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太阳能电池作业原理与光电二极管相似,其间心组织是一个p-n结,无光照时其I-V特性见图1的
增加新的外界条件今后其发生的效果能够直接叠加到原状况上。对p-n结施加光照今后,p区、n区和势垒区都会发生电子空穴对,假定太阳能电池作业时满意小注入条件,即对原p-n结各区的多子浓度不发生影响,也就不影响分散电流;光照所发生的少子在一个分散长度内的区域能够分散到耗尽区随即被内建电场扫到别的一区,这样就增大了反向漂移电流。这样一个额定的反向电流直接叠加到原p-n结I-V特性上,体现为曲线的下移。
L_N、L_P别离为电子和空穴分散长度,W为势垒区宽度。假如考虑到分散长度L_N、L_P一般显着大于势垒区长度W,或许选用特别结构如p-i-n结,I_L与外加电压无关。假如将外加光照的p-n用于制造太阳能电池,则需求作业在第四象限,这时反向电流发生正向电压,p-n结向外界供电。
转化功率点,这是太阳能电池最重要的参数。在实践作业时,太阳能电池输出功率对外界条件灵敏,所以就发明晰最大功率点盯梢的技能。转化功率一般记为:
不同资料具有不同的禁带宽度,对不同光的响应和吸收就不同,比方禁带宽度小的半导体能够吸收光发生光生载流子的规模更大,可是依据(1)式,I_L
结构规划方面举例:1.咱们能够规划特别的结构增大资料对光的吸收,比方光入射面的倒竖金字塔结构能够增加光的入射次数,使资料进行屡次吸收然后进步光电转化功率;2.光生载流子复合对光电流没有奉献,能够经过特别的结构规划以及钝化
更早的硅太阳能电池会选用反面双电极结构(附录图A1),顶层没有电极遮挡(透光性更好)且简略衔接,可是因为电流会沿着硅片外表的分散层传输较长间隔才干被反面电极搜集,电阻较高,依据硅太阳能电池原理,咱们一般需求较低的电阻率而图中硅片外表之上的栅线电极就很好的改善了这一点,也对透光面积做了很好的折中处理(大面积电极能够下降电阻,有利于载流子抵达电极点,但也下降了透光面积)。
注:{在必定规模内,电池的开路电压跟着硅基体电阻率的下降而增加,资料电阻率较低时,能得到较高的开路电压,而短路电流则略低,总的转化功率较高。可是过低的电阻率反而使开路电压下降,且填充因子也会下降}。
一般底层单晶成长进程中掺入硼构成p型掺杂,薄的n型层可由磷重掺杂构成,这层薄的n区也称作“发射区”,浅结有利于载流子搜集,不过过浅的结可能会导致在上电极金属化的进程中导致漏电,一起也削减了光子的吸收,n区的厚度需求归纳考虑。一起p和n的掺杂浓度也需求细心规划,过高则载流子复合尤其是外表复合增大,过低则电池体电阻增大。
V_{oc},一起也能够作为反射膜进步资料对光的吸收,所以反面铝电极在电池功率的进步中发挥了重要效果。别的一种闻名的结构——倒金字塔形太阳能电池,原理与上述电池大体相同,可是作为一种典型结构以及其极高的功率(可达24.7%)就在附录中也做扼要介绍。
纯非晶硅电池功用很差,可是硅烷辉光放电长生的非晶硅具有一些独特的性质(包含较高的光电导),首要和其间的氢原子有关,不过光照下氢原子的效果会受限。放电时引进杂质气氛(PH_3和B_2H_4
相关于单晶硅,非晶硅载流子搬迁率低、少子分散长度短;“禁带”中散布着接连的电子态导致掺杂杂质不能悉数激活,掺杂过高会严峻影响资料质量;氢的引进使其禁带远大于单晶硅;其无序性略微缓解了挑选定则使得单晶硅对光的吸收较弱的问题,效果不如直接选用下面将会说到的直接带隙半导体
在功率的改善进程中,用到了结构调整、低浓度掺杂(虽然增大耗尽区复合可是能够减小外表复合)、成长作业环境(如温度)的改善、功用层的引进(如MgF_2,SnO_2,In_2O_3
CIGS薄膜太阳能电池的根底结构包含有CIGS, CdS, ZnO, ZnO:Al薄膜。功率的改善多依托资料及其薄膜出产工艺的改善。
为了进步导电性和透光性,选用导电玻璃作为基片。可依据状况择优挑选:ITO(铟掺杂氧化锡)/ FTO(氟掺杂氧化锡)。
TiO_2导带中,然后经过外电路到阴极。一般要求染料分子有必要满意必定的规范,如与太阳光谱匹配,长时间运转安稳性,结实的接枝在半导体外表。
别的一侧掺有铂(Pt)的导电玻璃作为阴极,光激起电子到右侧经过负载在阴极外表被电解质吸收,Pt催化氧化电荷介质的复原。
依据我现在的了解引自文献的该图标示的电解质转化方向和外部电流方向与实践正好相反
C_{60})分子中,假如用有机半导体和(C_{60})组成双层膜结构能够很高效的别离光生载流子,尔后,以C_{60}为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。不同于无机半导体,载流子在有机资猜中的搬迁率往往很低,这导致载流子分散长度很小,大多数载流子分散不到结区就复合掉了,对光生电流没有奉献,导致光生电流的减小,这一点从(1)式也能够看出。为了进一步进步功率,研讨人员在此类太阳能电池的根底上又提出了一个重要的概念:Bulk Heterojunction——混合异质结(体异质结)。即
便是将给体资料和受体资料混合起来,经过共蒸或许旋涂的办法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里构成一个个单一组成的区域,在任何方位发生的激子,都能够经过很短的途径抵达给体与受体的界面(即结面),然后电荷别离的功率得到了进步。一起,在界面上构成的正负载流子亦可经过较短的途径抵达电极,然后补偿载流子搬迁率的缺乏。符合要求的电极应当是挑选性的电极。也便是说,当给体与负极触摸时,给体不能把空穴传输给负极。在混合异质结中,像这样的触摸事实上是避免不了的,不过仍是明显的进步了功率。
BX_6八面体经过共用极点相互衔接构成三维网络结构,A位阳离子则坐落相互衔接八面体的空地中,整个结构可当作BX_6八面体的摆放。A位离子不同则会影响八面体的结构。>
图5.钙钛矿晶胞结构
物理上咱们所研讨的钙钛矿资猜中的B常为d轨迹资料{仅为个人猜想},关于这种资料,A位离子因为是满壳层对资料的全体性质影响较小,资料性质首要以来B位离子。B原子的d轨迹本应是10重简并的,在钙钛矿中,首要考虑较大的晶体场效果(B处于X离子八面体的晶体场中),B离子轨迹劈裂为四重简并的e_g
t_{2g}轨迹{这是最简略的状况,假如因为A离子导致BX_6八面体发生畸变,对称性下降,B离子的轨迹将劈裂为更杂乱的结构,这也是Jahn-Teller效应的内容}。然后因为较强的自选轨迹耦合以及电子之间较强的库仑相互效果,导致$t_{2g}$轨迹进一步劈裂,假如将电子占有的能级与没有电子占有的能级劈裂开,则会使资料具有相似于半导体/绝缘体导电性,以$Sr_2IrO_4$钙钛矿资料为例,其能级劈裂状况如图6。
ABX_3型资料的首要差异便是BX_6八面体的摆放办法不同,比照可见附录图A8。>
图6.在$Sr_2IrO_4$资猜中Ir离子能级劈裂状况[10]
在发现这种新的钙钛矿资料之前,所研讨的钙钛矿多为氧化物钙钛矿,用于铁电,压电,介电和热释电运用等,绝大多数不体现半导体功用而适用于光伏运用。直至19世纪90年代,对卤化物钙钛矿才开端逐步打开,这种体现出了必定的适宜光伏运用的半导体特性,虽然对这种资料性质展开炽热,并且到了20世纪90年代也将这类资料用于电致发光(LED),但仍是没有人将其用于太阳能电池。
将有机-无机卤化物钙钛矿资料用于太阳能电池的启蒙性作业是东京大学(UT)的一个课题组探究了将其用于DSSCs电池敏化剂的可能性[11]。
卤化物钙钛矿是具有半导体性质的离子晶体,其光学吸收波长跟着结构中存在的卤化物(I,Br,Cl)的品种和摩尔比体现出很大的改动,能够经过改动卤化物离子(I,Br,Cl)来轻松调整带隙和光学吸收。试验也标明混合卤化物钙钛矿能够构成离子晶体的杰出固体溶液。因为边际波利益的强吸收和较短波利益的宽平整吸收所反映,卤化物钙钛矿具有优异的光学吸收功用,可用于可见光光电子学,答应运用薄膜结构。缺点耐受性带来高电压。
不过钙钛矿电池的一个缺点便是不太安稳,这源于其间的离子搬迁现象。卤化物钙钛矿常常简略溶于一些电解质溶液里,这一点也是需求战胜的问题。
简略的来看,PSC原理与p-i-n和n-i-p太阳能电池原理相似,钙钛矿作为i层吸收光子发生电子和空穴,再有n层和p层资料别离搜集发生光生电流,不过实践载流子的发生、别离和传输不像硅p-i-n电池那样简略,典型的钙钛矿太阳能电池结构如图7,其相似于pn结结构的能带图见附录图,更详尽的了解原理可参阅[12]。
前期人们首要重视的是高质量钙钛矿薄膜的工艺制备,不同组所用办法不同很大,并且钙钛矿对制备条件的不同也很灵敏,导致短时间内找不到钙钛矿薄膜功用和特性的一般联系。跟着研讨的逐步堆集,科学家认识到
具有大颗粒和高结晶度的平整细密(无针孔)钙钛矿吸收膜是高功率的先决条件
。现在已有多种办法比方溶剂辅佐蒸汽退火等办法来制备较为抱负的钙钛矿薄膜。
前期人们重视的第二个问题便是I-V迟滞现象,可能会影响器材安稳性,研讨标明离子搬迁以及界面处的圈套和界面重组会导致滞后,可是对迟滞的来源还没哟明晰一致,不过经建立起许多依据界面工程的办法来消除。
1. 结构安稳性:首要是指能否得到咱们所要的钙钛矿结构。依据一种经历目标——Goldschmidt耐受因子\tau
\tau挨近1有利于构成立方钙钛矿结构,挨近0.8有利于构成畸变的钙钛矿结构,\tau\approx0.9时能够构成黑色光活性钙钛矿。不同的离子会对\tau的巨细发生不同方向的影响,所以它的值对咱们挑选离子供给了辅导。2. 离子搬迁带来的安稳性问题:PSC内部总会存在电场,这会导致离子搬迁现象的发生,离子搬迁可能会经过诱发相别离影响PSC的长时间安稳性。离子的搬迁有必要由固体中的缺点介导。离子在此类固体中的搬迁速率取决于可用的空隙。虽然现在已经有许多研讨对离子搬迁现象进行研讨,仍有一些悬而未决的问题比方没有电场下是否会发生以及肖特基缺点(
)的存在没有直接依据等,对离子搬迁更明晰的认知必定能够协助咱们对其进行按捺。3.多晶薄膜的特性带来的安稳性问题:出产时的工艺问题(比方退火进程中的热应变力、应变压力等)会加速钙钛矿的降解。
虽然铅在PSC功用方面处于领先地位,可是其毒性一直是商业化的严峻阻止,虽然能够经过在地面上增加吸附剂等办法较少其影响,可是铅的毒性仍是为科学界供给了研讨无铅/低铅PSC足够的动力。
1. 大面积: 现在报导的功率最高的太阳能电池多是小面积电池,可是要在大区域单元中完成相同的功用才是完成工业化的先决条件。
:各向异性腐蚀即腐蚀速度随单晶的不同结晶方向而改动,一般说来,晶面间的共价健密度越高,也就越难腐蚀。关于硅而言,如挑选适宜的腐蚀液和腐蚀温度,(100) 面可比(111) 面腐蚀速度大数十倍以上。因而,(100)硅片的各向异性腐蚀终究导致在外表发生许多布满的外表为(111) 面的四面方锥体,因为腐蚀进程的随机性,方锥体的巨细不等。硅的各向异性腐蚀液一般用热的碱性溶液,如氢氧化钠,氢氧化钾,氢氧化锂,联氨和乙二胺等,商品化电池的出产中,一般运用廉价的氢氧化钠稀溶液(浓度为
1\sim2\%)来制备绒面硅,腐蚀温度为80°C左右,为了取得均匀的绒面,还应在溶液中增加醇类(如无水乙醇或异丙醇等)作为络合剂,加速硅的腐蚀。>
图A2.高功用PERL(钝化发射极背部局域分散)电池
1. 经过倒金字塔型的外表结构以及反面铝电极和$p$型硅之间大部分区域参加氧化层进一步削减入射光的糟蹋;
更多概况见[4],背触摸、埋触摸结构电池原理可参阅[2]。现在高效的硅太阳能电池也包含IBC电池以及HIT(异质结:非晶硅和晶体硅)电池,可参阅【深度】IBC、HIT、PERL高功率太阳能电池的开展现状与趋势_的博客-CSDN博客_ibc电池
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