熱載流子太陽能電池：原理、材料和設(shè)計(jì)

中南大學(xué)物理與電子學(xué)院論文題目：熱載流子電池的原理、材料和設(shè)計(jì)姓名：江浩課程：光電子學(xué)指導(dǎo)教師：許雪梅學(xué)號(hào)：13221204912453太陽能電池簡介太陽能電池發(fā)電原理能量損失機(jī)制熱載流子冷卻動(dòng)力學(xué)目錄器件兩端的接觸

1太陽能電池簡介太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。什么是太陽能電池返回

1太陽能電池簡介按照技術(shù)成熟分類：第一階段：晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)24.7%技術(shù)最成熟市場90%份額第二階段：薄膜電池較晚起步轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)13%第三階段：新概念太能電池包括熱載流子太陽能電池起步最晚但前景很好返回性能參數(shù)（1）開路電壓UOC將太陽能電池置于100mW/cm2的光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽能電池的輸出電壓值。（2）短路電流ISC將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過太陽能電池兩端的電流。（3）最大輸出功率連接合適負(fù)載電阻的最大輸出功率（4）轉(zhuǎn)換效率連接最佳負(fù)載時(shí)n=輸出功率/太陽光照能量1太陽能電池簡介返回2論文信息論文題目：熱載流子電池：原理，材料和設(shè)計(jì)期刊：物理學(xué)E：低維系統(tǒng)和納米結(jié)構(gòu)，2010年，第42卷（10），pp.2862-2866來源數(shù)據(jù)庫：ElsevierJournal（愛思唯爾數(shù)據(jù)庫）作者：D.K¨oniga,_,K.Casalenuovoa,b,Y.Takedac,G.Conibeera,J.F.Guillemolesd,R.Pattersona,L.M.Huangd,a,M.A.Green作者單位：澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)ARC卓越光伏中心返回3熱載流子太陽能電池發(fā)電原理返回半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生帶正電和負(fù)電的粒子（空穴和電子），在內(nèi)建電場作用下，電子（－）朝N型半導(dǎo)體匯集，而空穴（＋）則朝P型半導(dǎo)體匯集。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢。太陽電池發(fā)電原理示意圖3熱載流子太陽能電池能量損失機(jī)制返回?zé)釗p失:被吸收的光生載流子通過向能帶釋放聲子的形式將大于禁帶寬度的那部分能量損失掉。電子-空穴對的重新復(fù)合引起的能量損失。這種復(fù)合可以通過消除所有不必要的缺陷延長載流子的壽命來抑制。如⑤

還有一種能量損失是低于禁帶寬度的能量損失，如①，能量小于禁帶寬度的光子不能被吸收所造成的損失。3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子電池示意圖返回3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（1）激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)；（2）激發(fā)后的“想干分布”階段；（3）載流子散射碰撞；（4）熱載流子的熱能化；（5）載流子冷卻；（6）晶格熱能化載流子；（7）載流子復(fù)合；（8）回到熱平衡狀態(tài)3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（1）激發(fā)前的熱平衡狀態(tài)：載流子濃度符合玻爾茲曼分布。載流子占據(jù)能態(tài)的概率隨遠(yuǎn)離帶邊距離指數(shù)下降；但可占有的能態(tài)數(shù)量增加。從而得到如圖所示的單峰形分布。3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（2）激發(fā)后瞬間，載流子濃度呈“想干迭加”狀分布：受太陽光激發(fā)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)光生載流子迭加在原來平衡狀態(tài)的分布上。價(jià)帶中載流子分布離禁帶邊的距離比導(dǎo)帶中載流子的距離大，這是由于價(jià)帶中有效質(zhì)量比導(dǎo)帶中大。3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（3）載流子散射碰撞：在這個(gè)過程中，載流子之間相互碰撞，其能量分布趨于一個(gè)更穩(wěn)定有規(guī)律的分布，最終趨于平衡狀態(tài)。在該狀態(tài)仍符合玻爾茲曼分布，但其所對應(yīng)的平衡溫度比熱平衡所對應(yīng)的溫度高。能量只重新分配，并無損失。3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（4）-（6）載流子熱能化：在這一過程中，載流子與晶格熱碰撞，發(fā)射聲子，造成能量損耗載流子數(shù)量不變，但其能態(tài)分布、對應(yīng)的“溫度”不斷下降。直至與晶格溫度一致。3熱載流子太陽能電池?zé)彷d流子冷卻動(dòng)力學(xué)返回（7）載流子復(fù)合：多余電子-空穴對的復(fù)合。這個(gè)過程中載流子數(shù)量開始減少，并最終趨于平衡態(tài)。（8）載流子從新回到穩(wěn)定態(tài)3熱載流子太陽能電池器件兩端的接觸返回吸收層兩端接觸材料中的載流子與吸收層平衡狀態(tài)的溫度相同。如果直接與熱載流子剛性碰撞，會(huì)導(dǎo)致熱載流子的冷卻，損耗能量。如果熱載流子只有一個(gè)很窄范圍的能帶與接觸材料平衡，則會(huì)減少這種效應(yīng)。兩種實(shí)現(xiàn)方式：（1）選擇能量式接觸（2）通過共振量子隧穿3熱載流子太陽能電池器件兩端的接觸返回選擇能量式接觸：通過帶寬很寬，但價(jià)帶和導(dǎo)帶很窄的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)3熱載流子太陽能電池器件兩端的接觸返回通過共振量子隧道實(shí)現(xiàn)。理想狀態(tài)下，能量在半導(dǎo)體量子阱寬能級(jí)狀態(tài)的載流子可以在吸收體和接觸之間隧穿4結(jié)論返回共振隧道二極管可用作熱載流子器件兩端的接觸吸收體的尺寸必須很小，使載流子在冷卻錢被吸收低維器件應(yīng)該非常適用于熱載流子器件BB