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新技术提高下一代太阳能电池效率
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-25 11:58:41

 作者:Jeff Hecht

清洁、绿色发电的光明前景,已经吸引了投资者和政府机构对光伏发电的技术和生产倾注了巨大投入。在过去的35年间,太阳能电池的效率(即将光能转换为电能的效率)一直在稳步提高(见图1)。然而相比于半导体电子技术的发展步伐,光伏技术的发展速度似乎略逊一筹。1977年最先进的电子计算机是苹果机,其当时具有1MHz的处理器和4K的RAM存储空间。然而在过去的33年间,单晶硅太阳能电池的转换效率仅仅翻了一倍,即从1977年的大约13%提高到了现在的接近28%;相比之下,计算机处理器和存储器的发展速度则是惊人的。

  

图1:从上世纪70年代中期开始,光伏效率就一直在稳步提高。此图来源于美国国家新能源实验室。测量结果是在实验室利用太阳模拟器在相似的条件下得到的。

 现在,研究人员希望利用新一代太阳能电池将光伏效率再提高一个台阶。他们的目标并不是寻找新的光伏材料,而是利用新技术进一步提高现有光伏材料的转换效率。研究人员的目标之一是优化无机薄膜半导体的内部结构,使其能以薄膜的形式沉积在廉价的基底上,从而实现低成本、大面积的太阳能电池板。研究人员的另一个目标是设计内部微纳结构,以提高收光效率、转换效率和发电效率。

 碲化镉效率的倍增

基于无机半导体的薄膜技术,已经在实现大面积太阳能电池发电设施方面获得了市场的青睐,这是因为它可以沉积在玻璃等廉价的基底上,因此极大地降低了太阳能电池板的价格。

 使用最广泛的薄膜材料是碲化镉(CdTe)。美国国家新能源实验室已经在小尺寸CdTe太阳能电池上获得了16.7%的转换效率,但是这需要使用昂贵的基底。科罗拉多州立大学的W. S. Sampath说,在玻璃基底上CdTe的最高转换效率是13.8%。在玻璃上刻蚀加入电子线路,需要把每个太阳能电池串联起来,这时转换效率会降低到10%~11%。

 6月份,国家科学基金(NSF)授予科罗拉多州立大学一项为期5年、经费为45万美元的项目,旨在建立一个产业界和学术界相结合的研究中心,主要致力于研究下一代光伏技术,Sampath为该项目的负责人。科罗拉多大学将与Abound America、5N Plus、Pilkington North America、Ion Edge和MBI这五家公司合作,在未来的5年内,每家公司都将出资40万美元资助该项目。该项目的目标是将太阳能电池的转换效率提高到20%或30%,并使之实现商业化。

 目前,由First Solar公司量产的低成本CdTe光伏电池是单结器件,把双层硫化镉(CdS)和CdTe沉积在2英寸×4英寸的钝化的玻璃窗上。Sampath表示:“我们希望保持现有制造技术的所有优势,并探讨更加复杂的合金和材料,以提高太阳能电池的性能。”

 Sampath表示项目将着眼于多结结构,包括三重和四重混合物。研究人员正在研究将碲锌镉和碲镁镉用于短波长,以及将其他化合物用于长波长。目前,研究人员遇到的困难是:不同材料边界之间的钝化、以及在不破坏下面一层材料的情况下,如何制作两层之间的结。

喷墨法制作薄膜

德州大学奥斯汀分校的Brian Korgel受NSF资助也在研究改进其他薄膜材料的性能,其中包括铜铟镓硒(CIGS)。CIGS在实验室中的能量转换效率可以达到20%,但是其商业化程度却没有CdTe高。

 Korgel正在开发可以直接喷到廉价基底上的无机半导体“墨汁”。Korgel表达了他对CIGS的偏爱,这是因为30年来的研究已经证明:只有CIGS和CdTe才有可能替代硅、用于制造太阳能电池,但同时他也在探索其他可能的材料。可喷墨打印的材料避免了气相沉积法所需要的高真空和高温过程,可以在塑料等柔性材料上喷涂。这有可能将制造太阳能电池的成本降低到现在的10%,这也将会引发更多的新应用。

 纳米结构:纳米柱和同轴纳米柱

其他研究组正在致力于研究新型太阳能电池结构,以提高光吸收,从而获得比传统的太阳能电池更高的电流。这其中的一个根本问题是如何平衡光吸收和传导电流。光吸收会随着光在半导体内传输长度的增加而增加,然而半导体层厚度的增加,会使电子在经过时损失得更多。因此研究人员正在探索使光和电流沿着不同的路径传输。

 其中一个办法就是在表面制作规则的半导体纳米柱阵列。光垂直地沿着纳米柱产生载流子,而载流子可以水平地传导到纳米柱的侧面,在侧面可以使用电导率高的材料,比如表面的透明导体材料。去年加州大学伯克利分校的Ali Javey及其同事报道了这样一个例子,他们使用CdS单晶制造纳米柱,然后在表面涂覆了多晶CdTe。CdTe吸收了大部分光,同时CdS纳米柱作为电子的导体。[1]

 波士顿学院的Michael Naughton表示,在表面制作“同轴纳米柱”可能会比简单的纳米柱获更好的电导率。这个结构是通过在硅基底表面沉积一系列涂层形成纳米柱(见图2)。与波士顿学院的Kris Kempa和Shifeng Ren合作,Naughton在一个薄金属层上制作纳米柱,然后连续沉积p掺杂、本征和n掺杂的无定形硅,从而形成纳米柱上面的薄膜。在这个结构上再镀上一层透明的导体,就形成了同轴纳米柱。

 

图2:由波士顿学院的Michael Naughton开发的同轴纳米柱类似于同轴电缆。中间的导体是镀在硅纳米柱上面的钛金银薄膜。表面覆盖n-i-p多层无定形硅,从而形成太阳能电池结,然后在硅上面再镀一层透明薄膜。两个金属层分别为电子和空穴提供了导体。

导体可以作为光学天线来吸收垂直入射在其表面的光,但是其首先被硅层吸收,产生的电子空穴对沿着水平方向传输。在结附近有一个电场可以分开载流子,因此空穴向一个导电层移动,而电子向另一个方向移动。导体分布在同轴纳米层的顶部和底部,从而形成光伏电压。这样对光和载流子的分割产生了一个很厚的垂直层,以提高光吸收效率,同时也保证了高电导率的薄水平导电层。Naughton最初获得了9%的能量转换效率。[2]他说NREL目前已经获得了10.5%的转换效率,该结果已经接近无定形硅12.5%的记录。

 热电子转换

Naughton表示,光和载流子的分离只是重新构建第三代高效太阳能电池中三个步骤中的第一步。研究人员同时还需要捕捉到所有的入射光子而不只是带隙能量。实际上,入射光子的确把所有能量都转移给了激发到价态的电子,但是通常情况下,在皮秒时间内由于在半导体内部激发振动而损失了多余的能量。去年,Naughton演示了其中一些光子可以被一个非常薄的太阳能电池提取,但是光吸收太低,因而没有实用价值。[3] 6月份,德州大学奥斯汀分校的朱晓阳(音译)课题组发现了一个更好的办法来捕获热电子。[4]他们使用硒化铅量子点,其中电子能级被一个远高于最高光子能量的能级分开。这产生了一个“光子瓶颈”,保证了热电子不会因为单光子的增加而损失。这使得从硒化铅量子点产生的热电子在50fs之内被转移到邻近的二氧化钛层上(见图3)。

图3:太阳光在硒化铅量子点上产生热电子,然后在50fs内被耦合到二氧化钛层上。

朱晓阳课题组报道,从热载流子中提取所有的能量,可以使太阳能电池的转换效率提高到66%,超过任何单结电池的两倍。Naughton表示,这项工作非常出色,但是它不是太阳能电池。热电子的提取需要结合光和载流子的分离,所有的东西需要封装成太阳能电池并被连接到导线上,而且需要保证在导线上不会损失热载流子的能量。没有人认为这是一项很容易的工作,但是新的实验会给出更好的方法。

展望

成功的实验室展示只是通往下一代实用太阳能电池道路的第一步。但是这项技术必须保证性价比,这样制造商和使用者都能接受。目前最高效的太阳能电池也是最贵的,一般需要最好的太阳能聚光器。太阳能时代的到来不会太容易,但是我们已经看到了它即将到来的一些令人鼓舞的迹象。

 参考文献:

1. Z. Fan et al., "Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and flexible substrates," Nature Materials 8, 648–653 (2009); doi: 10.1038/NMAT2493.
2. M. Naughton et al., "Efficient nanocoax-based solar cells," Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 4, 181–183 (2010); doi: 10.1002/pssr201004154.
3. K. Kempa et al., "Hot electron effect in nanoscopically thin photovoltaic junctions," Appl. Phys. Lett. 95, 233121 (2009).
4. W.A. Tisdale et al., "Hot electron transfer from semiconductor nanocrystals," Science 328, 1543–1547 (June 18, 2010).


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