硅基薄膜等离子太阳能电池

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1、等离子体硅基薄膜太阳能电池1、背景2、原理3、研究成果4、现状与趋势 背景一：1、化石燃料日益匮乏2、环境日益恶化3、太阳能资源未得到充分利用 40min VS 一年 背景二：1、 使 用 原 材 料 少 、 环 境 友 好 、 工 艺 成 熟 度 高 及 柔 性 可 弯 曲 等 特 性 。 电 池 对 光 谱 吸 收 不 足 降 低 了 光 电 转 化 效 率2、 降 低 生 产 成 本 、 减 少 载 流 子 复 合 率 原 理 ：光电池原理： 消逝波： 等离子波 硅基薄膜对太阳光谱的吸收纳 米 线 、 纳 米 光 柱 表 面 缺 陷 、 非 共 形 沉 积 金属等离子体提高薄膜太阳能电池

2、转换效率1、散射2、局域等离子共振效应3、表面等离子体波 研究成果：2008 年 K.R.Catchpole 和 A.Polman 2009Y.A.Akim ovK.Ostrikov E.P.Li “ ”2009 年 S.Mokkapati 等 人 通 过 在 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 底 面 设 计 一层 方 形 的 Ag 纳 米 颗 粒 ， 通 过 改 变 粒 子 的 大 小 和 周 期 ， 可 以 有 效的 提 高 红 外 部 分 的 光 吸 收 。2009 年 Ragip A.Pala 等 人 通 过 在 Si薄 膜 上 表 面 的 SiO2设 计一 层 一 维 周 期 Ag光

3、栅 结 构 ， 通 过 计 算 ， 这 种 结 构 相 对 于 单 层 硅薄 膜 太 阳 能 电 池 的 短 路 电 流 可 以 提 高 43%。2011 年 Spinelli 等 人 仿 真 计 算 了 通 过 在 Si基 底 上 的 Si3N4减反 层 上 设 计 一 层 周 期 Ag 纳 米 颗 粒 使 得 在 300-1100nm 波 段 的 光吸 收 相 对 于 无 纳 米 颗 粒 的 情 况 下 提 高 了 50%。 “ ” 现 状 与 趋 势几种太阳能电池简介多 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZsi衬底上制得的多晶硅电池的转换效率

4、为19，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 碲化镉 (CdTe)薄膜太阳能电池碲化镉(CdTe)材料成本低、效率高，且光谱响应与太阳光谱吻合。碲化镉半导体光伏材料理论转换效为30。如同其它镉化合物，碲化镉被认为是有毒物质，但只要不经口服或呼吸方式进入人体，碲化镉对人体的危害有限。美国能源部指出，碲化镉太阳能模块只要经过适当回收程序处理，并不会对环境产生危害，其对环境的影响与镉金属完全

5、不同。非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池以较低的成本、简单的生产工艺以及灵活的应用方式，一直处于重要地位。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13，创下新盼记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司(vssc)制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3，三带隙三叠层电池最高转换效率为13。 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池CIS是CuInSe的缩写，是一种I- -族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。以P型铜铟硒(CuInSe)和N型硫化镉(CdS)做成的异质结薄膜太阳能

6、电池具有低成本，高转换效率和近于单晶硅太阳能电池的稳定性。近年研究将Ga替代CIS材料中的部分In，形成CulnlxGaxSe：(简称CIGS)四元化合物。由ZnOCdSCIGS结构制作的太阳电池有较高的开路电压，转换效率也相应地提高了许多。CIGS电池在实验 室已经达到19.9的转换率，远高于其他薄膜电池。 有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池为使用有机半导体的p-n接合型太阳能电池。使用n型和p型的有机半导体，利用光照射p-n接合带隙产生电位差。与利用碘的氧化还原反应现象不同，色素增感型太阳能电池的原理与硅类太阳能电池相似。特点是材料和制造的成本较低，使用塑料底板就能制成柔性太阳能电池等。

7、有机薄膜太阳能电池使用的有机半导体既有高分子类又有低分子类，制膜方法有蒸镀法和涂布法。其中，可行性最高的是使用高分子有机半导体的涂布法。硅半导体可以使用蒸镀法，但成本较高且工艺时间较长。涂布法可采用卷对卷等大量生产方式，有利于降低成本和缩短加工时间。 日本国内的研究非常活跃 。染料敏化太阳能电池1991 年瑞士洛桑联邦高等工业学院(EPFL) Gr tzel教授1在 Nature上首次报导了染料敏化纳米薄膜太阳电池(以下简称为 DSSC),在AM 1.5模拟太阳光下获得了7.1%的总光电转换效率。2004年实验室 DSSC 的最高光电转换效率已达到 11.04% (AM1.5, 100 mWc

8、m-2)2。它是一种高效、价廉的新型薄膜太阳电池。这种薄膜电池最吸引人的特点是其廉价的原材料和简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少，具有远大的应用前景。 量子点太阳能电池量 子 点 （ QuantumDots,QDs） 是 准 零 维 (quasi-zerodimensional)纳 米 材 料 。 粗 略 地 说 ， 量 子点 3个 维 度 的 尺 寸 均 小 于 块 体 材 料 激 子 的 德 布 罗 意 波 长 。 从 外 观 上 看 ， 量 子 点 恰 似 一 极 小 的点 状 物 ， 其 内 部 电 子 在 各 方 向 上 的 运 动 都 受 到 局 限 ， 即 量 子 局 限 效 应

9、(quantumconfinementeffect)特 别 显 著 。 量 子 点 有 很 多 的 优 点 ： 吸 光 范 围 可 以 通 过 调 节 颗粒 的 组 分 和 尺 寸 来 获 得 ， 并 且 可 以 从 可 见 光 到 红 外 光 ； 化 学 稳 定 性 好 ； 合 成 过 程 简 单 ，是 低 成 本 的 吸 光 材 料 ； 具 有 高 消 光 系 数 和 本 征 偶 极 矩 ， 电 池 的 吸 光 层 可 以 制 备 得 极 薄 ， 因此 可 进 一 步 降 低 电 池 成 本 ； 相 对 于 体 相 半 导 体 材 料 ， 采 用 量 子 点 可 以 更 容 易 实 现 电 子 给 体和 受 体 材 料 的 能 级 匹 配 ， 这 对 于 获 得 高 效 太 阳 能 电 池 十 分 关 键 。 更 重 要 的 是 ， 量 子 点 可 以 吸收 高 能 光 子 并 且 一 个 光 子 可 以 产 生 多 个 电 子 -空 穴 对 （ 多 激 子 效 应 ） ， 理 论 上 预 测 的 量 子 点电 池 效 率 可 以 达 到 44%。 因 此 ， 量 子 点 太 阳 能 电 池 常 常 被 称 作 第 3代 太 阳 能 电 池 ， 具 有 巨 大 的发 展 前 景 。