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Science最新综述:光伏质料——当前的效力和将来的应战【新能源160501期】

公布日期:2016-05-03 19:22:19   泉源:

择要:点击上方 “质料人”便可定阅哦!经由远几十年的迅猛生长,种种光伏质料的最高光电转化效力曾经整体到达了10-29%的程度。近期,荷兰纳米电子学中心Albert Polman等人将当前最广泛的16种光伏质料的光电机能取肖克利奎塞尔(Shockl......

点击上方 质料人便可定阅哦!


经由远几十年的迅猛生长,种种光伏质料的最高光电转化效力曾经整体到达了10-29%的程度。近期,荷兰纳米电子学中心Albert Polman等人将当前最广泛的16种光伏质料的光电机能取肖克利奎塞尔(Shockley-Queisser, S-Q)邃密均衡极限模子联合,归纳得出了种种光伏质料的根基效力限定身分,即光管理和载流子管理;并从现实运用角度动身概述了种种太阳电池大面积制备需求处理的关键技术题目并展望了它们将来的发展方向。那篇文献为科研工作者和产业界指出了太阳能电池现在存在的题目和奠基了今后生长的基调。以下是文献图文详解。

Part 1  S-Q模子取太阳电池效力的限定身分


太阳能光伏发电能是知足逐年增添的环球能量需求的幻想挑选。进步太阳电池的光电转化效力(PCE),是其降低成本,从而得到大面积运用的决定性身分之一。太阳电池由半导体材料构成,其PCE由诸多身分限定,图1(a)描画了这些身分。起首,能量大于半导体材料的光子才气被吸取,被吸取后的光子因为热固化消耗,也不能完整转化为载流子。思索那两个身分,当半导体材料的带隙为1.1-1.4 eV时,太阳电池可以或许得到的最大光子能量约为45%。其次是电压丧失。现实太阳电池的开路电压Voc老是低于其光学带隙,那是因为不可避免的热力学邃密均衡一定形成太阳电池自觉天背外界辐射光子。另外,太阳电池的最大输出电压Vmp每每小于Voc,最大输出电流Jmp一般小于短路电流Jsc。思索以上所有身分,Shockley和Queisser于1961年起首展望了太阳电池的极限效力(S-Q极限),并以为正在尺度AM1.5太阳光照(一个太阳)辐射下,太阳电池的极限PCE为33.7%,此时对应的半导体的禁带宽度为1.34 eV



图1 太阳电池效力的限定身分(a)和现在的最大值(b)


太阳电池正在事情时,因为光子吸取消耗和光死载流子消耗、载流子复合和阻抗,使其Jsc、Voc和FF低于S-Q实际极限值,因此其PCE也近低于S-Q极限值。根据太阳电池的PCE与其S-Q极限值的靠近水平,能够将太阳电池质料分为三类(图1(b)):第一类为超高效力的单晶光伏质料,其PCE凌驾S-Q值的75%,重要有单晶硅(同质或同量)、砷化镓和磷化铟镓。第二类为高效多晶质料,其PCE为S-Q值的50-75%,包孕多晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉、钙钛矿和磷化铟。第三类为低效质料,其PCE小于S-Q值的50%,有微晶硅、纳晶硅、无定形硅、铜锌锡硒(CZTS)、染料敏化二氧化钛、有机太阳质料和量子点质料。


图2示意了每一种质料正在最高效力情况时对应的Jsc、Voc和FF;为了轻易对照,同时用曲线示出了差别带隙的质料对应的S-Q极限值。从图中能够看出,差别质料的Jsc基本上遵照S-Q极限曲线(JSQ)的转变规律,许多质料的Jsc皆接S-Q远极限值。而Voc和FF的散布却异常离散,仅仅只要少数质料靠近S-Q极限值。基于那三个主要参数的差别转变趋向,同时为了便于剖析,界说了两个新的特性参数:第一个为j(电流比率),示意Jsc/JSQ;第二个为v×f,个中v和f离别示意Voc/VSQ(电压比率)和FF/FFSQ。那两个参数将种种太阳电池的效力限定身分归纳为光管理(j)和载流子管理(v×f)两个身分。其合理性在于,j注解了光耦合、吸取、捕捉水平和载流子收集效力;而v重要取种种(体、外面和界面)载流子复合相干,v和f是所有的电荷限定历程的总和。从图3能够看出,关于具有差别效力极限的半导体材料,光管理和电荷管理所占的比重有很大的差异。作者联合那两个参数正在接下来的局部具体天剖析了这三类质料的特性。



图2 各种效力最高电池的三个参数取S-Q极限值对照


Part2  种种太阳电池的生长概略


根据PCE从高到低的递次,作者概述了种种太阳电池的事情特性和机理、器件构造、效力限定身分(取S-Q模子联合,图2、图3、图4)及其正在运用方面需求思索的题目。除按其效力取S-Q实际极限值的靠近水平停止分类,借能够按其器件的厚度分为晶硅电池和薄膜电池,晶硅电池的厚度一样平常为100-300微米;而薄膜电池的厚度小于3微米,薄膜电池能够制造成柔性器件,正在特别应用领域施展重要作用。图3对每种质料基于以下两个特性参数停止评价:(1)电流消耗比率,j=Jsc/JSQ,这个目标代表电池中吸光层光耦合、吸取、光陷的优劣水平,而且取决于载流子收集效力。(2)电压消耗比率,v=Voc/VSQ, 这个目标重要代表正在异质结、外面及界面中载流子的复合水平….添补因子消耗比率f=FF/FFSQ取电压消耗比率一同代表了一个电池的电场限度。图3列出了差别质料实行数据的Jsc和Voc*FF取S-Q理论值的对照。凭据图3,可直观天看出质料的效力是被光吸收相干身分所限定,照样被载流子相干的身分限定。进一步天,作者详细议论了这些质料的相干参数。


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图3 光吸收丧失(j)和载流子丧失(v×f)对PCE丧失的孝敬


硅基太阳能电池(Si)(29.4%)


现在,环球光伏市场被基于晶片的硅电池主导,占到全部市场份额的90%以上,个中多晶硅占65%,单晶硅占35%。凭据报导,现在最高效力的硅电池为25.6%,近低于S-Q理论值33.3%。作者剖析以为限定硅电池的缘由其实不包罗正在S-Q模子的限定身分中,硅电池效力的流失重要是正在光照下载流子的俄歇复合。考虑到这些身分的话,最优化条件下厚度为110纳米的单晶硅电池,最高实际效力为29.4%。现有的前提借能够络续优化去靠近这个值。


砷化镓太阳能电池(GaAs)


GaAs的带宽靠近于最优值(1.42 eV),单节质GaAs的电池的最高效力为28.8%。因为吸光系数下,这类电池一般很薄,厚度正在2微米阁下。最高效力的GaAs电池电压消耗比率v=0.97,异常靠近幻想值;电流消耗比率为j=0.92,光流失重要存在于光反射、不完全的光陷和光吸收,和金属电极的吸取。添补因子消耗比率为f=0.97。考虑到俄歇复合,最高效力为约为32%。另有提拔空间。


磷化铟和磷化铟镓太阳能电池(InP & GaInP)


InP的带宽为1.35 eV,非常靠近GaAs的带宽,而其报导最高效力只要22.1%。主要原因是其低的电压和电流(v=0.81, j=0.85)。因为 In金属的稀缺性,且作为替代品的GaAs的电池效力较下,正在已往的几十年里,InP并没有获得很好的生长


GaInP的带宽为1.81 eV,相对较下,所以其S-Q实际效力只要25.2%。已报导的GaInP电池的最高效力为20.8%,其电压流失险些能够不记(v=0.96)重要流失在于电流收集(j=0.82)。需求指出的是,最高效力的GaInP电池具有比其他品种电池都要高的添补因子(FF-=0.89, f=0.98),那与其下的带宽有关。


铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)


Cu(In,Ga)(Se,S)2 (CIGS) 电池的最高效力正在近来20年一向正在增进,现在的最高效力为21.7%,成为效力最高的薄膜太阳能电池,CdTe以21.5%紧随厥后。经由过程调治In/Ga和 Se/s 的比例,CIGS的带宽能够正在1.0-2.4 eV之间调治,一般状况下,低的带宽有更好的效力。最高效力的CIGS电池(带宽1.13 eV)的电压很下,电压消耗比率为v=0.84,取最高效力的单晶硅电池相称。但是其电流流失相称大(j=0.84),主要原因是光的反射、不完全的光陷、和Mo背电极和其电池构造中的CdS和ZnO:Al层的光吸收。


可调治的带宽使CIGS成为非常好的串连电池质料,包孕差别带宽的CIGS串连,大概下带宽的CIGS取硅电池串连。


碲化镉太阳能电池 (CdTe)


CdTe是晶体结构为立方闪锌矿的二元半导体材料,带宽1.43 eV, 靠近幻想值。现在效力最高的CdTe电池效力为21.5%。好的吸光机能使其有很好的电流收集(j=0.96),取单晶硅电池相称,并远高于其他范例电池。但是电压流失正在CdTe电池中非常显着(v=0.75),主要原因是正在其多晶构造中,晶界和界面的复合消耗,而其中的道理还没有研讨清晰。


CdTe太阳能电池板曾经市场消费,而且正在薄膜太阳能电池市场中占据最大的份额。CdTe电池的瑕玷在于Cd的毒性和稀缺性。正在市场生长的同时,Cd的收受接管体系也正在随之建立起去。


碘铅甲胺钙钛矿太阳能电池 (Methyl ammonium lead halide perovskite)


碘铅甲胺钙钛矿太阳能电池,简称有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池,或钙钛矿电池。正在已往的5年里,钙钛电池像龙卷风一样囊括了光伏研讨范畴, 效力从最后研讨敏捷上升到到了20%以上。这类质料的构造一般为ABX3型,A是有机正离子[一般为甲胺(CH3NH3)],B是无机正离子[一般为铅(Pb)],X是卤素[一般为碘(I)并有一小部分氯和溴(Cl, Br)]. 凭据差别卤素的挑选,带宽正在1.6 eV 至3.2 eV局限可调,一般小带宽质料有更好的机能。钙钛矿电池的最高效力为21.0%,其电压流失异常小(v=0.83),以至优于单晶硅电池,那正在液相法条件下特别不足为奇。电流消耗比率为j=0.88,电流流失重要在于不可避免的空穴挑选层和背反射电极的吸取。正在效力高于20%的电池中,钙钛矿电池的添补因子是最低的(FF=0.73, f=0.81), 那很有可能是因为吸光层中电荷不均匀散布形成的复合流失,和载流子挑选层引发的载流子分流,和不幻想的载流子挑选层带来的电阻消耗。


只管有非常好的电池效力,钙钛矿电池一般会正在几个小时或几天后敏捷降解,那是其市场化最大的阻力。钙钛矿电池的不稳定性缘由是最近活泼的研究课题。别的,铅的毒性,钙钛矿盐局部溶于火,都是钙钛矿电池正在生长的道路上亟待处理的题目。


铜锌锡硫(CZTS)


Cu(Zn,Sn)(S,Se)2 (CZTS)取CIGS异常相似,能够看作是为了替换CIGS中的稀有元素而生长起来的,稀有元素In被Zn替代, Ga被Sn替代。取CIGS相似,CZTS带宽可在一定范围内调治(1.0-1.6 eV)。现在CZTS的最高效力为12.6%,因为正在本体中的缺点处和正在电荷提取界面的复合,CTZS有异常大的电压消耗(v=0.58).电流流失正在CZTS中取CIGS势均力敌(j=0.81).研讨出更好的背电极质料将是进步电压的效力的要害。


染料敏化电池(Dye-sensitized solar cells)


染料敏化电池是一类特别的电池,由于染料敏华电池运转历程中发生了电化学能,正在这类电池中,吸取质料不是固体的半导体材料,而是份子染料(一般为钌错合物)被涂到一个多孔纳米构造的电极上(一般为二氧化钛)。光引发的染料份子输出电子到二氧化钛的导带,并从非水电解液中接管来自氧化复原电对(一般为I-/I3-)的电子。氧化复原电对随后要散布到对电极(一般为铂)被复原到初始状况,并构成完好的电流电路。 染料敏化电池的最高效力为11.9%,并有很大的电压流失(v=0.60),重要是因为I-/I3- 氧化复原电对相对低的电势,然则现在定没有更好的替代品。别的一个大的应战是染料的吸取局限一般很窄,致使光吸收效力低(j=0.78).只管有本身瑕玷,染料敏化电池以其轻易组装,低成本,色彩可调及透光度下而得到了贸易运用。


有机太阳能电池(Organic solar cells)


有机太阳能电池的上风在于能够正在柔性基底上停止低成本的卷对卷消费,并且正在柔性和色彩上,有很普遍的质料挑选局限。现在重要有两种有机太阳能电池:小份子太阳能电池和 高分子/富勒烯 太阳能电池.单结有机太阳能电池的最高效力为11.5%。因为有机质料的介电系数偏低,光子引发的空穴电子对之间有很强的哥伦布力,一般接纳异质结(bulkheterojunction)的光吸收层构造去星散电子-空穴对并提取载流子。异质结是由高分子和富勒烯混淆而成形成的相互交织的网状结构。现在,有机太阳能电池的电压和电流皆相对较低,电压消耗比率为v=0.57, j=0.82. 电压的流失重要是因为正在异质结中非常下比例的载流子复合和异质结自己不规则的构造。电流的流失重要因为电荷挑选层的吸取,高分子不完全的光吸收,和因为低迁徙速度形成的载流子不完全收集。


有机太阳能电池的瑕玷是效力低,寿命短。而正在市场化的历程中,电池效力关于降低成本愈来愈主要。但是,有机太阳能电池有其他范例电池不具有的特性,比方本钱低,易消费,无毒,重量沉,和可加工为差别外形、色彩、透光度的柔性模块,那是它有本身独占的市场


薄膜硅电池(Thin-film silicon)


这类电池可分为两种:多晶及单晶薄膜硅电池和非晶硅太阳能电池。单晶和多晶薄膜太阳能电池的一般经由过程化学气相堆积法成膜。因为堆积速度一般较缓,而且基底纹理会引发薄膜缺点,那列电池有很高的电压和电流流失(v=0.61,j=0.67),最高的纪录效力为11.4%。


非晶态硅的吸光机能因为晶态硅,氮气带宽较宽(1.7-1.8 eV).这类电池经由过程真空蒸镀,由于分解速度较晶态硅快。单结薄膜硅电池的最高效力为10.2%。 但是,非晶态硅的电学机能较差,电池一般伴随下的电压流失(v=0.61)和电流流失(j=0.87)。


量子点太阳能电池 (Quantum dot solar cells)


量子点太阳能电池应用了半导体量子点能够经由过程高温液相条件下分解,而且带宽可调的长处。现在最好的量子点太阳能电池以PbS或PbSe作为吸取层。现在报导的最高效力的电池运用带宽为1.4 eV的PbS量子点,到达9.9%的效力。这类电池有异常大的电压流失(v=0.56),由于量子点的大小尺寸散布致使了带宽能量的散布,且量子点的面积体积比很大,会形成很下的复合流失。不完全的光吸收和下的载流子复合流失也致使了下的电流流失(j=0.66)。


Part 3  将来的发展方向


作者起首体系天回覆了光伏电池如何打破S-Q模子展望的极限值(33.7%)那一题目,并指出了三种可行的战略:第一,进步光子应用效力,大概经由过程设想多激子发生历程,即想法将一个光子转化为多个激子去实现,大概想法将太阳光谱转化为取现有半导体材料的吸收光谱越发符合的辐射光谱去实现;第二,设想多电池叠层构造;第三,应用聚焦光伏效应将太阳辐照强度增添。图4总结了现在几类效力凌驾20%的电池构造。



图4 效力超高20%的太阳能电池的单电池构造


随后,作者对照了种种太阳电池当前的效力和均匀年度增进效力,并指出太阳电池效力的提拔上限其实不局限于S-Q模子。(图5)



图5 种种太阳能电池效力的增长速度


接下来,作者剖析了光伏阵列的效力取实验室太阳电池存在肯定差异的缘由:一是商业化对实行前提的限定;二是光伏阵列构造自己形成了其存在分外的电流和添补因子丧失;另外,还要遭到现实事情前提的限定(表1)。经由预算,作者以为光伏阵列仅仅应用现在环球5%的农田面积便能够供应环球一次能源的供给量(18.0 TW),那显现了太阳电池的伟大生长空间。


表1 种种光伏质料生长近况和趋向总结



最初,作者前瞻性天展望了太阳电池将来的研讨偏向。重要有:应用纳米光子观点进步光子利用率;深切明白载流子复合机制,从而对其停止有用掌握。


一句话总结:降低成本是太阳能电池庖代化石能源的要害,而太阳能电池的价钱取提高效率痛痒相关。现在,硅基太阳能电池仍旧正在效力和市场份额上最具上风;钙钛矿太阳能电池迅猛生长,有很大的潜力;各种电池有本身的奇特的特性和长处,正在响应的范畴施展上风。太阳能电池的研究会络续背是低成本,无污染,高效率的目的接近。


该文章于近期宣布于Science上,文献链接:http://science.sciencemag.org/content/352/6283/aad4424

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