纳米技术在光电池中的运用

李俊杰402505530太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。1.成本每千克硅的价钱可达到200多美元！2.转换效率太阳能电池销售价4.0－4.2美元/W相比化石燃料昂贵太多！减少硅的使用更薄的太阳能电池更高的光吸收效率纳米技术人类面临的的挑战在推动经济发展的同时减少温室气体的排放，如二氧化碳•少数几个国家占有了超过80%的全球石油和天然气储量，但是大部分这些国家都位于远离主要能源消费大国。非洲8%亚太8%北美5%中美南美4%前苏联31%欧洲3%中东41%•1TW=1×1012W太阳能传送到地球的能量23000TW全世界每年消耗能量16TW按基体材料分类硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池多晶体太阳能电池硫化镉太阳能电池硒铟铜太阳能电池碲化镉太阳能电池砷化镓太阳能电池磷化铟太阳能电池有机聚合太阳能电池染料敏化太阳能电池纳米晶电池•多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染•GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。•铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样，但是铟和硒都是比较稀有的元素•由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。•聚合物太阳能电池可以在200℃环境下制造，但转换效率低，且无法保证至少20年的基本使用寿命。•纳米晶电池其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。•染料敏化太阳(一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中)能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。所以尽管硅太阳能电池有种种缺点，但毕竟Si容易获得，没有毒性，稳定持久，所以依然为行业主导！降低成本减小厚度提高光的吸收率目的方法A.Photonmanagement:antireflectionB.Photonmanagement:light-scatteringC.Fabrication:nanostructure•反射系数•𝑹=(𝒏𝟏−𝒏𝟐𝒏𝟏+𝒏𝟐)𝟐40%的光（400nm-1200nm）将会被反射透过标准玻璃的时候•涂𝑆𝑖𝑂2或𝑆i3𝑁4膜，。然而这只对有限的频率在特定角度入射时起到作用。可以由多层与渐变折射指数的沉积来实现进一步减少反射。为了一个理想的渐变折射率分布的结构，通过纳米尺度的表面纹理研究，找到合适了的锥形结构。•当光入射角从零增加到60°的入射角，光的吸收在纳米锥结构中保持在90％以上，但thinfilm结构从80％减小至50％•纳米结构可以比thinfilm结构少一个太阳跟踪系统，从而节省了成本从图上可以看到nanocone的吸收率高于planar，而且随着T的增大，吸收频谱会增大，在planar中增加减反射层会大大提高吸收率•增加光在吸收材料中的光程可以有效提高光的吸收率B.Photonmanagement:light-scattering•材料的吸收系数会随光的波长增加而呈指数减小•Si1.2×105𝑐𝑚−1400nm•9.5×102𝑐𝑚−1800nm•GeAs1.3×104𝑐𝑚−1800nm•Ge4.9×104𝑐𝑚−1800nm•采用随机纹理结构（randomtexturedstructure）可以有效提高光程，是普通光程的4𝑛2倍，n是介质的折射率•Amongthesestructures,arandomtexturedstructure(aLambertianstructure)isknowntobethemosteffectiveoneYablonovitchlimitcannotbeapplicabletothelighttrappingeffectfromnanostructures纳米结构实现超出Yablonovitch限制随机结构的粗糙度光的波长，但是纳米结构却相反•onvariousperiodicnanostructures•nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells.有序的纳米阵列会使入射光散射和集体共振，从而提高光的吸收效率陷光效应（lighttrappingeffect）nanowires•1.光吸收长波长的光主要取决于纳米线的直径•2.纳米线层厚度越大吸收的光越多•3.200-400纳米半径的Si阵列具有0.3-0.6的填充比率纳米线可以达到最高的光吸收nanoholes•提高光吸收方法：•1.降低Si的填充率•低填充率意味着空气与硅纳米结构有着相近的折射率，这时候反射会比较小•2.晶格常数增加•晶格常数越大会增大numberofwaveguidemodes•当纳米孔的直径与波长差不多长的时候，光吸收率最大，直径远小于波长的时候大部分光会被反射•当吸收体的的厚度减小到几十微米的时候，人们发现纳米锥并不是最佳的•对于一个50 μ微米厚1，纵横比接近1，导致在最高的光电流[图（b）]。•当基片的厚度降低到10 μm时，趋势变得更加明显，当纵横比从4变到1，光吸收率增加17%a的吸收率接近限制范围在300nm-800nm时b的吸收率更高在800nm-1100nm时c的吸收率更高因为在c的底部会将长波长的光反射回来d是planarthinSisubstrate，作为对照1.alargerperiodleadstomoreguidedresonancemodes2.eachoftheguidedresonancemodesislikelytoleaktomoreexternalchannelswithlargerperiod+最佳的周期100nm对于非晶硅（a-Si:Hsolarcell）nanodomes•短波长的光可以在前几层被吸收，添加纳米级的银拱面镜后长波长的光通过后会被反射回来，从而提高了吸收率会使光在内部全反射不仅可以增加光程而且可以拓宽光的吸收峰Whisperinggallerymode(WGM)resonators光共振腔•周期性结构如nanowires,nanoholes,nanocones,nanodomes,nanoshells尽管比随机结构具有更高的光吸收效率，但是，周期结构与随机结构是有着相同的转换效率一种用于半导体工业中制造纳米结构最常用的方法是光刻法，它可以很容易的制造亚微米级图案。然而，这种发展良好，广泛使用的技术制造太阳能电池成本过高。相反，各种可取代的方法应运而生。这些替代品种，胶体刻蚀已经被广泛应用，因为他可以做到100nm以下不需要复杂的设备。•最常用于制造纳米结构的是半导体产业的光刻法，但是由于价格昂贵，所以不适用于太阳能电池的纳米结构的制造，所以出现了很多替代方法，最常见的就是胶体刻蚀法，可以不需要复杂的设备就能得到100nm以下的结构。•纳米材料阵列可以显著提高光的吸收率但是却不能提高转换效率，甚至低于planar结构的太阳能电池，因为纳米结构的太阳能电池提高了饱和电流却降低了𝑉𝑂𝐶，致使转换效率降低𝑭𝑭=𝑽𝑶𝑪−𝐥𝐧⁡(𝑽𝑶𝑪+𝟎.𝟕𝟐)𝑽𝑶𝑪+𝟏•plasmoniceffect(等离激元效应)可以为下一代的太阳能电池提供新的方向，在吸收层可以显著散射入射光，提高光吸收率，但是同样会有一些缺点，例如在结合金属与光吸收金属的表面，增加一些不必要的费用减少表面入射的反射增加光在吸收材料内的光程可以通过衍射和共振增加光的吸收不受入射光的角度的影响常规材料不具备