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016_纳米薄膜太阳能电池 纳米器件与技术 Nanoelectronic Device & Technol 纳米薄膜太阳能电池 李景琼,黄其煜 (上海交通大学 微电子学院,上海 200240) 摘要:介绍了纳米薄膜太阳能电池的基本原理与分类,比较了纳米薄膜太阳能电池与传统固态 结太阳能电池的优劣,得出了虽然目前纳米薄膜太阳能电池转换效率还无法与传统固态结太阳 能电池相比,但由于其制造成本低廉、工艺简单、光子吸收效率高等潜在优势,极具应用前景 的结论。 关键词:纳米薄膜;染料敏化;无机异质结;太阳能电池 中图分类号...

016_纳米薄膜太阳能电池
纳米器件与技术 Nanoelectronic Device & Technol 纳米薄膜太阳能电池 李景琼,黄其煜 (上海交通大学 微电子学院,上海 200240) 摘要:介绍了纳米薄膜太阳能电池的基本原理与分类,比较了纳米薄膜太阳能电池与传统固态 结太阳能电池的优劣,得出了虽然目前纳米薄膜太阳能电池转换效率还无法与传统固态结太阳 能电池相比,但由于其制造成本低廉、工艺简单、光子吸收效率高等潜在优势,极具应用前景 的结论。 关键词:纳米薄膜;染料敏化;无机异质结;太阳能电池 中图分类号:TM914 文献标识码:A 文章编号:1671.4776(2oo6)11-0515.05 The Nano.Film Solar Cells LI Jing—qiong,HUANG Qi—yu (School ofMicroelectronics of s rlg Jiaoto~ University,Shangha/200240,China) Abstract:The basic principle and the classification of nano—film solar cells were introduced.The advantage and disadvantage were compared between the nano—film solar cells and the traditional solid—state solar cells, it is concluded that the nano—film solar cells will have broad application and good aspect due to the low cost, simple fabrication process, high photon absorb efficiency and SO on. Key words:nano—film;dye—sensitized;inorganic heterogeneous junction;solar cell 1 引 言 2O世纪 7O年代以来,由于能源危机的加剧, 人们对于可再生能源的兴趣越来越浓,太阳能电池 也进入了快速发展的阶段。太阳能作为一种可再生 无污染的能源,对地球提供的能量是巨大的,每年 3x10 J,大约是现今人类每年消耗能量的 1万倍。 也就是说 ,只要在全球 0.1%的面积铺上具有 10%转换效率的太阳能电池,就能够满足全球的能 量供应 [1 3。 目前太阳能电池以硅固态结器件太阳能电池为 主。传统硅太阳能电池包括一个薄的n 电子传导 层、一个薄的p 空穴传导层和一个浅掺杂的P型 或 n型半导体吸收层。光子照射在半导体吸收层 上,产生电子一空穴对,n型半导体薄膜有良好的 电子传导能力,P型半导体薄膜则刚好相反。在pn 结两端施加电压,电子与空穴就分离开来形成电 流。 传统太阳能电池的光子吸收效率和电荷传导效 率相互制约。一方面,半导体吸收层厚度t必须大 于光子的入射深度 1/ct(Ol为吸收系数),才能保 证光子被充分吸收,吸收层厚度越大,则光子吸收 效率越高;另一方面,为了保证电子.空穴对在复 合前到达它们的传导层,半导体吸收层厚度t必须 小于电子和空穴在半导体材料中的扩散长度 。和 L ,半导体吸收层厚度越小,电荷传导效率越高 收稿日期:2006—07—25 . 。 /N0vember 2006 嚼ll 微纳电子技术 2006年第1 1期 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 . !■ 纳米器件与技术 一 Nan。e-en:。二 。。e。v。tce。& Te。chn。-。gy (如公式 1,图 1) 。 <£< ,Lh (1) a(hv、⋯‘ ’“ 其中a(hv)表示半导体材料对能量为 的光子的 吸收系数。 图 1 传统太阳能电池理想结构不意图 Fig.1 Structure of the conventional solar cell 与传统太阳能电池不同的是,纳米薄膜太阳能 电池的吸收层为纳米结构,可以有效地解决光子吸 收效率和电荷传导效率之间的矛盾 (如图2)。一 方面,纳米薄膜增大的界面面积可以提高光子吸收 效率,尽管它也增加了电子一空穴对的界面复合几 率;另一方面,虽然纳米薄膜吸收层厚度很大,但 薄膜间的距离很小,只要电荷扩散长度大于薄膜间 的距离,电子和空穴就能在复合前到达它们的传导 层。所以纳米结构可以有效地提高光子吸收效率和 电荷传导效率。 有机纳米薄膜太阳能电池。 2.1 无机异质结纳米薄膜太阳能电池 无机异质结纳米薄膜太阳能电池又称为超薄吸 收层太阳能电池,使用多孔 13型TiO:作为衬底, 中间用一层窄禁带半导体如CuInS _3 作为光子吸 收层 ,吸收层喷涂在多孔 TiO 表面。由于表面积 的增大和多重散射,这种薄膜具有很强的光子吸收 能力,而且由于吸收层禁带宽度很小,吸收的光谱 范围也增大。空穴传导层如 CuSCN[31或 ZnS[4- 被置于吸收层上面,形成一个异质 pin结。由于光 致电子散射发生在nm尺度,它比一般薄膜器件具 有更高的缺陷和杂质忍受能力,因为一般薄膜器件 的光致电子散射发生在 m尺度。 然而制造高接触面积的 pin结有很大的难度, 工艺上很难保证两种无机物紧密接触,阻碍了电池 的性能进一步提升,现阶段这种电池的转换效率大 约为5%,仅为相同材料薄膜电池的 1/3。 2.2 有机纳米薄膜太阳能电池 有机纳米薄膜太阳能电池包括由两种不同禁 带宽度的有机半导体材料组成的异质结太阳能电 池,如聚合物网络太阳能电池 ,或由n型无机 半导体氧化物、染料分子与P型空穴传导材料组成 的太阳能电池,如固态染料敏化纳米薄膜太阳能电 池 等。有机材料成本低,制备简单,容易与无 机物或其他有机物紧密接触,可以置于柔韧衬底材 料上,也可以选择不同的材料吸收太阳光谱的特定 部分,因此前景很好。 相比于传统的平带有机太阳能电池 ,传导 聚合物像 PPV或者 C60作为太阳能电池材料很有 吸引力 _8]。两种有机材料相互贯穿形成异质结, 使得载流子的扩散长度缩4,N了nm尺度,克服了 传统有机太阳能电池中载流子扩散长度和光子吸 收长度不 匹配 的问题 。在一种 混合 了 PPV和 Methanofullerene衍生物的太阳能电池中,入射 光子转换为电流的转换效率超过 了 50%,而在 全太阳光照射下整个系统的转换效率则超过了 2.5% [ 。然而这种电池在连续 日光的曝晒下性 能会迅速下降,如果想要聚合物太阳能电池得以 广泛应用 ,至少需要在太阳光下稳定工作超过 10000h 微纳电子技术 2006年第1 1期 0 . /November 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com 纳米器件与技术 Nanoelectronic Device & Teohnolo 2.3 染料敏化纳米薄膜太阳能电池 染料敏化纳米薄膜太阳能电池作为有机纳米薄 膜太阳能电池的一种,在近几年受到了广泛的关注 和研究。 染料敏化纳米薄膜太阳能电池主要包括透明电 极 TCO、纳米多孔氧化物薄膜、染料光敏化剂、 氧化还原电解质和反电极等几个部分 (如图3)。 衬底材料是纳米多孔氧化物薄膜,用来传导电子, 这层材料通常为TiO ,也有使用其他宽禁带半导体 材料如 ZnO [m 或者 Nb20 的 [“ ;附着在纳米多 孔氧化物薄膜表面的是一层单分子的染料光敏化 剂,用来吸收太阳光。电解质主要由可逆性好的氧 化还原电对组成,通常为I一与Ij化合物,主要起氧 化还原作用,并起到电子传输作用。光子激发产生 的电子从染料分子的激发态s 注入宽禁带半导体 氧化物的导带中,再从导带传导至电极,而失去电 子的染料分子则从电解质中重新获得电子,跃迁回 基态s,电解质再从反电极获得外电路传送过来的 电子,完成一个光电转换循环 (如图4)。图 4左 反电极 电解质层 染料 多孔膜 光阳极 图3 染料敏化纳米薄膜太阳能电池结构示意图 Fig.3 S~ eture of the dye—sensitized solar cell 一 0·5 O o.5 1.0 导电玻璃 /氧化钛 染料 电解液 阴极 图4 染料敏化纳米薄膜太阳能电池原理示意图 Fig.4 Principle of dye—sensitized nano-film solar cell 边为以 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 氢电极为参考的能量坐标。 由于染料敏化纳米薄膜太阳能电池将光子吸收 与电荷传导的流程分离开来,可以选用有较宽光谱 吸收范围的染料光敏化剂,如过渡金属 Ru或 Os 的配合物,基本可以覆盖从红外到紫外的整个光谱 范围,且使用寿命长,在太阳光下可以稳定使用 20年;另外,由于TiO 等半导体氧化物的禁带宽 度大,大于3.0 eV,降低了电子和空穴传导过程中 的复合几率。 然而,相比于传统的pn结太阳能电池,染料 敏化纳米薄膜太阳能电池的光电转换机理更为复 杂,因为电子传导过程中导带电子与电解质的还原 反应,纳米薄膜表面缺陷态以及半导体氧化物与染 料分子的接触界面等因素的影响,目前染料敏化纳 米薄膜太阳能电池的光电转换效率还无法与传统的 硅固态结器件相比。 根据电解质材料的不同,染料敏化纳米薄膜太 阳能电池主要分为液态光化学能、固态染料敏化纳 米薄膜和胶体准固态染料敏化纳米薄膜太阳能电池 三类。 2.3.1 液态光化学能太阳能电池 液态光化学能电池使用电解质溶液作为空穴传 导层,对纳米多孔氧化物薄膜渗透性好,溶液中离 子扩散速率快,光电转换效率高。最新的研究中这 种太阳能电池在AM1.5的日光照射下光电转换效 率超过了 lO% [1引。 然而液态光化学能电池存在的问题是电解质溶 液造成器件封装和稳定性不高,电解质溶液易挥发 和泄漏,长期使用性能下降。 2.3.2 固态染料敏化纳米薄膜太阳能电池 为了改善稳定性,使用固态电子和空穴传导材 料来制备固态染料敏化纳米薄膜太阳能电池。固态 P型半导体取代电解液作为空穴传导材料,与TiO 薄膜互相贯穿,形成一个大接触面积的异质结。因 为染料分子不能导电,所以必须与导电材料紧密接 触,而固态染料敏化太阳能电池中没有电解液可以 迅速中和失去电子的染料分子,在染料电池内部会 形成一个阻碍电荷分离的电场,影响电池的光电转 换效率。 第一个这种类型的器件用的是无机 P型半导体 N0vember 2006 @ 微纳电子技术 2006年第1 1期 维普资讯 http://www.cqvip.com 纳米器件与技术 Nanoelectronic Device & Technology 如CuI[14 或者CuSCN[153取代电解液作为空穴传 导材料,达到了预期 1%的效率。但是由于铜氧化 物缺少光学稳定性且很难形成良好的接触,使它的 应用受到了严峻挑战。 有机材料则可以解决上述问题。一个异质结空 穴传导材料可以轻易地通过旋转喷涂工艺吸附在多 孔 TiO 薄膜表面。这种方法形成的器件在全太阳 光谱下可以达到2.56%的光电转换效率 [163。 2.3.3 胶体准固态染料敏化纳米薄膜太阳能电池 到目前为止,半导体氧化物和P型半导体的 固.固界面接触不好,固态染料敏化纳米薄膜太阳 能电池的效率相当低。为了克服空穴传导材料的这 一 缺点,在电解质溶液中加入聚合物分子,形成凝 胶网络结构而使得液态电解质溶液固化,制备胶体 准固态染料敏化太阳能电池。 一 加入聚合物分子可以增加液态太阳能电池的热 稳定性和耐久度,但由于溶液中离子的扩散系数降 低,导致了短路电流下降,总的光电转化效率下 降。因为溶液中离子扩散系数和溶液中的聚合物分 子浓度有关,聚合物分子浓度越小,则离子的传导 系数越高,准固态染料太阳能电池的效率则越接近 液态光化学能太阳能电池的效率。在 Ryoichi Komiya等人 D7]的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 中,介绍了一种三维网络 结构的聚合物制备的准固态染料敏化太阳能电池, 使用低黏度的溶剂来提高离子的扩散系数,同时通 过优化聚合物组成电解液成分,在 AM1.5的日光 照射下达到 8.1%的光电转换效率。 3 结 论 本文简要介绍了纳米薄膜太阳能电池及其分 类,表 1比较了传统太阳能电池与纳米薄膜太阳能 电池的性能。纳米薄膜太阳能电池 ,特别是染料敏 化纳米薄膜太阳能电池已经成为传统固态太阳能电 池有力的竞争对手。 虽然目前效率仍然不高,但纳米薄膜太阳能电 池与其他太阳能电池相 比有几个方面的优点。首 先,纳米薄膜表面积增大,可以增加光子散射与吸 收;其次,由于它将光子吸收与电子传导流程分离 开来 ,可以针对两个流程分别进行优化;再次,有 机材料的使用使得纳米薄膜太阳能电池成本降低, 工艺复杂度下降。正是这些优越的特性吸引了人们 的目光,使它们具有广泛的市场和应用前景 [18]。 表1 传统太阳能电池与纳米薄膜太阳能电池 性能表 Table 1 Performance of Conventional So- Iar CelI and Nano-Film Solar Ce 太阳能 转换 效率 研究和发展趋势 电池类型 /% 单晶硅 24 提高良率 ,降低成本和能量消耗 多晶硅 28 降低制造成本和工艺复杂度 不定型硅 l3 降低产品成本,增加产品体积和稳定性 CuInS, l9 取代铟 (太贵,资源稀缺),规模化产量 聚合物网络 2-3 提高稳定性和转换效率 液态光化学能 lO~ll 提高器件封装和稳定性,规模化产量 固态染料敏化 2-3 提高转换效率 准固态染料敏化 7-8 提高转换效率,热稳定性 参考文献: [1]GRATZEL 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Prog Photovoltaic Res Applic,2000,8: 171—185. 作者简介: 李景琼 (1982一),男,湖南湘乡人 ,硕士研究生,上海交通 大学微电子学院,主要从事微电子器件与工艺及太阳能电池的研 究。 (上接第 511页) 发现厚层 GaAs材料的厚度偏差是曲线中Fringe条 纹角间距的主要影响因素 ;薄层 GaAs和 AlAs材 料厚度的极小偏离就会引起曲线中两个多层干涉 峰的位置偏差,而InGaAs材料的厚度偏差决定了 InGaAs衍射主峰的包络形状。 从动力学模拟结果中可以看出:In,Ga。咔As势 阱材料中In组分的偏差为2%,失配度为0.7%; 多层薄膜厚度的最大偏差为3.5%,完全满足一般 微波器件对外延材料厚度偏差的要求 (小于 5%~ 10%)。可见 RTD nm级薄层的生长实现了精细控 制。 4 总 结 在RTD材料的MBE生长中,探索出双生长速 率法和瞬态规避、束流拦截等一系列新技术,使 RTD多层nm级薄膜的生长实现了精细控制。x射 线双晶衍射分析结果显示:样品具有良好的晶体质 量和完美的异质结界面,薄层的厚度和三元化合物 的组分偏差都很小,完全满足器件使用要求,对 RTD器件性能的实现具有较大的现实意义。 /NoVember 2006 ; ; 参考文献: [1]王振坤 ,梁惠来 ,郭维廉.共振 隧穿二极管的设计和研制 [J].微纳电子技术,2002,7:13—16. [2]腾凤恩.x射线结构分析与材料性能表征 [M].北京:科学 出版社,1997:10—52. [3]CAPANO M A,KAVANAGH K L.Analysis of semiconductors by double—crystal X—ray diffractometry [J].The Rigaku Jour- nal, 1998,5:3-10. [4]BASSIGNANA I C,MACQUISTAN D A.Setting limits on the accuracy of X—ray determination of A1 concentration in A1一 GaAs/GaAs epitaxial layers [J].Journal of Crystal Growth, 1997, 172:25—36. 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