高效太陽能電池機(jī)理與工藝結(jié)構(gòu)

1、 1 高效太陽能電池機(jī)理與工藝結(jié)構(gòu) 宋太偉 2013-10-22 上海建冶環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆虾ｊ憙|新能源有限公司，建冶研發(fā)中心 內(nèi)容摘要 內(nèi)容摘要：本文系統(tǒng)地、原創(chuàng)性地闡述了太陽能電池的普遍機(jī)理、提高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)及多種簡(jiǎn)便可行的超高效率硅基電池的結(jié)構(gòu)與工藝方法； 開創(chuàng)性地提出準(zhǔn)二維薄膜結(jié)構(gòu)、 準(zhǔn)一維納米線結(jié)構(gòu)是決定太陽能電池高效的關(guān)鍵時(shí)空結(jié)構(gòu)， 并闡明染料敏化電池和鈣鈦礦電池只是納米線超晶格結(jié)構(gòu)電池的特殊形式； 開

2、創(chuàng)性地提出納米薄膜超晶格結(jié)構(gòu)電池和納米線超晶格結(jié)構(gòu)電池， 開創(chuàng)性地提出了誘導(dǎo)更多光子電子有序運(yùn)動(dòng)的材料結(jié)構(gòu)與電子泵結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)性地提出了多層 PN 結(jié)的疊層連接的高效耦合技術(shù)等等。 1. 前言 前言 地球能源與環(huán)境問題日益突出，人類充分、高效、綠色地使用太陽能迫在眉睫。高效綠色太陽能電池的開發(fā)， 是人類大量且充分地使用太陽能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 近年來新型太陽能電池不斷出現(xiàn)， 硅基太陽能電池效率與工藝也有所提高， 但有關(guān)太陽能電池的普遍機(jī)制，以及

3、使用什么樣的材料與結(jié)構(gòu)， 才是人類比較理想的長(zhǎng)期大量使用太陽能的工藝路徑， 等等核心問題，都沒有真正取得共識(shí)與解決。本文以作者長(zhǎng)期的實(shí)踐探索積累為基礎(chǔ)，對(duì)太陽能電池的本質(zhì)邏輯，以及適應(yīng)于人類長(zhǎng)期持久的、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的、無毒無害的、太陽能電池工藝路線和提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的方法等核心問題，作相對(duì)簡(jiǎn)明的理論回答（表述） 。 2. 太陽能 太陽能電池的普遍機(jī)理 電池的普遍機(jī)理 2.1 環(huán)境保護(hù)約束條件下的電池材料與光電轉(zhuǎn)換效率的選擇 環(huán)境保護(hù)約束

4、條件下的電池材料與光電轉(zhuǎn)換效率的選擇 廣義上講，太陽能是地球萬物能量的源泉。經(jīng)過千百萬年進(jìn)化， 大自然廣泛利用太陽能的方法，如光合作用、大氣環(huán)流的熱蒸發(fā)效應(yīng)等，是真正綠色自然循環(huán)的方式，值得人類借鑒。太陽光強(qiáng)度如用太陽常數(shù)描述約為 1367W/M2 ，單位面積能量密度相對(duì)于現(xiàn)代人類的能耗需求來講比較小，要廣泛的、方便的使用太陽能，就必須大面積的、甚至像樹枝樹葉一樣立體化的建造太陽能光電池葉片或電池薄膜。這里有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題需要把握與解

5、決：一是生產(chǎn)太陽電池所需材料問題， 即必須使用無毒、無害、 在大自然環(huán)境中大量存在并參與生態(tài)自循環(huán)的低成本材料作為制作可以廣泛推廣使用的、大市場(chǎng)的太陽能電池的原材3 為電能）與宏觀無序熱運(yùn)動(dòng)能△R（J/s） ，則在不考慮其它宏觀條件下，有： △E = △W — △Q （1） △E = △Φ + △R （2） △Φ = △W —

6、 △Q — △R （3） η = △Φ / △W (4) β = △Φ / △E (5) 其中，η、β 分別為物體（光電池）吸收光能變?yōu)橛行蚰埽娔埽┑霓D(zhuǎn)換效率、物體吸收光能的宏觀量子效應(yīng)大?。ɑ蚍Q相對(duì)強(qiáng)弱） 。物體在外界作用下的表現(xiàn)出純宏觀量子效應(yīng)時(shí)β等于 1（即 100% ） 。 以

7、上論述并沒有對(duì)光電池的材料結(jié)構(gòu)組成等作具體限制，不只是適用于固體、液體形態(tài)的光電池，是普適的關(guān)系。 2.2.2 2.2.2 下面討論 下面討論物體微觀電子在外界功（光）作用下能實(shí)現(xiàn)宏觀 物體微觀電子在外界功（光）作用下能實(shí)現(xiàn)宏觀自發(fā) 自發(fā)有序運(yùn)動(dòng) 有序運(yùn)動(dòng)的條件 的條件 普通太陽光照下，由于氣體物質(zhì)分子原子中吸收光子激發(fā)躍遷的電子密度低、脫離原子束縛的空間“自由電子”極少，以下吸收太陽能物體只考慮固體、液體等凝聚態(tài)情形。 凝聚態(tài)物

8、質(zhì)，微觀分子原子離子等單元結(jié)構(gòu)有一定清晰度的空間邊界，但外圍電子或 微觀分子原子離子等單元結(jié)構(gòu)有一定清晰度的空間邊界，但外圍電子或單元整體的電磁作用邊界已經(jīng)不清晰， 單元整體的電磁作用邊界已經(jīng)不清晰，或者說，結(jié)構(gòu)單元之間的電磁相互作用已經(jīng)很強(qiáng)，不同原子的外層電子已經(jīng)存在不同程度的相互關(guān)聯(lián)度，結(jié)構(gòu)單元之間 Å 或 10 Å 級(jí)的空間距離， 已經(jīng)可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)原子的外圍電子的逃逸與在原子之間接力移動(dòng)， 這是原子間外圍電子產(chǎn)

9、生協(xié)同有序狀態(tài)的前提。 吸光物體在穩(wěn)定的光功率△W（J/s）照射下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，物理狀態(tài)量隨時(shí)間變化的宏觀量子統(tǒng)計(jì)平均值為零， 宏觀物理狀態(tài)量的時(shí)空關(guān)系可以簡(jiǎn)單地化為微觀粒子的空間量子結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)平均關(guān)系。 大量外圍電子吸收光子產(chǎn)生激發(fā)躍遷處在統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)， 假設(shè)單位時(shí)間處在高能級(jí)（激發(fā)態(tài)）的平均電子數(shù)為 Ne ，吸收的光子的平均能量為 Δε= ?ω—， （其中，?為普朗克常數(shù)，ω—為光子平均角頻率。 ） ，△E 為均衡狀態(tài)下相對(duì)于無光

10、照時(shí)的內(nèi)能變化，則 △E = NeΔε= Ne?ω—= ?Σω （6） 躍遷到激發(fā)態(tài)的電子，因?yàn)槲矬w微觀結(jié)構(gòu)單元（原子）的電磁邊界重疊，相互之間形成比較強(qiáng)的電磁作用，如果存在一個(gè)穩(wěn)定的作用力場(chǎng) （或 ） ，則全體外圍激發(fā)態(tài)電子即會(huì)形成集體有序運(yùn)動(dòng)來對(duì)沖內(nèi)部空間內(nèi)的作用力場(chǎng) ， （因此也可以稱這些外圍激發(fā)態(tài)電子為光生載流子） ，直至這些電子形成的內(nèi)部電場(chǎng)完全對(duì)沖作用力