杂质带太阳能电池研究 房车11万带太阳能电池

　　摘要:能源危机和环保的要求使得高效太阳能电池的研究成为各国科技工作者关注的焦点。杂质带太阳能电池由于具有简单的结构和理论上的高转换效率,也日益成为研究人员关注的重点。杂质带太阳能电池的成本优势使其具有广阔的发展前景。本文介绍了杂质掺杂太阳能电池的基本原理、发展历程以及应用前景。
　　关键词:杂质光伏效应;杂质带;太阳能电池
　　
　　Research on Impurity Band Photovoltaic Solar Cells
　　
　　Ma Zhihua, Xue Chunlai, Zuo Yuhua
　　(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,
　　Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)
　　
　　Abstract: Facing the problem of environment and the crisis of energy resource, the researchers focus on the study of the high efficiency solar cell. With simple structure and high conversion efficiency in theory, impurity band solar cell attracts increasing attentions of researchers all over the world. Due to its simple and cost effective fabrication process, the impurity band solar cell could be widely used for cheaper solar cells in the future. In this paper, we introduce briefly its basic principle, review its recent development and propose its promising and important applications.
　　Keywords: impurity photovoltaic effect;impurity band;solar cell
　　
　　1引言
　　
　　由于传统的化石能源的消耗殆尽和其对环境带来的不良影响,人们急切需求一种对环境友好并且可持续利用的能源结构。新能源的开发将成为人类未来很长一段时间面临的主要挑战。太阳能由于其取之不竭、高效清洁等优点,已成为人类未来能源利用的重要对象之一。太阳能电池从其诞生之日到现在,已取得了蓬勃的发展,各种新结构、新材料的太阳能电池已成为新能源领域的研究热点,而提高太阳能电池的转换效率一直是贯穿太阳能电池研究的一条主线。如何获得低成本的高效太阳能电池则是太阳能电池研究的重中之重。上个世纪九十年代,太阳能电池之父,Martin A. Green[1]提出了第三代太阳能电池的概念,其中包括叠层太阳能电池、多载流子激发太阳能电池、热光伏技术和多带隙太阳能电池,这些新的电池结构都为提高电池的转换效率奠定了良好的基础。其中多带隙太阳能电池由于其高的理论转换效率、设计简单以及潜在的低成本优势使其成为了科学工作者研究的热点。
　　对于多带隙太阳能电池技术,最简单的就是中间带太阳能电池。1997年Luque和Marti[2]根据细致平衡理论(Detailed Balance)提出了中间带太阳能电池的物理模型。他们的计算结果表明,中间带太阳能电池的效率最高能够达到63.1%,高于单节太阳能电池的极限效率40.7%,也高于两节叠层太阳能电池的极限效率55.4%。在普通的太阳能电池的能带结构中产生一个中间带,实现的方法大致有三种[3],其一是利用能带剪裁或量子尺寸效应,利用多量子阱或多量子点来产生中间带,其二是采用适宜组份配置的半导体合金(如ZnTe:O、InGaAsN),其三就是利用杂质掺杂形成中间杂质能带。利用杂质掺杂形成中间杂质能带的办法相比其他方法,实现的方式相对简单,可以避免复杂的外延材料制备,这对太阳能电池的成本优势更有利,因而杂质带太阳能电池的研究在多带隙电池技术中具有重要的意义。
　　
　　2杂质带太阳能电池原理
　　
　　对于传统的太阳能电池材料,一般只存在相应的导带和价带,并没有中间能带。这就导致了一般的太阳能电池只能吸收太阳能光谱中大于电池材料禁带宽度的高能量光谱,对低于其禁带宽度低能量光子则无法利用,限制了太阳能电池的效率。当Si或者其他材料带隙中引入一层中间杂质带的时候(图1),就有两种方式能够导致电子空穴对的产生。一种是电子从价带跃迁到中间带,然后通过中间带跃迁到导带,另外的一种方式就是电子直接从价带跃迁到导带。这样,杂质带太阳能电池就可以等效于三个不同带隙太阳能电池的并联(图2),能够极大地提高太阳能电池的效率。但另一方面,如果杂质带不能够得到良好的控制,杂质掺杂也会带来一定的负面影响。在材料中引入杂质能级的同时,也相当于在材料中引入了复合中心,从而会导致非辐射复合的产生。A.Luque[2]等指出当掺杂浓度大到足以形成杂质带的时候可以抑制非辐射复合。如果当杂质引入的电子之间有相互作用的时候,就能够实现电子在不同原子的原子轨道上自由移动,非辐射复合就能够受到抑制。当然为了达到这种目的,杂质掺入要达到一定的浓度,这个浓度一般认为是Mott[4]相变浓度。
　　
　　 为了得到最优的电池效率,除了形成稳定的杂质带抑制非辐射复合之外,杂质掺入形成的中间带太阳能电池还必须得满足以下三个要求[2, 5]:
　　 (1) 为了提高载流子的输运效率,提高掺杂带太阳能电池的饱和电流密度,在掺杂时必须保持载流子的复合寿命大于载流子在各个能带上的弛豫时间。这样载流子在带中运动时才不会被复合掉。
　　 (2) 中间杂质带本身不能形成电流,只是起到一个吸收光子的中转站的作用。这样可以保证太阳能电池的开路电压由整个材料的禁带宽度所决定,而不是由某一个子带的能隙宽度决定,从而获得高的开路电压。
　　 (3) 中间杂质带上的电子必须处于半填充的状态,保证杂质带既有空穴又存在电子。这样既能够使电子从中间带(IB)跃迁到导带(VB),又能同时使电子从价带(VB)跃迁到中间带(IB)。
　　
　　3杂质带太阳能电池的发展
　　
　　1960年Wolf[6]首次提出了杂质光伏效应,借助杂质能级来改善材料对能量低于带隙的光子的吸收。在Wolf提出这个概念之后,在相当长的一段时间内,部分研究人员认为这种想法并不能够提高太阳能电池的转化效率。Shockley和Queisser[7]认为,虽然杂质能级有助于载流子的产生,但是它同时也增加了载流子复合的速率,不利于载流子的有效输运。1992年,李建明等人[8]通过在晶体硅中质子注入形成局域杂质层的方式证明了杂质带的存在可以增强Si对红外光谱的吸收。尽管这一结果目前还存在相当多的争议,但是一石激起千层浪,掀起了杂质掺杂太阳能电池的研究高潮。1994年M. J. Keevers和Martin A. Green[9]通过SRH复合模型的理论计算论证了杂质光伏效应在理论上能够提高太阳能电池的效率。从此之后,杂质掺杂太阳能电池理论上的可行性已成为了广大科技工作者的共识。1999年M. Schmeits和A. A. Mani[10]通过数值方法模拟了c-Si中杂质In掺杂太阳能电池的情况。他们的计算表明,随着施主杂质浓度的增加,太阳能电池的短路电流(JSC)变大,但是开路电压(VOC)和效率(η)同时会下降。Beaucarne等人[11]讨论了一些可能的宽禁带材料中杂质掺入太阳能电池,并且利用SRH理论模型,计算了SiC的杂质带太阳能电池的效率。他们进一步从理论上证实了宽禁带杂质带太阳电池能够提高太阳能的转化效率。C.B.Honsberg等人[12]则讨论了退化效应和多能级太阳能电池的规律,指出尽管理论计算的假设条件并不满足实际情况,但是在非理想的条件下,杂质掺入太阳能电池仍然有着很大的优势和前景。2002年,Andrew.S.Brown和Martin.A.Green[13]进一步讨论了杂质能级太阳能电池能量转化效率的极限情况,考虑了光子选择和其对杂质效应太阳能电池的影响,理论计算表明,当存在无限种杂质缺陷能级时,多能级太阳能电池的极限效率能够达到77.2%。随后,2004年Andrew.S.Brown和Martin.A.Green[14]又考虑了缺陷弛豫的情况下,杂质能级对c-Si的影响。他们的计算表明缺陷弛豫能够进一步提高杂质掺杂太阳能电池的效率。不存在杂质能级时,单晶Si太阳能电池的理论极限效率为30.5%;存在杂质能级但是没有缺陷弛豫时,效率为33.0%;而Si中同时存在杂质能级和缺陷弛豫时,单晶Si太阳能电池的效率能够提高到39.7%。近年来对于Si中掺杂杂质选择的研究也成为杂质带太阳能电池研究的一个重点,例如黑硅材料中掺杂IV族元素能够提高对红外光谱的吸收,因而Si中掺杂IV族元素也得到了科研人员的重视[15, 16]。最近,Si中掺杂高浓度Ti成为杂质光伏效应太阳能电池的一个热点问题。E.Antolin等[17]研究了在Si中高注入Ti作为中间带材料的载流子寿命。J.Olea[18]研究了Si中Ti杂质带的电学传输性质。J.Olea等采用激光退火的方法提高了Ti在Si中浓度,由于Ti的浓度大于Mott相变浓度,他们因此认为在Si中形成了Ti的杂质带。他们随后利用ATLAS软件计算出Ti中间带位于距离价带上方0.36 eV处。K.Sanchez[19]等则通过第一性原理计算了Si中注入Ti作为中间带材料的可能情况。
　　理论研究为杂质带电池的实现奠定了良好的基础,但是有效杂质带的形成仍然是一个需要探索的课题,从目前的资料看,还没有特别有效的实验结果报道。
　　 4杂质带太阳电池目前存在的难点
　　半导体中的深能级杂质是一个相当复杂的基础性研究课题,利用深能级杂质所产生的杂质带来提高太阳能电池效率,已有的实验研究工作尚不多见;同时,能否利用杂质带构建高效、稳定的半导体光电器件,本身也是半导体物理中一个值得研究的课题。
　　目前杂质带太阳电池所要解决的首要问题,就是如何有效地形成稳定的中间杂质带。实验上,J.Olea[20]利用激光退火提高了Ti在Si中的掺杂浓度,并且这个浓度大于Ti的Mott相变浓度。但是现在还没有直接的证据表明,依靠杂质掺杂形成了稳定的杂质带。为形成有效中间带,所需杂质有效掺杂浓度不能低于1019 cm-3,杂质原子间距应足够地小,以保证它们外层电子的波函数有足够权重的交迭,进而保证载流子的输运;同时掺入杂质原子必须能有效地离化,以形成杂质能级。
　　此外,选择合适的掺杂杂质,表征杂质在太阳电池材料中的位置、作用,以及研究深能级杂质对载流子输运过程的影响等都将是今后的研究内容。
　　
　　5杂质带太阳能电池的前景
　　
　　高效太阳能电池除了中间带太阳能电池之外,研究的热点还有叠层太阳能电池,目前,叠层太阳能电池的世界纪录是2009年1月Fraunhofer ISE创造的GaInP/GaInAs/Ge聚光电池41.1%的转换效率[21],而杂质带太阳能电池到目前为止并没有实验上的报道。但是通过中间带太阳能电池模型的理论计算结果表明,杂质带提太阳能电池的极限效率并不比叠层太阳能电池的极限效率差。杂质带太阳能电池相比于叠层太阳能电池的一个显著的优点就是具有简单的结构。叠层太阳能电池的多层结构需要考虑不同层电池之间材料的晶格匹配以及不同电池之间电流的匹配问题,而杂质带太阳能电池则无需考虑这些复杂的问题。杂质带太阳能电池相比于量子阱中间带太阳能电池也有自己的优点,杂质带太阳能电池的制作相对于量子阱技术简单。杂质带太阳能电池另外一个重要的优点就是,它在一种材料中注入其它的元素,因而能够大大降低太阳能电池的成本,容易实现规模化生产。
　　
　　6总结
　　
　　高效太阳能电池是解决当今能源问题和环境问题的一个有效的办法。杂质光伏效应,为高效太阳能电池的研究提供了一条新的思路,杂质带太阳能电池的概念也应运而生。虽然目前杂质带太阳能电池的研究工作大多只限于理论计算和少数的掺杂试验。然而,由于杂质带太阳能电池具有明显的成本和制作优势,越来越受到科技工作者的重视。随着对深能级杂质带光电转换机理的深入研究和杂质带能级制作技术的不断改进,必将推动杂质带太阳能电池的快速发展。
　　
　　参考文献
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　　[21]省略/xwzx/kydt/200902/W02009 0719273907062336.1-efficiency-reached-for-multi-junction-solar-cells-at-fraunhofer-ise