淺析太陽(yáng)電池材料研究進(jìn)展

1、 HYPERLINK 太陽(yáng)電池池材料研研究進(jìn)展展太陽(yáng)電池池材料研研究進(jìn)展展摘要：近近年來(lái)，太陽(yáng)能能電池的的研究得得到突飛飛猛進(jìn)的的發(fā)展，顯然，這是新新材料和和新器件件結(jié)構(gòu)的的涌出以以及器件件機(jī)理研研究深入入的共同同結(jié)果。本文討討論了有有關(guān)利用用一V族化合合物材料料制備多多結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)電池和和基于有有機(jī)薄膜膜的太陽(yáng)陽(yáng)能電池池材料與與器件的的研究進(jìn)進(jìn)展。介介紹了多多結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)能的基基本工作作原理，疊層材材料的帶帶隙選擇擇和晶格格匹配以以及解決決晶格匹匹配問(wèn)題題的一些些方法。另外，對(duì)于有有機(jī)薄膜膜太陽(yáng)能能電池材材料，介介紹了其其基本工工作原理理，性能能優(yōu)越性性以及研研究者對(duì)對(duì)未來(lái)發(fā)發(fā)展前景景的展望望。關(guān)鍵

2、詞：一V族化合合物；多多結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)電池；晶格失失配；有機(jī)薄薄膜；光光伏Absttracct:In reccentt yeearss, ssolaar ccelllsdeevelloprrapiidlyy.Obviioussly,it is ressultt frrom thee deepthh reeseaarchh off thhe nnew matteriialss annd nnew devvicee sttruccturre aand emiissiion mecchannismm off thhe ddeviice.Thiss arrticcle disscusssed thhe uu

3、se of V ccomppounnd mmultti-jjuncctioon ssolaar ccelll maaterrialls aand preeparratiion of thiin ffilmm soolarr ceellss baasedd onn orrgannic matteriialss annd ddeviice ressearrch proogreess. Muultii-juuncttionn soolarr inntrooducced thee baasicc woorkiing priinciiplee off thhe bbandd gaap oof llami

4、inatted matteriial sellecttionn annd tthe lattticce mmatcchinng aand lattticce mmatcchinng tto ssolvve ssomee off thhe wwayss.In addditiion, orrgannic thiin-ffilmm soolarr ceell matteriialss, ddesccribbes itss baasicc woorkiing priinciiplees, perrforrmannce advvanttagees aand ressearrcheers on thee

5、ouutloook forr fuuturre ddeveeloppmennt.Keywwordd:-V ccomppounnd，Mullti-junnctiion sollar cellls，Lattticce mmismmatcch，Orgganiic tthinn fiilm，PV引言：太陽(yáng)能電電池是將將光能(太陽(yáng)光光能)轉(zhuǎn)換為為電能的的器件, 是一一種光伏伏器件, 于19554年在貝貝爾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室首次次發(fā)現(xiàn)。開(kāi)始的的研究主主要集中中于以單單晶硅為為活性材材料的無(wú)無(wú)機(jī)太陽(yáng)陽(yáng)能電池池, 當(dāng)時(shí)時(shí)貝爾實(shí)實(shí)驗(yàn)室報(bào)報(bào)道的器器件效率率為4%。無(wú)機(jī)太太陽(yáng)能電電池通常常是基于于p-nn結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)：p區(qū)存在在

6、過(guò)剩空空穴, n區(qū)存存在過(guò)剩剩電子, 在p-nn結(jié)附近近,由于p型和n型的突突變而形形成內(nèi)建建電場(chǎng)。材料吸吸收光后后產(chǎn)生的的電子空空穴對(duì), 通過(guò)過(guò)擴(kuò)散, 達(dá)到到p-nn結(jié)界面面, 在內(nèi)內(nèi)建電場(chǎng)場(chǎng)作用下下分開(kāi), 并分別別向2個(gè)電極極移動(dòng), 形成成光伏。一V族族化合物物多結(jié)太太陽(yáng)電池池，一直直都是太太陽(yáng)電池池發(fā)展的的熱點(diǎn)方方向。一一方面，一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池的實(shí)實(shí)驗(yàn)室效效率在大大氣質(zhì)量量已經(jīng)突突破400%(AMMl.5)11,2的紀(jì)錄錄，并仍仍在不斷斷刷新；另一方方面，以以GaAAs基電電池為代代表的一一批一V族化合合物太陽(yáng)陽(yáng)電池，已經(jīng)廣廣泛應(yīng)用用于宇航航系統(tǒng)的的能源供供應(yīng)，打打開(kāi)了一V

7、族化合合物多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池的應(yīng)應(yīng)用空間間。而有有機(jī)物是是最為廉廉價(jià)和最最具吸引引力的太太陽(yáng)能電電池材料料：一方方面由于于有機(jī)材材料合成成成本低低、功能能易于調(diào)調(diào)制、柔柔韌性及及成膜性性都較好好；另一方方面由于于有機(jī)太太陽(yáng)能電電池加工工過(guò)程相相對(duì)簡(jiǎn)單單,可低溫溫操作,器件制制作成本本也較低低.除此之之外,有機(jī)太太陽(yáng)能電電池的潛潛在優(yōu)勢(shì)勢(shì)還包括括：可實(shí)實(shí)現(xiàn)大面面積制造造、可使使用柔性性襯底、環(huán)境友友好、輕輕便易攜攜等。因因而有望望在手表表、便攜攜式計(jì)算算器、半半透光式式充電器器、玩具具、柔性性可卷曲曲系統(tǒng)等等體系中中發(fā)揮供供電作用用。一V族族材料制制備多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池1.多結(jié)結(jié)電池結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材材

8、料只能能吸收能能量大于于其帶隙隙的入射射光子，并且每每吸收一一個(gè)光子子最多只只能放出出一對(duì)電電子一空空穴對(duì)。也就是是說(shuō)，對(duì)對(duì)于能量量小于其其帶隙的的入射光光子，半半導(dǎo)體材材料是“透明”的；對(duì)對(duì)于能量量遠(yuǎn)大于于其帶隙隙的一個(gè)個(gè)入射光光子，半半導(dǎo)體材材料將其其吸收后后，也只只能放出出一對(duì)電電子空穴對(duì)對(duì)。多余余的能量量會(huì)以聲聲子輻射射的方式式轉(zhuǎn)換為為晶格振振動(dòng)的熱熱能，造造成能量量損失。太陽(yáng)輻輻射光譜譜在0.154cm的波波長(zhǎng)范圍圍內(nèi)均有有著較強(qiáng)強(qiáng)的分布布，要想想在這樣樣寬的波波長(zhǎng)范圍圍內(nèi)盡可可能多地地吸收太太陽(yáng)輻射射能量，并將其其轉(zhuǎn)化為為電能而而不是晶晶格振動(dòng)動(dòng)的熱能能，僅僅僅采用單單一禁帶帶寬度

9、的的單結(jié)電電池是難難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的。MMWollfc3先先后提出出了多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池的概概念。將將禁帶寬寬度不同同、能夠夠吸收不不同波長(zhǎng)長(zhǎng)區(qū)間太太陽(yáng)輻射射能量的的單結(jié)太太陽(yáng)電池池堆疊起起來(lái)，形形成疊層層結(jié)構(gòu)。這樣構(gòu)構(gòu)成的多多結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)電池，不僅能能夠擴(kuò)大大電池對(duì)對(duì)太陽(yáng)輻輻射光譜譜波長(zhǎng)的的利用范范圍，而而且還提提高了單單位波長(zhǎng)長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)內(nèi)的光電電轉(zhuǎn)換效效率，是太太陽(yáng)電池池設(shè)計(jì)理理念的一一次飛躍躍。2.疊層層材料的的帶隙選選擇和晶晶格匹配配問(wèn)題在AM(大氣質(zhì)質(zhì)量)11.5的標(biāo)準(zhǔn)光光照條件件下，應(yīng)應(yīng)用細(xì)節(jié)節(jié)平衡理理論44，一一個(gè)三結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池理論論上能夠夠達(dá)到的的最高效效率為449.7，而而一個(gè)四四結(jié)太陽(yáng)

10、陽(yáng)電池理理論上能能夠達(dá)到到的最高高效率為為53.65。要想想實(shí)現(xiàn)這這樣的最最優(yōu)轉(zhuǎn)換換效率，所選材材料的帶帶隙組合合就應(yīng)該該最大程程度地與與太陽(yáng)輻輻射光譜譜相匹配配。經(jīng)計(jì)計(jì)算，對(duì)對(duì)一個(gè)三三結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)電池，這樣的的最優(yōu)帶帶隙組合合應(yīng)該是是0.71，1.16和1.83 eV；對(duì)一個(gè)個(gè)四結(jié)太太陽(yáng)電池池，最優(yōu)優(yōu)帶隙組組合應(yīng)該該是0.71，1.13，1.55和2.13 eV。目前，以MOOCVDD為代表表的外延延生長(zhǎng)技技術(shù)只能能實(shí)現(xiàn)晶晶格匹配配材料的的疊層外外延生長(zhǎng)長(zhǎng)，而如如果采用用晶格完完全匹配配的材料料構(gòu)造多多結(jié)太陽(yáng)陽(yáng)電池，又很難難找到一一組材料料能夠完完全滿足足上述最最優(yōu)帶隙隙組合。最佳的的帶隙組組分

11、可以以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)太陽(yáng)輻輻射譜的的最大利利用，而而材料的的晶格匹匹配便于于外延生生長(zhǎng)的實(shí)實(shí)現(xiàn)，這對(duì)對(duì)矛盾限限制了一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池轉(zhuǎn)換換效率的的進(jìn)一步步提升。3.解決決方法針對(duì)這一一問(wèn)題，目前出出現(xiàn)了一一些新的的解決方方法：一一種是采采用漸變變緩沖層層結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)晶格格失配較較大材料料的外延延生長(zhǎng)；另一種種是尋找找?guī)对谠?.0eVV附近，以InnGaAAsN為為代表的的四元材材料盡量量滿足帶帶隙要求求和晶格格匹配；還有一一種是采采用低溫溫鍵合技技術(shù)，將將晶格失失配的材材料直接接鍵合在在一起。這些解解決方法法有的已已經(jīng)創(chuàng)造造了太陽(yáng)陽(yáng)電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率的新記記錄，有有的雖然然目前轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

12、換效率率還不高高，但是是提供了了一些具具備潛力力的新思思路。上述三種種方法中中，目前前能夠?qū)崒?shí)現(xiàn)最高高轉(zhuǎn)換效效率的是是采用漸漸變緩沖沖層的方方法。通通過(guò)采用用漸變緩緩沖層，失配和和位錯(cuò)都都能夠限限制在漸漸變緩沖沖層的區(qū)區(qū)域內(nèi)，從而大大大減小小了其對(duì)對(duì)漸變緩緩沖層以以上電池池結(jié)構(gòu)的的影響。漸變緩緩沖層技技術(shù)已成成為目前前晶格失失配太陽(yáng)陽(yáng)電池的的主流技技術(shù)。基于有機(jī)機(jī)薄膜的的太陽(yáng)能能電池材材料1.發(fā)展展概況有機(jī)太陽(yáng)陽(yáng)能電池池的研究究始于119599年,其結(jié)構(gòu)構(gòu)為單晶晶蒽夾在在2個(gè)電極極之間6, 器件件的開(kāi)路路電壓為為2000 mVV, 由由于激子子的解離離效率太太低使得得轉(zhuǎn)換效效率極低低。這方面面

13、研究的的重大突突破是119866年報(bào)道道的雙層層結(jié)構(gòu)染染料光伏伏器件7。器件以以酞菁衍衍生物作作為p型半導(dǎo)導(dǎo)體,以四羧羧基苝的的衍生物物作為nn型半導(dǎo)導(dǎo)體, 形成雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu), 功率率轉(zhuǎn)換效效率約為為1%。該研究究首次將將電子給給體(pp型)/電子子受體(n型)有機(jī)雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)的概概念引入入, 并解解釋了光光伏效率率高的原原因是由由于光致致激子在在雙層異異質(zhì)結(jié)界界面的光光誘導(dǎo)解解離效率率較高。19992年,研究發(fā)發(fā)現(xiàn)用共共軛聚合合物作為為電子給給體（D）和C60作為為電子受受體（A）8-112的的體系,這一發(fā)發(fā)現(xiàn),使聚合合物太陽(yáng)陽(yáng)能電池池的研究究成為新新的熱點(diǎn)點(diǎn)。繼而發(fā)發(fā)展的以以聚合

14、物物MEHH-PPPV做給給體，CC60衍生生物PCCBM作作為受體體的共混混材料制制備的本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)器件件,由于無(wú)無(wú)處不在在的納米米尺度的的界面大大大增加加了異質(zhì)質(zhì)結(jié)面積積,激子解解離效率率提高,使轉(zhuǎn)換效效率進(jìn)一一步提高高,達(dá)到2.9%13。在過(guò)去的的30年里里,人類投投入巨大大的精力力來(lái)研究究有機(jī)太太陽(yáng)能電電池,雙層異異質(zhì)結(jié)器器件、本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)器件件、混合合蒸鍍的的小分子子器件以以及有機(jī)機(jī)/無(wú)機(jī)雜雜化器件件的研究究都有了了長(zhǎng)足的的進(jìn)展。2.器件件結(jié)構(gòu)及及其工作作原理有機(jī)太陽(yáng)陽(yáng)能電池池的結(jié)構(gòu)構(gòu)，由單層層Schhotttky器器件開(kāi)始始，相繼發(fā)發(fā)展了雙雙層異質(zhì)質(zhì)結(jié)、本本體異質(zhì)質(zhì)結(jié)、分分子D

15、-A結(jié)，以及基基于以上上單元結(jié)結(jié)構(gòu)的級(jí)級(jí)聯(lián)器件件等。除了要要求活性性材料有有較高的的太陽(yáng)光光譜吸收收能力，有機(jī)光光伏器件件中激子子解離是是提高器器件效率率的最重重要因素素。與無(wú)機(jī)機(jī)光伏器器件吸收收光后產(chǎn)產(chǎn)生自由由電子空空穴對(duì)不不同，有機(jī)材料料在吸收收光后，產(chǎn)生流流動(dòng)的激激發(fā)態(tài)(即束縛縛電子空空穴對(duì))。由于激激子中電電子空穴穴對(duì)之間間庫(kù)侖作作用較大大，同時(shí)有有機(jī)物介介電常數(shù)數(shù)較小，使激子子解離需需要的能能量高于于熱能kkT14,15,因此，有機(jī)材材料激子子解離困困難，不易形形成自由由載流子子。不同的器器件結(jié)構(gòu)構(gòu)中，激子解解離的機(jī)機(jī)制有所所不同。3.展望望雖然有機(jī)機(jī)太陽(yáng)能能電池的的功能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率

16、已經(jīng)達(dá)達(dá)到了55%6%，應(yīng)用前前景已經(jīng)經(jīng)初見(jiàn)曙曙光。但是，與成熟熟的無(wú)機(jī)機(jī)太陽(yáng)能能電池相相比，有機(jī)太太陽(yáng)能電電池?zé)o論論從性能能、機(jī)理理還是穩(wěn)穩(wěn)定性等等許多方方面都尚尚處于初初級(jí)階段段。因此，進(jìn)一步步地借鑒鑒無(wú)機(jī)太太陽(yáng)能電電池的成成熟技術(shù)術(shù)及研究究思路將將會(huì)對(duì)有有機(jī)太陽(yáng)陽(yáng)能電池池的研究究起推動(dòng)動(dòng)作用;機(jī)理的的深入研研究,可指導(dǎo)導(dǎo)功能材材料的合合成、發(fā)發(fā)展出新新型的器器件結(jié)構(gòu)構(gòu);結(jié)合有有機(jī)材料料、無(wú)機(jī)機(jī)材料、納米材材料的不不同優(yōu)點(diǎn)點(diǎn),有機(jī)/無(wú)機(jī)雜雜化器件件以及引引入納米米材料的的研究將將會(huì)繼續(xù)續(xù)維持該該領(lǐng)域的的熱點(diǎn);利用分分子D-A結(jié)材材料制作作性能優(yōu)優(yōu)良的單單層有機(jī)機(jī)太陽(yáng)能能電池,對(duì)該類類材料以

17、以及器件件的制備備工藝都都將是一一大挑戰(zhàn)戰(zhàn);隨著器器件性能能日益提提高,穩(wěn)定性性研究也也將提到到日程上上來(lái)。結(jié)語(yǔ)：無(wú)論是一V族化合合物多結(jié)結(jié)太陽(yáng)電電池還是是有機(jī)太太陽(yáng)能電電池,在其幾幾十年的的發(fā)展歷歷程中已已經(jīng)取得得了長(zhǎng)足足的進(jìn)步步，太陽(yáng)陽(yáng)電池的的轉(zhuǎn)換效效率不斷斷得到提提高。隨隨著人們們進(jìn)一步步的探索索,太陽(yáng)能能電池將將挑戰(zhàn)更更高的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和更廣廣闊的應(yīng)應(yīng)用空間間。參考文獻(xiàn)獻(xiàn)：1.KINNG RR R.LAWW D C.EEDMOONDSSON K MM 400% eeffiicieent mettamoorphhic GaIInP/GaIInAss/Gee muultiijunnctii

18、on sollar cellls220077(188)2.GUTTER W.SSCHOONEJJ.PHHILIIPPSS S P CCurrrentt-maatchhed triiplee-iuuncttionn soolarr ceell reaachiing 41.1% connverrsiooneffficcienncy undder conncenntraatedd suunliightt 20009(22)3.WOLLF MM Liimittatiionss annd pposssibiilittiess foor iimprroveemennt oof pphotto-vvoltt

19、aicc soolarr ennerggy cconvvertterss:PaartII:Coonsiiderratiionss foor eeartthss suurfaace opeerattionn 19960(7)4.SHOOCKLLEY W.QQUEIISSEER HH J Dettailled ballancce llimiit oof eeffiicieencyy off p-n jjuncctioon ssolaar ccellls 119666(3)5.5.MARRTI A.AARAUUJO G LL Liimittingg effficciennciees ffor pho

20、oto-volltaiic eenerrgy connverrsioon iin mmulttigaap ssysttemss19996(22)6.PTAAK AA J.FRIIEDMMAN D JJ.KUURTZZ S Loww-acccepp-toor-cconccenttrattionn GaaInNNAs groown by mollecuularr-beeam epiitaxxyfoor hhighh-cuurreent p-ii-n sollar celll aappllicaatioons 20005(99)7.KURRTZ S RR.KLLEM J FF.ALLLERRMANN

21、 A A MMinooritty ccarrrierr diiffuusioon aand deffectts iin IInGaaAsNN grrownn byymollecuularr beeam epiitaxxy 220022(8)8.GEIISZ J FF.KUURTZZ S.WANNLASSS MM W Higgh-eeffiicieencyy GaaInPP/GaaAs/InGGaAss trriplle-jjuncctioon ssolaar ccellls ggrowwninnverrtedd wiith a mmetaamorrphiic bbotttom junnctii

22、on 20007(22)9.KONNDOWW M.KITTATAANI T.NNAKAATSUUKA S GGaInnNAss:a novvel matteriial forr loong-wavveleengtth ssemiiconnducc-toor llaseer19997(33)10.KURRTZ S RR.MYYERSS D.OLSSON J MM Prrojeecteed pperffor-mannce of thrree-andd foour-junnctiion devvicees uusinng GGaAssandd GaaInPP 1999711.KUURTZZSR.ALLLERMMANAAA.JJONEES EE D InGGaAssN ssolaar