浅析太阳电池材料研究进展32581.docx

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1、太阳电池材材料研究究进展太阳电池材材料研究究进展摘要：近年年来，太太阳能电电池的研研究得到到突飞猛猛进的发发展，显显然，这这是新材材料和新新器件结结构的涌涌出以及及器件机机理研究究深入的的共同结结果。本本文讨论论了有关关利用一V族化合合物材料料制备多多结太阳阳电池和和基于有有机薄膜膜的太阳阳能电池池材料与与器件的的研究进进展。介介绍了多多结太阳阳能的基基本工作作原理，叠层材料的带隙选择和晶格匹配以及解决晶格匹配问题的一些方法。另外，对于有机薄膜太阳能电池材料，介绍了其基本工作原理，性能优越性以及研究者对未来发展前景的展望。关键词：一V族化合合物；多多结太阳阳电池；晶格失失配；有机薄薄膜；光光伏

2、Abstrractt: In reccentt yeearss, ssolaar ccellls devveloop rappidlly. 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 uuse of V ccomppounnd mmultti-jju

3、ncctioon 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 llamiinatted matteriial sellecttionn

4、 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 ouutloook forr fuuturre ddeveel

5、oppmennt.Keywoord: -V ccomppounnd，Mullti-junnctiion sollar cellls，Lattticce mmismmatcch，Orgganiic tthinn fiilm，PV引言：太阳能电池池是将光光能(太阳光光能)转换为为电能的的器件, 是一一种光伏伏器件, 于19554年在贝贝尔实验验室首次次发现。开始的的研究主主要集中中于以单单晶硅为为活性材材料的无无机太阳阳能电池池, 当时时贝尔实实验室报报道的器器件效率率为4%。无机太太阳能电电池通常常是基于于p-nn结结构构：p区存在在过剩空空穴, n区存存在过剩剩电子, 在p-nn结附近近, 由

6、于p型和n型的突突变而形形成内建建电场。材料吸吸收光后后产生的的电子空空穴对, 通过过扩散, 达到到p-nn结界面面, 在内内建电场场作用下下分开, 并分别别向2个电极极移动, 形成成光伏。一V族化化合物多多结太阳阳电池，一一直都是是太阳电电池发展展的热点点方向。一一方面，一V族化合合物多结结太阳电电池的实实验室效效率在大大气质量量已经突突破400%(AMMl.5)11,2的纪录录，并仍仍在不断断刷新；另一方方面，以以GaAAs基电电池为代代表的一一批一V族化合合物太阳阳电池，已已经广泛泛应用于于宇航系系统的能能源供应应，打开开了一V族化合合物多结结太阳电电池的应应用空间间。而有有机物是是最为

7、廉廉价和最最具吸引引力的太太阳能电电池材料料：一方方面由于于有机材材料合成成成本低低、功能能易于调调制、柔柔韧性及及成膜性性都较好好；另一方方面由于于有机太太阳能电电池加工工过程相相对简单单,可低温温操作,器件制制作成本本也较低低.除此之之外,有机太太阳能电电池的潜潜在优势势还包括括：可实实现大面面积制造造、可使使用柔性性衬底、环环境友好好、轻便便易携等等。因而而有望在在手表、便便携式计计算器、半半透光式式充电器器、玩具具、柔性性可卷曲曲系统等等体系中中发挥供供电作用用。一 一V族材材料制备备多结太太阳电池池1. 多结结电池结结构半导体材料料只能吸吸收能量量大于其其带隙的的入射光光子，并并且每

8、吸吸收一个个光子最最多只能能放出一一对电子子一空穴穴对。也也就是说说，对于于能量小小于其带带隙的入入射光子子，半导导体材料料是“透明”的；对对于能量量远大于于其带隙隙的一个个入射光光子，半半导体材材料将其其吸收后后，也只只能放出出一对电电子空穴对对。多余余的能量量会以声声子辐射射的方式式转换为为晶格振振动的热热能，造造成能量量损失。太阳辐射光谱在0.154cm的波长范围内均有着较强的分布，要想在这样宽的波长范围内尽可能多地吸收太阳辐射能量，并将其转化为电能而不是晶格振动的热能，仅仅采用单一禁带宽度的单结电池是难以实现的。MWolfc3先后提出了多结太阳电池的概念。将禁带宽度不同、能够吸收不同波

9、长区间太阳辐射能量的单结太阳电池堆叠起来，形成叠层结构。这样构成的多结太阳电池，不仅能够扩大电池对太阳辐射光谱波长的利用范围，而且还提高了单位波长区间内的光电转换效率，是太阳电池设计理念的一次飞跃。2. 叠层层材料的的带隙选选择和晶晶格匹配配问题在AM(大大气质量量)1.5的标准光光照条件件下，应应用细节节平衡理理论44，一一个三结结太阳电电池理论论上能够够达到的的最高效效率为449.7，而而一个四四结太阳阳电池理理论上能能够达到到的最高高效率为为53.65。要想想实现这这样的最最优转换换效率，所所选材料料的带隙隙组合就就应该最最大程度度地与太太阳辐射射光谱相相匹配。经经计算，对对一个三三结太

10、阳阳电池，这这样的最最优带隙隙组合应应该是00.71，1.16和1.83 eV；对一个个四结太太阳电池池，最优优带隙组组合应该该是0.71，1.13，1.55和2.13 eV。目前，以以MOCCVD为为代表的的外延生生长技术术只能实实现晶格格匹配材材料的叠叠层外延延生长，而而如果采采用晶格格完全匹匹配的材材料构造造多结太太阳电池池，又很很难找到到一组材材料能够够完全满满足上述述最优带带隙组合合。最佳佳的带隙隙组分可可以实现现对太阳阳辐射谱谱的最大大利用，而而材料的的晶格匹匹配便于于外延生生长的实实现，这对对矛盾限限制了一V族化合合物多结结太阳电电池转换换效率的的进一步步提升。3.解决方方法针对

11、这一问问题，目目前出现现了一些些新的解解决方法法：一种种是采用用渐变缓缓冲层结结构设计计来实现现晶格失失配较大大材料的的外延生生长；另另一种是是寻找带带隙在11.0eVV附近，以以InGGaAssN为代代表的四四元材料料尽量满满足带隙隙要求和和晶格匹匹配；还还有一种种是采用用低温键键合技术术，将晶晶格失配配的材料料直接键键合在一一起。这这些解决决方法有有的已经经创造了了太阳电电池转换换效率的的新记录录，有的的虽然目目前转换换效率还还不高，但但是提供供了一些些具备潜潜力的新新思路。上述三种方方法中，目目前能够够实现最最高转换换效率的的是采用用渐变缓缓冲层的的方法。通通过采用用渐变缓缓冲层，失失配

12、和位位错都能能够限制制在渐变变缓冲层层的区域域内，从从而大大大减小了了其对渐渐变缓冲冲层以上上电池结结构的影影响。渐渐变缓冲冲层技术术已成为为目前晶晶格失配配太阳电电池的主主流技术术。二 基于有机薄薄膜的太太阳能电电池材料料1.发展概概况 有有机太阳阳能电池池的研究究始于119599年,其结构构为单晶晶蒽夹在在2个电极极之间6, 器件件的开路路电压为为2000 mVV, 由由于激子子的解离离效率太太低使得得转换效效率极低低。这方面面研究的的重大突突破是119866年报道道的双层层结构染染料光伏伏器件7。器件以以酞菁衍衍生物作作为p型半导导体,以四羧羧基苝的的衍生物物作为nn型半导导体, 形成双

13、双层异质质结结构构, 功率率转换效效率约为为1%。该研究究首次将将电子给给体(pp型)/电子子受体(n型)有机双双层异质质结的概概念引入入, 并解解释了光光伏效率率高的原原因是由由于光致致激子在在双层异异质结界界面的光光诱导解解离效率率较高。19992年,研究发发现用共共轭聚合合物作为为电子给给体（D）和C60作为为电子受受体（A）8-112的的体系,这一发发现,使聚合合物太阳阳能电池池的研究究成为新新的热点点。继而发发展的以以聚合物物MEHH-PPPV做给给体，CC60衍生生物PCCBM作作为受体体的共混混材料制制备的本本体异质质结器件件,由于无无处不在在的纳米米尺度的的界面大大大增加加了异

14、质质结面积积,激子解解离效率率提高,使转换效效率进一一步提高高,达到2.9%13。在过去的330年里里,人类投投入巨大大的精力力来研究究有机太太阳能电电池,双层异异质结器器件、本本体异质质结器件件、混合合蒸镀的的小分子子器件以以及有机机/无机杂杂化器件件的研究究都有了了长足的的进展。2.器件结结构及其其工作原原理 有机太阳能能电池的的结构，由单层层Schhotttky器器件开始始，相继发发展了双双层异质质结、本本体异质质结、分分子D-A结，以及基基于以上上单元结结构的级级联器件件等。除了要要求活性性材料有有较高的的太阳光光谱吸收收能力，有机光光伏器件件中激子子解离是是提高器器件效率率的最重重要

15、因素素。与无机机光伏器器件吸收收光后产产生自由由电子空空穴对不不同，有机材料料在吸收收光后，产生流流动的激激发态(即束缚缚电子空空穴对)。由于激激子中电电子空穴穴对之间间库仑作作用较大大，同时有有机物介介电常数数较小，使激子子解离需需要的能能量高于于热能kkT14,15,因此，有机材材料激子子解离困困难，不易形形成自由由载流子子。不同的器器件结构构中，激子解解离的机机制有所所不同。3. 展望望虽然有机太太阳能电电池的功功能转换换效率已已经达到到了5%6%，应用前前景已经经初见曙曙光。但是，与成熟熟的无机机太阳能能电池相相比，有机太太阳能电电池无论论从性能能、机理理还是稳稳定性等等许多方方面都尚

16、尚处于初初级阶段段。因此，进一步步地借鉴鉴无机太太阳能电电池的成成熟技术术及研究究思路将将会对有有机太阳阳能电池池的研究究起推动动作用;机理的的深入研研究,可指导导功能材材料的合合成、发发展出新新型的器器件结构构;结合有有机材料料、无机机材料、纳纳米材料料的不同同优点,有机/无机杂杂化器件件以及引引入纳米米材料的的研究将将会继续续维持该该领域的的热点;利用分分子D-A结材材料制作作性能优优良的单单层有机机太阳能能电池,对该类类材料以以及器件件的制备备工艺都都将是一一大挑战战;随着器器件性能能日益提提高,稳定性性研究也也将提到到日程上上来。结语：无论是一一V族化合合物多结结太阳电电池还是是有机太

17、太阳能电电池,在其几几十年的的发展历历程中已已经取得得了长足足的进步步，太阳阳电池的的转换效效率不断断得到提提高。随随着人们们进一步步的探索索,太阳能能电池将将挑战更更高的转转换效率率和更广广阔的应应用空间间。参考文献：1.KKINGG R R.LLAW D CC.EDDMONNDSOON KK M 40% effficciennt mmetaamorrphiic GGaInnP/GGaInnAs/Ge mulltijjuncctioon ssolaar ccellls 20007(118)2.GGUTEER WW.SCCHONNEJ.PHIILIPPPS S PP Cuurreent-mat

18、tcheed ttripple-iunnctiion sollar celll rreacchinng 441.11% cconvverssionneffficiienccy uundeer cconccenttratted sunnligght 20009(222)3.WWOLFF M Limmitaatioons andd poossiibillitiies forr immproovemmentt off phhotoo-vooltaaic sollar eneergyy coonveerteers:ParrtI:Connsidderaatioons forr eaarthhs surr

19、facce ooperratiion 19660(77)4.SSHOCCKLEEY WW.QUUEISSSERR H J DDetaaileed bbalaancee liimitt off effficcienncy of p-nn juuncttionn soolarr ceellss 19966(3)55.5.MMARTTI AA.ARRAUJJO GG L Limmitiing effficiiencciess foor pphotto-vvolttaicc ennerggy cconvverssionn inn muultiigapp syysteems119966(2)6.PPTA

20、KK A J.FFRIEEDMAAN DD J.KURRTZ S LLow-acccep-torr-coonceentrratiion GaIInNAAs ggrowwn bby mmoleecullar-beaam eepittaxyy forr hiigh-currrennt pp-i-n ssolaar ccelll apppliicattionns 220055(9)7.KKURTTZ SS R.KLEEM JJ F.ALLLERMMAN A AA Miinorrityy caarriier difffussionn annd ddefeectss inn InnGaAAsN groo

21、wn by mollecuularr beeam epiitaxxy 220022(8)8.GGEISSZ JJ F.KURRTZ S.WWANLLASSS M W HHighh-effficcienncy GaIInP/GaAAs/IInGaaAs triiplee-juuncttionn soolarr ceellss grrownn invvertted witth aa meetammorpphicc boottoom jjuncctioon 220077(2)9.KKONDDOW M.KKITAATANNI TT.NAAKATTSUKKA SS GaaInNNAs:a nnoveel

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23、and gapp,laattiice mattcheed tto GGaAss 19999(55)12.KURRTZ S RR.SEEAGEER CC H.SIEEG RRM MMinooritty ccarrrierr diiffuusioon,ddefeectss,annd llocaalizzatiion in InGGaAssN,wwithh 2% nittroggen 20000(33)13.YAMMAGUUCHII M.NISSHIMMURAA K.SASSAKII T Novvel matteriialss foor hhighh-effficcienncy -V mullti-

24、junnctiion sollar cellls 20008(22)。14.Barrth S, Bssller H. Inttrinnsicc phhotooconnducctioon iin PPPV-typpe cconjjugaatedd pollymeers. Phhys Revv Leett, 19997, 799: 44445544448DDOI 15.Marrks R NN, HHallls JJ J M, Braadleey DD D C, Friiendd R H, Hollmess A B. Thee phhotoovolltaiic rrespponsse iin ppolyy(p-pheenyllenee viinyllenee) tthinn-fiilm devvicees. J PPhyss Coondeens Mattterr, 119944, 66: 11379913994DDOI