第6章-第三代太阳能电池

6.1概述主要内容：1、复习太阳能发电过程中的能量损失2、讨论太阳能电池转换效率极限的意义3、太阳能电池效率极限的方法4、肖克来（Shockley-Queisser)极限效率的计算过程5、理论极限效率中的损耗分析，第三代太阳能电池概念6.1概述太阳能发电过程中的三大能量损失：1、光学损失2、光电转换比例损失3、电流传输过程中的损失E0图1ITI0IR太阳光反射光射入光太阳能电池产生电能输出电能E内耗电能透射光6.1概述太阳能发电过程中的三大能量损失：E0图1ITI0IR太阳光反射光射入光太阳能电池产生电能输出电能E内耗电能透射光前电极栅线损失后表面透射损失前表面反射损失光学损失6.1概述太阳能发电过程中的三大能量损失：高于带隙的能量损失体、表面复合俄歇复合辐射复合各种复合损失吸收低于材料带隙的光不被转换比例损失6.1概述太阳能发电过程中的三大能量损失：电池漏电损失电池串联电阻损失电流传输损失有些损失可以通过电池工艺技术改进来减少和消除。然而另外一些损失具有物理本质规律，采用普通方法无法减少或消除。6.1概述讨论太阳能电池转换效率极限的意义：1、为太阳电池发展方向提高参考方向，能更好理解电池转换效率的发展历程；2、对于技术的改进提供参考依据。6.1概述太阳能电池极限效率的几种推算方法：1、基于能量守恒定律的推算；2、根据卡若循环原理推算；3、肖克来（Shockley-Queisser)详细平衡的计算法6.1概述太阳能电池极限效率的几种推算方法：1、基于能量守恒定律的推算；根据能量转换守恒定律，可以推算出极限效率为100%。6.1概述太阳能电池极限效率的几种推算方法：2、根据卡若循环原理推算；考虑发出太阳能光谱的热源温度T1为6000K，电池的使用温度T2为300K。根据卡若循环原理，可以通过下式计算转换效率。12-1TT%956000300-16.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：推算的前提条件；1、无光学损失；2、电流传输过程中的损失为0，即无电流传输损失；3、无体复合、表面复合、俄歇复合，仅考虑辐射复合，实际上无各种复合损失；4、低于材料带隙的光子不被电池吸收；5、一个光子只产生一个电子；6、高于带隙的能量将以热量的形式损失掉。6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：推算的主要损失；1、低于材料带隙的光子不被电池吸收；2、一个光子只产生一个电子；3、高于带隙的能量将以热量的形式损失掉。导带价带ΔE6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：推算的原理；利用下面效率的计算式，根据前面的三种能量损失，分别计算出电池的短路电流、开路电压、填充因子三个电参数，从得出效率极限。光IFFUIOCSC6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：短路电流的计算；短路电流等于光生电流，等于单位时间通过电池横截面的电量，电量等于电子数乘以电子电量，电子数等于光子数。2TEfqAIIgwphSC2/232233212kTExggedxxTchkTE6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：短路电流的分析；短路电流只与材料的带隙有关，带隙越小短路电流越大。6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：开路电压的计算；开路电压与光生电流和饱和电流有关。01ln2IIUphqkTOC21exp20kTEggeCkTEcI6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：开路电压的分析；开路电压与材料的带隙有关，带隙越大，开路电压越大。EgV0C6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：填充因子的计算；对于无传输能量损失，填充只于开路电压有关。172.0ln00OCOCCVVVFFFFqkTUVOCOC/26.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：填充因子的分析；开路电压越大，填充因子越大。即带隙越大，填充因子越大。EgFF6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：极限效率的分析；EgV0CEgFF光IFFUIOCSC6.1概述（Shockley-Queisser）详细平衡的计算法：极限效率的分析；极限效率仅与电池材料的带隙有关，当电池材料带隙为0时由于电压为0，所以转换效率为0。当电池材料带隙非常大时由于短路电流为0，所以转换效率也为0。只有在某一带隙时极限效率最大。6.1概述由于物理本质导致极限效率损耗的因数：1、光子能量大于带隙时，大于带隙的那部分能量以热的形式散发出去（占33%）。2、低于带隙的光不被吸收而从电池透射出；（占23%)。6.1概述由于物理本质导致极限效率损耗的因数：3、PN结和接触处的电压损失。作业1、简述二氧化钛染料敏化电池的工作原理（过程）；2、简述染料敏化电池的优点和缺点；3、肖克来（Shcokley-Queisser）效率极限计算没有考虑了哪些损失？6.2量子阱太阳能电池主要内容：1、第三代太阳能电池技术的类型2、各种太阳能电池技术的特点3、量子点和量子阱太阳能电池6.2量子阱太阳能电池第一、二代太阳能电池极限效率的损耗因数：1、光子能量大于带隙时，大于带隙的那部分能量以热的形式散发出去（占33%）；2、低于带隙的光不被吸收而从电池透射出（占23%)；3、PN结和接触处的电压损失6.2量子阱太阳能电池第三代太阳能电池技术的主要类型：1、多载流子产生技术一个光子产生两对（或者两对）以上电子空穴对。2、热载流子电池技术产生的高能电子在放热前被快速导出。导带价带ΔE6.2量子阱太阳能电池第三代太阳能电池技术的主要类型：3、叠层太阳能电池将不同带隙的电池堆叠在一起。4、多带隙太阳能电池技术通过特殊材料设计，在禁带中间引入中间带隙和杂质能级。5、利用光谱转换材料6.2量子阱太阳能电池第三代太阳能电池技术的主要类型：6、聚光太阳能电池技术采用聚光可以减少电压损失。7、表面等离子体电池技术通过特殊材料设计，在禁带中间引入中间带隙和杂质能级。8、纳米天线太阳能电池技术6.2量子阱太阳能电池主要内容：1、第三代太阳能电池技术的类型2、各种太阳能电池技术的特点3、量子点和量子阱太阳能电池6.2量子阱太阳能电池1、多载流子电池技术原理：高能光子首先产生电子空穴对（e1、h1），随后多余的能量（hv-Eg）用于产生第二对电子空穴对（e2、h2）。导带价带ΔE6.2量子阱太阳能电池多载流子电池材料特点：1、材料具有较低的间接带隙，第二带隙应为具有强光子吸收的直接带隙，2、带隙结构必须使一个光子能够产生热载流子和冷载流子，3、平行带（导带和价带）具有强吸收，4、存在几个直接带隙以便吸收太阳光谱中大部分蓝光。6.2量子阱太阳能电池1、多载流子电池技术原理：在没有聚光的情况下理论最大转换效率为43%，在最大聚光情况下，理论最大转换效率为85%。6.2量子阱太阳能电池2、热载流子电池技术原理：载流子收集必须发生在载流子冷却阶段之前，即载流子必须迅速穿越电池或者采用某种方法减慢载流子的冷却速率。这需要特别的接触来阻止载流子的冷却。导带价带ΔE这种电池的理论效率极限接近无限叠层电池极限效率的86.8%。6.2量子阱太阳能电池2、热载流子电池的结构：热载流子电池由三明治结构。带有特殊单能量接触的选择性膜片，其仅允许具有中心能量Ee附近的电子通过。另外一边的选择性膜片，仅允许具有中心能量Eh附近的空穴通过。6.2量子阱太阳能电池3、叠层电池的原理：为了消除热损失，要求被吸收光子的能量仅仅比电池带隙高一点点，这就导出了叠层电池的概念。对独立工作电池的无限堆叠进行计算，直射太阳光转换效率为86.8%。导带Ⅱ导带Ⅰ价带6.2量子阱太阳能电池3、叠层电池的结构：GaInP顶电池带隙为1.89电子伏特，GaAs中间电池的带隙为1.42电子伏特，Ge底电池的带隙为0.67电子伏特。6.2量子阱太阳能电池4、多带隙太阳能电池技术：通过对基质材料进行修饰产生中间能级或中间能带，中间能级或中间能带又产生多个能隙，以便吸收宽能量范围的光子。通过带隙中的杂质态进行两步产生，来利用次带隙光子（能量低于带隙的光子）。6.2量子阱太阳能电池5、利用光谱转换材料：普通的硅太阳电池，当光子能量在1.12电子伏特时其转换效率最高，接近100%。所以将太阳光谱转换能量在1.12电子伏特的光子，普通硅太阳电池转换效率会得到很大的提升。将高能光子转化为低能光子材料应在电池的前端，而将低能光子转化为高能光子材料应在电池的后端，并配有反射装置。6.2量子阱太阳能电池7、利表面等离子体电池技术：使用表面等离子体可以使特定波长光子的吸收得到选择性的提高。金属颗粒覆盖在电池的表面，且金属颗粒的尺寸远小于光子的波长。图是20纳米到100纳米的银颗粒覆盖的情况，对于波长大于700纳米的光子吸收增强明显。6.2量子阱太阳能电池8、纳米天线太阳能电池技术：采用纳米材料结构，利用光是一种电磁波，利用天线对电磁波吸收的原理制成。6.2量子阱太阳能电池主要内容：1、第三代太阳能电池技术的类型2、各种太阳能电池技术的特点3、量子点和量子阱太阳能电池6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池—量子点材料：量子点(QuantumDots一QDs)是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。是指颗粒半径(或三个维度的尺寸)小于材料激子玻尔半径的金属或半导体颗粒，因此量子点又被称为“人造原子”。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池—量子点材料特点：1、具有多载流子效应：一个光子产生多个电子-空穴对。2、具有热载流子效应：在量子点中，热载流子冷却速率会戏剧性地减少。3、具有多带隙的特征。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能的结构类型：1、PiN结构量子点太阳能电池。2、染料敏化量子点太阳能电池。3、量子点分布在有机物太阳能电池中。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池结构类型及特点：1、PiN结构量子点太阳能电池。量子点结构位于电池的i层。起到吸收太阳能光，产生载流子的作用。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池结构类型及特点：2、染料敏化量子点太阳能电池。量子点敏化电池是用量子点替代染料分子。相对于染料分子，量子点具有光学特性可调、与固态空穴导体形成更好的异质结、以及具有多载流子效应等优势。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池结构类型及特点：2、染料敏化量子点太阳能电池。量子点敏化叠层电池，采用不同带隙宽度的量子点材料吸收不同波段的太阳光。6.2量子阱太阳能电池量子点太阳能电池结构类型及特点：3、量子点分布在有机物太阳能电池中。量子点分散在电子导电聚合物和空穴导电聚合物的混合物中（是基于量子点发光二极管的反结构）。6.2量子阱太阳能电池主要内容：1、第三代太阳能电池技术的类型2、各种太阳能电池技术的特点3、量子点和量子阱太阳能电池6.2量子阱太阳能电池量子阱太阳能电池结构类型：1、量子阱电池采用p-i-n结构；2、i层为电池的吸光材料，采用量子阱结构；3、量子阱是厚度满足某种条件的薄膜，包括多层交替分布的势垒层和势阱层6.2量子阱太阳能电池量子阱太阳能电池结构类型：4、i层能带结构6.2量子阱太阳能电池应力平衡量子阱太阳能电池特点：1、吸光范围可以调节，易于做成多结叠层；2、晶体结构缺陷少；3、在高倍（大200倍）聚光应用的情况下，能够重新吸收辐射复合发出的光子发电；6.2量子阱太阳能电池应力平衡量子阱太阳能电池特点：4、具有更高的开路电压，因为饱和电流低。6.3纳米太阳能电池主要内容：1、纳米太阳能电池概念2、纳米太阳能电池种类3、纳米太阳能电池优点6.3纳米太阳能电池纳米太阳能电池概念将纳米技术应用于太阳能电池或太阳能电池中具有纳米结构，都可叫纳米太阳能电池。6.3纳米太阳能电池纳米太阳能电池种类1、铂（Pt）电极纳米化2、丛林状或织物