续照射，光电池可以持续发电做功。利用(5)、（6）、（7）等式，可得： △V = △Φ/ e Ne = ħω—△Φ/ e△E = ħω—β/ e (8) 如果 △E =△Φ ， 则有 △V = ħω—/ e 。 也就是说，如果物体内部吸收光能所引起的电子量子跃迁产生的高位激发内能变化△E（J/s），全部转化为宏观有序移动态势能△Φ（电能），而没有宏观无序热运动能△R损失，被吸收光能全部转换为电能，呈现100%的宏观量子效应，以500nm波长绿（近青）光计算，完全出现宏观量子效应的开路电压△V可达2.5伏特。但要提高电池光能变为有序能（电能）的转换效率η，不仅要尽可能的实现宏观量子效应的最大化，而且要尽可能的减少反射透射（包括热辐射）的照射光能损失。对于完全理想化的宏观量子超精细结构光电池，其光电转换效率η是没有止境的。 以上论述与结论同样是普遍适用的。 如果作用力场是外加作用场如偏压（电场），光能的实际利用价值无几。以下重点分析物体内部结构内生场，及光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用场的情形。 2.2.2.1 物体内部结构内生载流子作用场 任何导电材料如果内部微观结构，某些物理性能，如密度、电导率、折射率等，存在宏观有序的梯度分布，或者不同性能材料无隔离接触，均会在内部或者接触界面附近，产生

有序电场与电位势，良导体材料由于内部存在自由电子，这种电位梯度则存在于表面或接触面。图一、图二、图三分别是同一导电材料（包括半导体）存在某些物理性能在某一方向的梯度分布、至少一种是导电材料的两种不同物质材料无间隔接触界面、属于图二的特殊情形的半导体PN结表面接触结构。

图一同质物体存在性能有序梯度 1 2