第三代太阳能电池研究进展ppt

1第三代太阳能电池研究进展第三代太阳能电池研究进展学生：刘胜导师：李灿研究员张文华研究员SeminarII2009.11.12中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室太阳能电池原理太阳能电池(SolarCell)利用光伏效应将太阳光能量直接转化成电能的装置光伏效应(PhotovoltaicEffect)光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象图1标准太阳能电池示意图太阳能电池分类图2三代太阳能电池成本与效率区间[1]第一代：晶体硅电池第二代：薄膜电池第三代：高级薄膜电池太阳能电池能量损失机理图3单节太阳能电池能量损失机理[2]①低能量光子损失②晶格热损失③和④P-N节和接触电压损失聚集太阳光，加大光子密度⑤电子和空穴复合损失①和②几乎达到能量损失的一半(1)增加能隙数量叠层电池、杂质光伏和多能带电池(2)高能光子产生多激子或多个低能光子产生单激子多激子电池(3)在热损失前将载流子俘获热载流子电池减少材料缺陷，延长载流子寿命美国可再生能源国家实验室澳大利亚新南威尔士大学叠层太阳能电池Tandemormulticolorcells图4太阳光谱和不同材料光谱相应范围[3]概念：1955,JacksonED[5]实验证明：1978,MoonRL昂贵的AlGaAs和Si聚光电池[6]1981,HamakawaY低成本的非晶硅薄膜电池[7]商品-太空1998,KaramNHGaInP2/GaAs/Ge两节和三节电池[8]商品-地面1998,YangJ非晶硅锗合金三节电池[9]图5(a)光谱分频；(b)电池堆叠[4,5]理论最高效率[1,10]P-N节1234…∞散射光31.0%42.5%48.6%52.5%…68.2%会聚光40.8%55.5%63.2%67.9%…86.8%叠层太阳能电池Tandemormulticolorcells图6带隙与晶格常数关系[3]图7热力学效率限制(500个太阳)[3]a)晶格匹配材料最易于制备，且易得到高晶化度。b,c)中间加入～1eV材料有利，但N对GaAs是致命缺陷。d,e)中间加入晶格失配材料，辅以缓冲层图8三节叠层电池简单示意图[12]图9六节叠层电池模型图[14]叠层电池效率(太阳)GaInP/GaAs/InGaAs[11],200733.8%(1)38.9%(81)GaInP/GaInAs/Ge[12],200732.0%(1)40.7%(240)33.2%(1)40.8%(326)GaInP/InGaAs/InGaAs[13],2008叠层太阳能电池Tandemormulticolorcells图10热载流子电池示意图[1,15](1)降低冷却速率，缩短收集距离：吸收层极薄，约几十纳米；量子阱和超晶格结构(2)电极连接点：连接点内载流子与晶格具有相同温度；共振隧穿器件或特殊结构避免光生载流子的非弹性碰撞热载流子的弹性碰撞皮秒级热载流子与晶格碰撞纳秒级电子与空穴重新复合微秒级～10nm图11热载流子电池效率趋势[4,16]Δμ=μ,化学势85.4%热载流子太阳能电池HotCarriercells图12量子点中多激子产生过程[2]多激子实验：Si,PbS,PbSe,PbTe,CdSe概念提出1972,DebandSaha[17]重新活跃1993-4,Kolodinski[18,19]硅电池分析图13多激子电池效率趋势[4]85.9%Würfel(俄歇复合)理论上限实验测试波长(nm)材料3.01.05[20]350250硅电池4.01.5[21]硅电池多激子太阳能电池MultipleElectron-HolePairsperPhoton图14中间能级太阳能电池示意图[2]图16四能带电池及其等效电路[4]概念提出1960Wolf[22]杂质电池吸收低能量光子严重缺陷1970,GuttlerandQueisserd电池复合增强[23]明显优势2002,BrownandGreena需在辐射限操作[24]图15三能带电池[4]图17量子阱电池(三能带)[4]杂质光伏和多能带太阳能电池ImpurityPhotovoltaicandMultibandCells(1)掺杂半导体(内部)；(2)量子阱、量子点超晶格(界面)63.2%图18热光伏转换示意图[4](1)接收器发射特定能量低能光子；(2)过低能量光子被反射回接收器，以保持接收器高温。概念提出1962,Fortini;1963,Wedlock[25]热光伏：热能-电能高效太阳能转换1979,Swanson[26]聚光硅太阳能电池1984,Swanson[27]热光伏太阳能电池ThermophotovoltaicandThermophotonicConversion稀土陶瓷窄带隙半导体(a)(b)(c)图19热光子转换概念图[4]概念提出1998,Green[28]2003,Harder[29]高温LED未实现单色光红外光85.4%18-25%光子晶体滤镜结论及展望(1)叠层太阳能电池发展迅速，已经开始应用，但仍需要继续优化，且与中间能级电池和光谱调制器件等结合，以缩短与效率理论上限的差距。(3)多激子电池实际效率无法提高，还需要一些新概念的突破。(6)提高太阳能电池效率的方法是相互制约的，不能只依靠一种技术，因此需要将多种技术相互结合起来，平衡发展。(2)热载流子电池具有与叠层电池一样的性能潜力，关键是发展减缓载流子冷却的方法和电极能量选择性接触的技术，如宽禁带窄导带半导体、共振隧道器件等。(4)多能带电池效率的提高得益于材料技术的进步，材料三维结构的控制将是急剧提升多能带电池性能的关键。(5)热光伏电池一直是研究最活跃的领域，目前的关键是提高发射能量的选择性；而新的热光子转换技术的出现有可能实现低级热量的高效转换。参考文献141MartinA.Green.Thirdgenerationphotovoltaics:Ultra-highconversionefficiencyatlowcost.ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications.2001,9(2),123-135.2GavinConibeer.Third-generationPhotovoltaics.MaterialsToday.2007,10(11),42-50.3FrankDimroth,SarahKurtz.High-EfficiencyMultijunctionSolarCells.MRSBulletin.2007,32,230-235.4MartinA.Green.ThirdGenerationPhotovoltaics:AdvancedSolarEnergyConversion.Springer:Berlin,2003,pp.59.5JacksonED.InTransactionsoftheConferenceonUseofSolarEnergy,Tuscon,Arizona,October31-November1,1955;122;JacksonED.USPatent2,949,498,August16,1960.6MoonRL,JamesLW,VanderPlasHA,YepTO,AntypasGAandChaiY(1978),MultigapsolarcellrequirementsandtheperformanceofAlGaAsandSicellsinconcentratedsunlight,ConfRecord,13thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference,Washington,DC,859-8677HamakawaY,OkamotoH,NittaYandAdachiT,PhotovoltaiccellarrayhavingmultipleverticalPINjunctions,USPatent4,271,328,June2,19818KaramNH,ErmerJH,KingRR,HaddaM,CaiL,JoslinnDE,KrutDD,TakahashiM,EldredgeJW,NishikawaJW,CavicchiBTandLillingtonDR(1998),HighefficiencyGaInP2/GaAs/Gedualandtriplejunctionsolarcellsforspaceapplications,Proceedings,2ndWorldConferenceonPhotovoltaicSolarEnergyConversion,Vienna,6-10July,3534-3539.9YangJ,BanerjeeA,LordKandGuhaS(1998),Correlationofcomponentcellswithhighefficiencyamorphoussiliconalloytriple-junctionsolarcellsandmodules,Proceedings,2ndWorldConferenceonPhotovoltaicSolarEnergyConversion,Vienna,6-10July,387-390.参考文献1410MartiA,AraujoGL.Limitingeffcienciesforphotovoltaicenergyconversioninmultigapsystems.SolarEnergyMater.SolarCells1996;43:203-222.11J.F.Geisz,SarahKurtz,M.W.Wanlass,J.S.Ward,A.Duda,D.J.Friedman,J.M.Olson,W.E.McMahon,T.E.Moriarty,J.T.Kiehl.High-efficiencyInP/GaAs/InGaAstriple-junctionSolarcellsgrowninvertedwithametamorphicbottomjunction.AppliedPhysicsLetters.2007,91(2),023502.12R.R.King,D.C.Law,K.M.Edmondson,C.M.Fetzer,G.S.Kinsey,H.Yoon,R.A.Sherif,N.H.Karam.40%efficientmetamorphicGaInP/GaInAs/Gemultijunctionsolarcells.AppliedPhysicsLetters.2007,90(18),183516.13J.F.Geisz,D.J.Friedman,J.S.Ward,A.Duda,W.J.Olavarria,T.E.Moriarty,J.T.Kiehl,M.J.Romero,A.G.Norman,K.M.Jones.40.8%efficientinvertedtriple-junctionsolarcellwithtwoindependentlymetamorphicjunctions.Appl.Phy.Let.2008,93(12),123505.14A.Barnett,C.Honsberg,D.Kirkpatricketal..50%EfficientSolarCellArchitecturesandDesigns,PhotovoltaicEnergyConversion[C].ConferenceRecordofthe2006IEEE4thWorldConferenceon,2006,2,2560～2564.15Jiang,C.-W.,etal.,21stEuroPVSEC,Dresden,Germany,(2006),168.16RossRTandNozikAJ(1982),Efficiencyofhot-carriersolarenergyconverters,JApplPhys53:3813-3818.17DebSandSahaH(1972),