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筑波SEMINAR之十三:光伏电池 精选

已有 4478 次阅读 2007-10-3 14:38 |个人分类:筑波SEMINAR|系统分类:科研笔记

这些日子看了两本资料,一本是MRS Bulletin关于光伏电池的专辑评论(March 2007. v32. no.3),另一本是美国能源部2005年发布的一个太阳能应用报告。看了以后觉得这个领域入门并不是很艰深,想做点研究也能做起来,而且光能源是一种零排放的新能源,对于发展中国家来说非常重要。国外的研究现在还都处于探索阶段,国内想必也有大量的课题在做,在这里面纳米结构材料还真有用武之地。如果国家能优先发展太阳能相关研究,那么对经济、环境、生活的可持续发展是一个好事。看文章看得激动就在MITBBS上发了一个帖子,预告我要在这个开个SEMINAR,不想MITBBS这个坛子里面潜着不少搞PV的都很感兴趣。写就写,反正我做炮灰或者前浪,大伙儿就过来指点一下,我等初学之人也算是可以得到提高了。

1,光伏概念和物理基础。

光伏(photovoltaics)概念其实和我们前面聊过的异质结结构有些类似,其基本物理过程都是类似的,找个图说说。

上图是无机半导体材料组成的p-n结,由于费米能级的差异,在暗条件下p-n结的界面处会产生能带弯曲的结果,其实这个弯曲表明了两端的电荷不平衡而导致电子空穴的移动,移动的最终平衡是建立了一个反向的内电场,这个电场由移动的电荷形成并阻止了进一步的电荷移动。在光照条件下,任何一侧如果光提供的能量大于禁带宽度,那么就会形成一对自由移动的电子空穴,一般来说一个光子产生一个电子或空穴,后面会进一步讨论也会形成两个或更多的电子。这个电子由于全部吸收一个光子的能量,会跃迁到导带以上的能级,这个时候的电子称为热电子。热电子由于最终会跳回导带这个稳定的电子态密度函数(轨道),这个能量差就会以晶格振动或者其他某个方式转变为热能损耗掉,这个损耗很惊人,一下子就把光电转换效率降到一个极限值32%,当然现在有了新概念,就是如果直接扑获热电子,要直接转移这个热电子意味着热电子的扩散速率要大于弛豫速率,这个也是一个研究方向。转移到导带上的电子会向低处跑,最终跑到n型半导体一侧,再经过外回路提供电能,直到跑回p型半导体上和空穴相会,呵呵。

2,光伏电池的发展

一般好像划分为三代。第一代为硅基电池;第二代为薄膜技术发展的光伏电池;第三代是新概念光伏电池。

硅是地球表面最富集的金属元素,现在99%以上的太阳能电池都以硅为基础材料。但是硅为间接带隙半导体,而且光吸收系数也比较低,电子在硅中的扩散长度依赖于硅纯度,这些都对光电转换效率造成极大的影响。现在有开发非晶硅材料的电池,非晶硅表面经过氢化以后缺陷能大幅度减少,而且非晶硅可以通过组成调控改变材料性能。

第一代太阳能电池一个很大成本在于使用昂贵的基板材料,所以第二代产品致力于在便宜的基板材料,如玻璃等上采用先进薄膜技术生产器件。与此同时,新材料的开发也尤为重要。重点在于开发直接带隙材料,高光吸收系数材料。CdTe和CuInSe2等半导体材料已经研发出高光电效率的产品出来。

第三代光伏电池现在还只是在研究初期。值得注意的两个发展方向是,1 采用量子点半导体提高转换效率,这里面关键点在于一个光子被量子点吸收后能产生2个以上的电子;2,采用并行概念,同时制成多层不同带隙的半导体材料,最大可能吸收太阳光谱能量。

 

从上面这个图可以看出三代不同产品的发展方向。第一代依靠扩大规模降低成本;第二代直接考虑从材料上降低成本;第三代致力于从光电转变效率上降低成本。如果光伏电池的成本降低到能与核电或者其他的成本相当,那么全社会就会发生真正意义上的‘绿色革命’了。我在YOUTUBE上看到Masdar的绿色城市,很迷人!http://www.youtube.com/watch?v=ovly1dQGKH4



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