納米技術在光電池中的運用

李俊杰

402505530太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。什么是太陽能電池？1.成本每千克硅的價錢可達到200多美元！2.轉(zhuǎn)換效率太陽能電池銷售價4.0－4.2美元/W相比化石燃料昂貴太多！太陽能電池存在的問題減少硅的使用更薄的太陽能電池更高的光吸收效率納米技術降低成本人類面臨的的挑戰(zhàn)在推動經(jīng)濟發(fā)展的同時減少溫室氣體的排放，如二氧化碳少數(shù)幾個國家占有了超過80%的全球石油和天然氣儲量，但是大部分這些國家都位于遠離主要能源消費大國。

為什么要使用太陽能太陽能傳送到地球的能量23000TW全世界每年消耗能量16TW>>按基體材料分類硅太陽能電池單晶硅太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池多晶體太陽能電池硫化鎘太陽能電池硒銦銅太陽能電池碲化鎘太陽能電池砷化鎵太陽能電池磷化銦太陽能電池有機聚合太陽能電池染料敏化太陽能電池納米晶電池多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣，但是銦和硒都是比較稀有的元素多晶體薄膜太陽能電池由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。聚合物太陽能電池可以在200℃環(huán)境下制造，但轉(zhuǎn)換效率低，且無法保證至少20年的基本使用壽命。有機聚合物電池納米晶電池其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。染料敏化太陽(一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中)能電池的制造成本很低，這使它具有很強的競爭力。它的能量轉(zhuǎn)換效率為12%左右。納米晶和染料敏化電池均處于開發(fā)階段所以盡管硅太陽能電池有種種缺點，但畢竟Si容易獲得，沒有毒性，穩(wěn)定持久，所以依然為行業(yè)主導！降低成本減小厚度提高光的吸收率目的方法光吸收率的提高A.Photonmanagement:antireflectionB.Photonmanagement:light-scatteringC.Fabrication:nanostructure

A.Photonmanagement:antireflection

常用降低反射的方法ANewWay可以由多層與漸變折射指數(shù)的沉積來實現(xiàn)進一步減少反射。為了一個理想的漸變折射率分布的結(jié)構(gòu)，通過納米尺度的表面紋理研究，找到合適了的錐形結(jié)構(gòu)。當光入射角從零增加到60°的入射角，光的吸收在納米錐結(jié)構(gòu)中保持在90％以上，但thinfilm結(jié)構(gòu)從80％減小至50％納米結(jié)構(gòu)可以比thinfilm結(jié)構(gòu)少一個太陽跟蹤系統(tǒng)，從而節(jié)省了成本從圖上可以看到nanocone的吸收率高于planar，而且隨著T的增大，吸收頻譜會增大，在planar中增加減反射層會大大提高吸收率增加光在吸收材料中的光程可以有效提高光的吸收率B.Photonmanagement:light-scattering

YablonovitchlimitYablonovitch

limitcannotbeapplicabletothelighttrappingeffectfromnanostructures納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超出Yablonovitch限制隨機結(jié)構(gòu)的粗糙度>>光的波長，但是納米結(jié)構(gòu)卻相反onvariousperiodicnanostructures

nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells.有序的納米陣列會使入射光散射和集體共振，從而提高光的吸收效率陷光效應（lighttrappingeffect）nanowires1.光吸收長波長的光主要取決于納米線的直徑2.納米線層厚度越大吸收的光越多3.

200-400納米半徑的Si陣列具有0.3-0.6的填充比率納米線可以達到最高的光吸收nanoholes提高光吸收方法：1.降低Si的填充率低填充率意味著空氣與硅納米結(jié)構(gòu)有著相近的折射率，這時候反射會比較小2.晶格常數(shù)增加晶格常數(shù)越大會增大numberofwaveguidemodes當納米孔的直徑與波長差不多長的時候，光吸收率最大，直徑遠小于波長的時候大部分光會被反射當吸收體的的厚度減小到幾十微米的時候，人們發(fā)現(xiàn)納米錐并不是最佳的對于一個50?

μ微米厚1，縱橫比接近1，導致在最高的光電流[圖

（b）]。當基片的厚度降低到10?

μ

m時，趨勢變得更加明顯，當縱橫比從4變到1，光吸收率增加17%a的吸收率接近限制范圍在300nm-800nm時b的吸收率更高在800nm-1100nm時c的吸收率更高因為在c的底部會將長波長的光反射回來d是planar

thin

Si

substrate，作為對照

1.alargerperiodleadstomoreguidedresonancemodes2.eachoftheguided

resonancemodesislikelytoleaktomoreexternalchannels

withlargerperiod周期的納米錐陣列需要考慮兩個問題+最佳的周期100nm對于非晶硅（a-Si:Hsolarcell）

nanodomes

短波長的光可以在前幾層被吸收，添加納米級的銀拱面鏡后長波長的光通過后會被反射回來，從而提高了吸收率會使光在內(nèi)部全反射不僅可以增加光程而且可以拓寬光的吸收峰Whisperinggallerymode(WGM)resonators光共振腔周期性結(jié)構(gòu)如nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells盡管比隨機結(jié)構(gòu)具有更高的光吸收效率，但是，周期結(jié)構(gòu)與隨機結(jié)構(gòu)是有著相同的轉(zhuǎn)換效率吸收效率問題C.Fabrication:nanostructure一種用于半導體工業(yè)中制造納米結(jié)構(gòu)最常用的方法是光刻法，它可以很容易的制造亞微米級圖案。然而，這種發(fā)展良好，廣泛使用的技術制造太陽能電池成本過高。相反，各種可取代的方法應運而生。這些替代品種，膠體刻蝕已經(jīng)被廣泛應用，因為他可以做到100nm以下不需要復雜的設備。最常用于制造納米結(jié)構(gòu)的是半導體產(chǎn)業(yè)的光刻法，但是由于價格昂貴，所以不適用于太陽能電池的納米結(jié)構(gòu)的制造，所以出現(xiàn)了很多替代方法，最常見的就是膠體刻蝕法，可以不需要復雜的設備就能得到100nm以下的結(jié)構(gòu)。C.Fabrication:nanostructure

Challengeofnanostructure

plasmoniceffect(等離激元效應)可以為下一代的太陽能電池提供新的方向，在吸收層可以顯著散射入射光，提高光吸收率，但是同樣