文摘
本文概述了纳米技术的发展和前景的太阳能电池的应用程序。即使它没有明确指出,纳米结构实际上已经使用在传统太阳能电池的制造了很长一段时间。然而,在这种情况下,只有非常有限的好处纳米结构被用来提高电池性能。在过去的十年中,光伏设备理论和纳米加工技术的发展使研究更复杂的纳米太阳能电池更高的转换效率和降低生产成本。这些先进的基本原则和重要功能的太阳能电池设计本文系统地回顾和总结,重点是功能和纳米结构的作用,并影响设备性能的关键因素。在各种纳米结构,特别关注那些依赖于量子效应。
1。介绍
“底部有足够的空间”——著名的演讲由物理学家理查德·费曼,他首次提到了纳米技术的概念大约50年前。自那以来,人们不断努力,达到结构操纵原子和分子规模的问题,以利用他们独特的属性。纳米技术的出现打开了很多机会为新材料和新设备的广泛应用。最近,它已经被广泛实现发展的新型太阳能电池结构,以提高能量转换效率和降低生产成本。
一般来说,纳米结构可以引用任何对象的至少一个三维空间的分子之间的中间尺寸和微米大小结构(通常在0.1 ~ 100海里)。在这种规模,一些有趣的物理现象,不存在散装系统变得明显和材料属性是人为地改变。尽管相当多的不同种类的纳米结构已经发展到目前为止,它们可以被分为两大类根据其功能和作用在太阳能电池,作为支撑结构,作为光吸收。在这两种情况下,不同的纳米结构的优势,比如大的表面积,良好的运输载体,吸收系数高、长期稳定、可调带隙,单独使用或联合提高太阳能电池的性能。在这些特性中,带隙调制的量子限制效应(股价)是一个非常独特的纳米结构特征的大小尺寸相当或比元素的玻尔半径小。这个尺寸效应使得纳米结构完美的候选人高效串联太阳能电池,因为原则上可以使用纳米结构构建与任何所需的电子带隙能吸收太阳光光谱的不同部分。此外,我们应该认识到,除了电子能带结构的股价也能够改变材料的声子能带结构。
在本文中,我们给出一个审查的基本原则和各种纳米太阳能电池的重要特征。纳米结构传统的薄膜太阳能电池的优点是第一次描述了太阳能电池,然后详细讨论了基于纳米吸收剂,尤其是那些依赖于量子效应。
2。纳米结构在常规薄膜太阳能电池
2.1。纳米晶体硅太阳能电池
数万年来,氢化非晶硅(硅:H)已经被广泛地应用于薄膜太阳能电池的吸收材料。为了提高转换效率,多结结构研究和记录稳定有效面积13%的效率已经证明(1]。进一步改善电池性能需要新材料的发现与低缺陷密度和良好的传输性能。自1990年代以来,氢化纳米晶体硅(实际:H)已经被广泛的研究作为一个潜在的候选人低带隙的吸收多结电池(2]。
事实上,实际:H材料是纳米级的混合微晶和非晶组织(3]。小微晶大小几纳米的嵌入在非晶硅矩阵。在纳米晶体薄膜,小微晶的存在提供水晶航空运输路径、载流子迁移率远高于纯粹的非晶态体系。因此,实际:H吸收层厚可以产生光电流密度高。实际的另一个优点:H /硅:H或氢化非晶硅锗(a-SiGe: H)是降低光致退化的太阳能电池的效率。结果表明,实际的性能改进:H太阳能电池是由于小微晶网络和微晶的存在实际上是不吸收,不会导致光吸收过程。因此,这并不是说必须优化微晶的光学和电学性质。
2.2。色素增感太阳能电池的纳米金属氧化物
纳米结构与宏观系统相比,有更大的表面积,可以改变机械、热、催化性能的材料。这一特性被广泛调查为了增加色素增感太阳能电池的吸收(DSCs),因此提高转换效率。
在DSCs,实现能量转换的电荷分离染料敏化剂吸附在宽禁带半导体电极,如透明TiO2(4]。早期DSCs的能量转换效率不高但敏化剂本身表现出一个非常有效的电荷分离过程。这是因为非常有限的光吸收的单层染料,导致低吸收系数的太阳能电池。这个问题解决后纳米多孔TiO的利用率2电极而不是相对平坦的多晶电极,如图1(5]。纳米多孔TiO的巨大的表面积2显著增加了有效的染料的光吸收区域,从而提高电池转换效率高于10% (6]。
与实际:H电影,TiO的粒度2纳米晶体DSCs设计中扮演着重要的角色。这主要与纳米多孔TiO的电子传递过程2电极,电子扩散长度的计算,在那里电子扩散系数和吗是电子寿命。实验结果表明与纳米晶体的大小增加,这可能是由于低数量的粒子之间的界限。然而,粒径的增加也导致的总横截面积的减少边界(所需合理的吸收),增加了电子传递的阻力。此外,它是发现,是成反比的。这些竞争效应表明,应该有一个最优的最大粒径,使细胞扩散长度和最佳的性能。在高效DSCs,典型的TiO的直径2纳米粒子在10和20 nm之间。
其他纳米金属氧化物也被调查了替代n型电极包括氧化锌、Nb2O5,SnO2。特别是氧化锌1960年代以来引起了人们广泛的关注,由于其良好的载流子迁移率和合成和形态学的灵活性(球形粒子,杆、电线和空心管)(7,8]。但是,使用这些电极DSCs没有显示转换效率与TiO相提并论2的DSCs和大量的优化是必需的。
3所示。先进的太阳能电池纳米吸收剂
3.1。有机/无机杂化太阳能电池
作为一个低成本替代硅太阳能电池,混合太阳能电池组成的有机薄膜和无机纳米结构正在积极研究由于其承诺的性能。在这种类型的细胞,使用廉价的和容易可加工的有机材料和无机半导体纳米结构嵌入到电影提高吸收能力和裁缝的吸收光谱通过股价9]。
这些混合的方法之一是纳米颗粒敏化太阳能电池,这是传统概念上类似于DSCs但取代无机纳米粒子的有机染料(10]。合并的带隙纳米颗粒可以通过控制粒子的大小适当调整,从而能够获得所需的吸收范围和特点。纳米晶体作为吸收材料也有稳定的优势,由于大的消光系数和固有偶极矩11]。
混合太阳能电池的另一个策略是使用无机纳米/导电聚合物混合,结合聚合物的灵活性与无机纳米粒子的稳定性和机动性高。这种方法是基于本体异质结的概念最初源于有机太阳能电池12),但取代了有机/无机/有机异质结有机异质结。各种无机半导体纳米晶体包括CdSe、立方寸2、cd、或PbS中实现这种结构(9,11,13- - - - - -15]。这种策略的确提供了几种有前景的潜在优势:(1)无机材料有很高的吸收系数、光电导性、稳定性;(2)掺杂的纳米结构特征可以很容易地调整;(3)大小依赖股价可以改变纳米结构的电子和光学性质,所以混合太阳能电池包含纳米结构与不同尺寸可用于串联太阳能电池。混合太阳能电池使用无机纳米结构的挑战主要在于可访问性和再现性纳米结构的合成路线。
最近出现的混合有机-无机钙钛矿多感兴趣的太阳能电池由于其显著的性能优于传统的混合太阳能电池(16,17]。基于这种太阳能电池利用金属卤化物材料最常见的CH3NH3出版广播公司3纳米晶体或封闭的变体(如氯、溴、I)的光吸收,钙钛矿色素是CH的混合物3NH3X (X = Cl, Br,我)和交换机2由连续的蒸汽沉积或解决方案过程(18,19]。杂化钙钛矿的结构图表太阳能电池示意图如图2。自2009年的第一份报告,杂化钙钛矿的太阳能电池的转换效率提升了一个意料之外的速度通过探索新颖的纳米材料和设备体系结构(20.- - - - - -36]。尤其是进步发展的固态传输层具有高载流子迁移率已大大改进设备性能,和打破的效率已经达到15.7%采用氧化锌纳米粒子的电子传递层太阳能电池(22,35,36]。事实上,除了著名的电子传输特性,氧化锌纳米颗粒层沉积可以简单地通过旋转涂布和不需要加热或烧结步骤,这使得它适用于对热敏感基板设备。因此,基于氧化锌纳米粒子杂化钙钛矿太阳能电池被认为是一种很有前途的候选人为低成本或灵活的应用程序。
虽然效率高达20%预计将是现实可行的37,38),还有几个问题需要解决之前混合钙钛矿可以商业化的太阳能电池。第一个是大面积的发展制造方法具有良好的一致性和再现性,两者都是重要的大规模生产。表现最好不过,几乎所有的细胞迄今报告只有区域小于0.1厘米2(39]。另一个更有挑战性的问题涉及太阳能电池性能的快速退化。结构和功能的有机成分很容易影响甚至破坏一旦周围气体或水分穿透包装材料和太阳能电池。这个问题实际上阻碍了大多数有机太阳能电池的商业化过程。尽管长期稳定可能达到混合钙钛矿太阳能电池在未来的工作中,尚未有任何令人信服的报告到目前为止(40]。
3.2。纳米线太阳能电池
一般来说,纳米线的定义是一种平衡的奈米结构直径为几纳米的顺序。由于缺少晶界沿着它的长度,使用纳米线作为电荷载体的直接传导路径提供了各种设备性能的优点,如大型电荷传输速率和小载体复合概率。此外,纳米线结构也表现出优越的光捕获特性,导致更少的表面反射与传统的平面结构。这些优势表明,可以实现在纳米线太阳能电池转换效率高,而且,更重要的是,纳米线结构的就业减少材料的消耗和释放材质的要求,这两个产生大量降低成本。到目前为止,没有严格的分类和标准纳米线太阳能电池。然而,他们大致可以分为两类,纳米线染料敏化太阳能电池,纳米线太阳能电池基于pn结结构。
纳米线染料敏化太阳能电池是最早的报告从Huynh等人2002年,CdSe纳米线在利用孔导电层和1.7%的效率实现AM1.5照射下(9]。后来法等。41)演示了一个类似的结构使用氧化锌纳米线代替CdSe纳米线。这种太阳能电池的最大功率AM1.5条件下转换效率1.5%。与纳米线染料敏化太阳能电池相比,纳米线太阳能电池基于pn结结构吸引更多的利益和被广泛研究。一般来说,这种纳米线太阳能电池可分为三种类型根据pn结位置如图3。
(一)
(b)
(c)
直接沉积纳米线阵列作为一个传统的细胞表面的增透层是最简单的应用纳米线太阳能电池。理论分析表明,半导体纳米线有一个非常低的光反射率,特别是在长波长范围。例如,硅纳米线已经证明在红外反射率较低范围比单一的水晶和multicrystalline硅材料(42]。这个固有光学特性可以归因于纳米线结构光的multiscattering从而建议入射光捕获的影响可以通过调整优化纳米线的直径和折射率。到目前为止,纳米线阵列太阳能电池的转换效率仍然是传统的硅太阳能电池相比相对较低(43,44]。效率损失可以解释的存在大量的表面状态结果高密度的纳米线。这些表面状态难以完全钝化,因此表面复合速度显著增加。这一发现意味着,纳米线密度和表面钝化效应之间的平衡需要解决纳米线阵列太阳能电池的性能最大化。
除了使用纳米线阵列作为增透层、新颖设备与pn结结构位于纳米线表面或内部的纳米线也吸引了越来越多的利益。来自哈佛大学的研究人员已经开发出一种轴向连接纳米线太阳能电池的转换效率为3.4% (45]。之后,加内特和杨提出了一个新颖的正交的光子吸收网络路径和电荷载体运输路径在径向结纳米线太阳能电池,纳米线的长轴向增强光子吸收和径向结提高电荷载体收集。理论计算预测,可以获得高达11%的转换效率在径向结纳米线太阳能电池的电子扩散长度100海里,这远远高于平面结构的纳米线太阳能电池(46]。
3.3。中间带太阳能电池
中间带太阳能电池(IBSCs)的方法是引入一个连续的电子乐队另一个半导体材料的带隙内,如图4(47,48]。IBSCs操作,部分波段光子的能量差距第一泵电子从价带(VB) IB(过程(1)在图4)。之前发生的非辐射的复合,电子IB的进一步释放CB通过吸收另一个次能带隙的光子(过程(2)图4)。电子的波函数在IB应该离域,这是类似的电子波函数的性质在CB和VB,这样辐射吸收和重组主导这些能级和被吸收的光子不一定有相同的电子在两个步骤。为了提供空状态捕获的电子从VB和占领电子CB的注入,IB部分充满电子(即。“金属”)。理想情况下,装IB需要确保捕获和发射过程是等可能的。次能带隙的光子的吸收增强了光电流而保留了输出电压。这导致限制效率高达63.2%(46050个太阳阳光下最大浓度)IBSCs。效率作为3个手机,类似串联太阳能电池和远高于40.7%的转换效率对理想单带隙太阳能电池是由相同的材料。
材料的存在与IB特点曾经是有争议的。然而,人们已经提出不少候选人,大部分在III-V,族化合物和黄铜矿系统与过渡金属合金(49- - - - - -53]。作为一种替代方法,量子点(量子点)提出了形成IBSCs [49,54]。在这种方法中,能级组成的IB出现在量子点的电子状态。量子点的使用有一些优势等纳米结构的量子井或电线。这是因为以下。(1)量子点只提供一个真正的零态密度之间的IB和CB [55]。这可以防止非辐射的复合CB和IB (56]。(2)光从IB过渡到CB严格禁止选择规则在量子井的入射光垂直于这个平面的增长。这绝对是有害的对于太阳能电池应用程序(57]。
虽然提出了几种材料系统的实现QD IBSCs,实际实验工作仍然主要关注在/砷化镓QD超晶格结构增加了分子束外延使用Stranski-Krastanov增长方法(54,58]。光电流一代由于IB CB过渡,真正的一个重要指标IBSC操作,最近被证明在这些设备。尽管如此,仍有很长的路要走在IBSCs实现转换效率的优势。
3.4。量子阱太阳能电池
量子阱(QW), 1 d监禁纳米结构,已被广泛应用于半导体器件出现以来,包括光电探测器、发光二极管、激光器、光学调节器,和高迁移率晶体管。QWs的光学和电学性质是设计来满足不同应用程序的特定需求。因此合理的推测,可能会有一些优势在太阳能电池中使用QWs。调节QW的带隙结构的能力通过股价提供了一种方法实现能量转换效率高,由于更好的带隙的太阳光谱相匹配。多重量子井发光)结构提出了在1990年代早期,做一个坚实的一步QW太阳能电池的效用(QWSCs) [59]。发光的太阳能电池的带图示意图见图5。
QWs位于内在的pin结构,,承运人photogeneration和重组发生在障碍和QW层。运营商QWs中产生的有效收集的外部电极,从而导致光电流,运营商必须能够从QWs逃脱。除了量子隧穿过程中,热逸实现高效的载波逃离QWs也至关重要,这表明需要的热能和横向电场QWSCs[操作的60- - - - - -62年]。幸运的是,热能在室温通常是足够的和载体逃脱的概率可以接近统一在一个强大的电场。
与单层精度高质量增长的技术,如分子束外延(MBE)和金属有机气相外延(MOVPE),被用来制造QWSCs。根据晶格常数不同屏障和井层,材料系统用于QWSCs可以分为晶格匹配系统,如AlGaAs /砷化镓,InGaP /砷化镓,输入/ InGaAs InGaAsP /输入,和晶格不匹配系统包括砷化镓/ InGaAs,输入/ InAsP GaAsP / InGaAs,砷化镓/ InGaAs, InGaAs / InGaAsP。QWSCs最初的研究主要是基于晶格匹配使用砷化镓材料系统或输入的好材料。因此,吸收阈值调整到更高的能量在一个传统的同质结细胞形成的砷化镓或输入。这种材料系统显示良好的太阳能电池的性能,这是一个好方法避免并发症引起的应变,这样更容易揭示了影响QWs和理解底层的操作机制。
对于大多数太阳能电池应用程序,然而,降低吸收阈值的确是可取的。一个很好的例子是提高效率高的长波长吸收砷化镓电池。一个主要问题是,没有模拟结果,低带隙系统本质上作为井。例如,InGaAs是一个特别好的选择好材料设备使用砷化镓作为障碍,但它有较大的晶格常数,所以压缩应变增长InGaAs QWs所需。导致压力积聚在每一层,最后导致大量线程通过应变弛豫混乱发光堆栈的顶部和底部,造成更大的漏电流,更短的波长的量子效率,和损失在开路电压(63年,64年]。
为了解决这个问题,strain-balanced QWSCs提出了最小化的累积应变。这个想法是为了补偿QWs通过势垒层的应变与相对应变(65年]。这些细胞的一个典型的例子是strain-balanced GaAsP / InGaAs QWSCs如图6。在每个时期,InGaAs井层的压缩应变与较大的晶格常数补偿的拉伸应变GaAsP阻挡层与较小的晶格常数。平均晶格常数等于平均应变的砷化镓和细胞应该接近零,从而显著减少混乱的结构。
到目前为止,QWSCs显示工程优势吸收光谱,提高光电流。然而,仍有一些挑战。最重要的是增加吸收发光的堆栈。这可能是解决越来越QWs,但这很大程度上取决于高质量和产量增长技术的可用性。另一个广泛研究的方法是使用光捕获方案(66年]。
3.5。量子点太阳能电池串联
在各种高效方法,串联结构是唯一的方法,展示了能够实现高转换效率(44% ~ 500个太阳)超出了Shockley-Queisser限制(67年]。然而,这些细胞需要使用昂贵的III-V材料和制造工艺,这是唯一可行的集中系统。因此,这将是很有吸引力的,如果选择低成本的材料和过程可以采用这样一个串联电池的设计。
近年来,量子点串联太阳能电池使用带隙工程纳米晶体作为吸收材料已经被提议作为一种很有前途的高效方法(68年- - - - - -72年]。大多数这些串联太阳能电池被设计成使用最常见的元素,比如如果通用电气、硒化铅和PbS。这不仅降低了材料成本,还保证原材料的长期可用性。此外,这种串联太阳能电池具有良好的潜在的大规模生产,这得益于集成电路产业。所有的量子点太阳能电池串联三个太阳光示意图如图7。串联堆栈的顶部和中间太阳光是由纳米晶体工程带隙和传统的单结太阳能电池作为电池底部。两个上细胞的有效带隙可调纳米晶体的大小和其优化值取决于电池底部的选择。
有一系列步骤实现协同工作所有的量子点太阳能电池,包括带隙的制造工程纳米晶体,整流pn结的形成,并通过隧道层细胞的互连。这些挑战,能够调整材料的带隙通过量子限制效应的基础概念。在过去的二十年里,大量的努力已经取得了低维约束属性的调查各种纳米晶体(72年- - - - - -75年]。尽管密集的研究,纳米晶体的可靠的生产使用低成本制造技术仍然是一个困难的领域。这是因为为了准确地调整带隙,纳米晶体材料的某些方面需要精确控制,如微晶的大小和分布、障壁厚度、缺陷钝化。最近,两个有趣的技术已报告提供相对可控的纳米晶体生长与分散相能源缺口尺寸(72年,76年- - - - - -80年]。超晶格结构的使用传统薄膜溅射等技术允许一个简单的集成与当前硅工艺,而为基础的解决方案过程中产生胶体半导体纳米晶体显示了低成本结构的制造巨大的优势。除了可控合成纳米晶体,纳米晶体的操纵电气性能也需要研究为了形成一个整流pn结电荷分离(81年]。总之,需要继续努力,进一步提高纳米结构的质量和更深入地理解底层的物理路径的实现所有量子点太阳能电池串联工作。
3.6。热载流子太阳能电池
在传统的太阳能电池,photocarriers放松从他们最初的精力充沛的位置带边沿的热发射过程才能从设备中提取。因此,吸收大量的能量被浪费特别是对高能光子。1982年,一种光伏设备称为热载流子太阳能电池(HCSCs)提出了及时提取photocarriers精力充沛,所以热化损失可以最小化,可以显著提高太阳能电池效率82年]。原则上HCSCs效率可以高达67% AM1.5辐照下集中照明下,甚至达到86% (83年]。
从原理图如图所示8,为了构建一个完整的HCSC,我们需要弄清楚两件事:极其缓慢的冷却速度的吸收器热接触运营商和提取微弱的能量范围(83年- - - - - -85年]。这个地区在过去的十年里,大多数努力都致力于发现适当的热载流子吸收材料。事实上,自从HCSC的出现,低维结构被认为是最有前途的减少热载流子冷却速率(86年,87年]。理论和实验研究表明,纳米结构的独特属性负责冷却速度降低,比如更严格的保护规则carrier-phonon交互中几个运营商少振动模式和载体定位效应,防止载体out-diffusion冷却热声子地区(88年- - - - - -90年]。同时,纳米结构还展示了一些潜在的制造选择性能源联系85年,91年- - - - - -93年]。然而,不幸的是,直到现在还没有工作装置是专为HCSCs,这或多或少地反映了HCSCs的发展正面临严重的挑战。这可能与事实是很难使用当前制造技术生产HCSCs所需的纳米结构。此外,定制的描述设备和方法的缺乏也阻碍了发展新材料和设备结构。
4所示。结论和未来的发展方向
已经有很长的历史在光伏设备使用纳米结构。第一个应用程序的策略是提高传统薄膜太阳能电池的性能。尽管一些积极影响的纳米结构明显观察到这些设备,他们仍然缺乏竞争力由于固有的局限性吸收器的性能。因此,纳米吸收剂的发展优势相结合的量子限制能量水平和低成本的过程被认为是相当重要的实现下一代光伏的概念。到目前为止,多元化的设计提出了利用独特的纳米结构优化的灵活性光子吸收,船代和电荷分离。理论计算表明承诺为这些设备效率高,尽管他们的不同的方法。然而在实践中,一个竞争技术需要满足其他需求除了效率等光谱的鲁棒性,易于生产和长期稳定。没有纳米太阳能电池匹配所有这些目标。
混合太阳能电池结合无机纳米粒子和聚合物共混导电是最好的发展到目前为止,进一步改进可能会降低整个美元每瓦成本。最近,钙钛矿材料的发现极大地提高了混合太阳能电池的吸收能力从而导致效率提高。这使得混合钙钛矿太阳能电池的理想候选人便携式或灵活的应用程序。在这种类型的太阳能电池,长期稳定似乎是一个更有挑战性的问题比转换效率根据现有研究和实验结果。更稳定的发展混合动力结构和适当的包装技术对杂化钙钛矿的未来发展很重要的太阳能电池。
串联太阳能电池与多个能量阈值在理论上有很高的效率。更重要的是,他们的嵌入式QW和QD吸收器可以由低成本、丰富,无毒,稳定的材料。因此,串联太阳能电池被认为是一个有竞争力的技术,可显著提高光伏发电的实现。然而,尽管发达的方法制备纳米结构,航空运输这些设备仍有困难和提取。进一步的研究应该集中在抑制载体复合,形成高质量的连接和金属接触。
与混合细胞和串联细胞相比,在其他方法还在更早的阶段。纳米线太阳能电池受到相对较低的效率极限,和中级设备和热载体细胞仍有严重的理论问题需要回答。除了太阳能电池在本文所提到的,一些更高级的概念也可以实现纳米结构的实现,如多个载波生成,向上/向下转换,thermophotonics和热光生电的94年- - - - - -97年]。目前这些深奥的方法似乎是不切实际的,但其中的一些可能成为可能的理解主题继续改善。
除了用作吸收剂材料,纳米结构正受到越来越多的关注作为替代光捕获结构薄膜太阳能电池。在过去的几年里,几个不同的方法开发了纳米光子光捕获。周期性结构是最好的开发方法有很好的理解的基本机制和成熟的处理技术。根据尺寸的数量,有三种周期结构,布拉格的堆栈,光栅,光子晶体(98年- - - - - -102年]。电浆结构是纳米光子光捕获的另一个有前途的方法。离散金属纳米粒子表面上随机散射入射光进入太阳能电池的活性层,从而导致光吸收的增强103年- - - - - -107年]。相比传统的方法,如表面纹理,使用纳米光子结构薄膜太阳能电池是一种更好的选择,因为他们不会影响薄膜的表面形貌,对设备性能有显著的影响。在未来的工作中,这些结构需要的生产成本显著降低,尤其是大面积基板。否则,他们不可能被用于商业生产。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号61204004)和中央大学的基础研究基金(批准号ZYGX2012J157)。