沈文忠

教授,上海交通大學(xué)太陽能研究所,上海200240

面向下一代光伏產(chǎn)業(yè)的硅太陽電池研究新進(jìn)展

沈文忠

教授,上海交通大學(xué)太陽能研究所,上海200240

硅太陽電池 納米晶 納米線 多重激子效應(yīng)

以晶體硅為代表的第一代太陽電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽電池目前是光伏市場主流。第三代納米結(jié)構(gòu)太陽電池研發(fā)目標(biāo)是在維持現(xiàn)有第二代薄膜電池沉積技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性基礎(chǔ)上顯著提高電池性能及穩(wěn)定性,進(jìn)一步降低太陽電池的價(jià)格至每瓦0.5美元,甚至0.2美元及更低。筆者將簡要綜述近年來國際上面向下一代光伏產(chǎn)業(yè)的硅太陽電池研究新進(jìn)展,內(nèi)容集中在納米硅薄膜疊層太陽電池、硅納米線(包括軸向、徑向和單根)太陽電池和基于多重激子效應(yīng)的納米硅熱載流子太陽電池等三個(gè)方面。

1 前 言

近年來,以晶體硅為代表的第一代太陽電池(目前光電轉(zhuǎn)換效率16%～18%,占光伏市場份額85%)產(chǎn)量以超過40%的速度高速遞增,2007年全球產(chǎn)量已達(dá)到4 GW,2009年超過10 GW。中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加驚人,2007年以1.088 GW的產(chǎn)量一舉躍居世界首位,2009年的產(chǎn)量達(dá)到4.0 GW,穩(wěn)居世界第一;無錫尚德在不到五年時(shí)間內(nèi)已經(jīng)躋身世界前三名,成為中國光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)跑者。最近三年,數(shù)十家光伏企業(yè)如雨后春筍般迅速崛起引起了全世界的關(guān)注。雖然2008年第四季度起全球金融危機(jī)使晶體硅材料的價(jià)格大幅降低,但目前晶體硅太陽電池的價(jià)格仍然每瓦超過1.5美元,這為第二代薄膜太陽電池的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。目前以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化正如火如荼地進(jìn)行,電池轉(zhuǎn)換效率～8%,非均勻性優(yōu)于7%,太陽電池的價(jià)格低于每瓦1.0美元。但是非晶硅薄膜太陽電池的最大問題是光電轉(zhuǎn)換效率比較低,而且隨著時(shí)間的推移(一般十幾天),它的性能會(huì)出現(xiàn)光致衰退現(xiàn)象(即所謂的Staebler-Wronski效應(yīng)[1]),其短路電流、轉(zhuǎn)換效率等也隨著下降。隨著全球納米科學(xué)的快速發(fā)展,納米技術(shù)日漸成熟,降低太陽電池成本,提高光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的一個(gè)重要思想是利用納米技術(shù)。納米結(jié)構(gòu)材料成為新穎的太陽電池材料,它的應(yīng)用將給蓬勃發(fā)展的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)注入新的活力,形成所謂的第三代納米薄膜太陽電池的研究熱潮[2],目標(biāo)是在維持現(xiàn)有第二代薄膜電池沉積技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性基礎(chǔ)上顯著提高電池性能及穩(wěn)定性,進(jìn)一步降低太陽電池的價(jià)格至每瓦0.5美元,甚至0.2美元及更低(圖1)。筆者將簡要綜述近年來國際上面向下一代光伏產(chǎn)業(yè)的硅太陽電池研究新進(jìn)展,內(nèi)容集中在納米硅薄膜疊層太陽電池、硅納米線太陽電池和基于多重激子效應(yīng)的納米硅熱載流子太陽電池等三個(gè)方面。

圖1 三代(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率與價(jià)格間的關(guān)系

2 納米硅薄膜疊層太陽電池

硅材料在太陽電池中的主流地位決定了納米硅薄膜太陽電池在未來第三代太陽電池中的角色和地位。納米硅薄膜是一種包含有非晶硅相和晶體硅納米顆粒(量子點(diǎn))的二相體系。和傳統(tǒng)非晶硅薄膜的制備技術(shù)相容,納米硅薄膜可以通過等離子體增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)在不超過300℃的溫度下制備,只需要通過增加反應(yīng)氣體中的氫稀釋比,非常有利于降低生產(chǎn)成本,也有利于在柔性襯底上制備太陽電池,而且其耐高溫性能優(yōu)于晶體硅電池。納米硅材料的載流子遷移率、電導(dǎo)率和光學(xué)吸收系數(shù)都比多晶硅和非晶硅高,其光學(xué)帶隙也可由納米尺度效應(yīng)調(diào)節(jié)到高效理想太陽電池所需要的帶隙區(qū)域。同時(shí)在納米硅中,氫對(duì)光照產(chǎn)生的額外懸掛鍵缺陷起到了有效的鈍化作用,晶化作用使納米硅內(nèi)部的弱Si-Si鍵或者Si-H鍵數(shù)量大大降低[3],因此納米硅太陽電池的性能和穩(wěn)定性比起非晶硅太陽電池有了明顯的提高。美國U-nited Solar Ovonic公司已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中嘗試用納米硅薄膜代替其中的底部和中間非晶鍺硅結(jié)電池[4](圖2(a,b)),利用長波的紅光對(duì)納米硅結(jié)電池幾乎沒有光致衰退現(xiàn)象這一特點(diǎn),明顯改善了電池性能的穩(wěn)定性(圖2(c,d)),并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)小型硅顆粒和有序納米結(jié)構(gòu)有利于晶界鈍化,從而提高電池性能。

圖2 非晶硅/納米硅三結(jié)薄膜太陽電池的性能(a,b)及穩(wěn)定性(c,d)

在探索提高納米硅結(jié)構(gòu)有序程度的大量實(shí)驗(yàn)和理論工作中,人們逐漸認(rèn)識(shí)到氫在硅晶粒的生長過程中起著至關(guān)重要的作用。對(duì)生長過程中氫原子與硅原子相互作用微觀調(diào)控的深層次認(rèn)識(shí),可以通過合理控制生長條件,在優(yōu)化的襯底材料和襯底溫度下生長出均勻有序的鑲嵌在氫化非晶硅網(wǎng)絡(luò)中的納米硅薄膜結(jié)構(gòu)。上海交通大學(xué)太陽能研究所利用改進(jìn)的PECVD方法,通過控制射頻功率和反應(yīng)氣壓,在250℃的單晶硅襯底上成功地制備出均勻有序的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),其中硅納米晶粒之間的非晶硅晶界極薄,厚度僅2～4個(gè)原子層。在這樣的有序納米結(jié)構(gòu)中,不僅獲得了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能、與單晶硅可比的高室溫電子遷移率(超過100 cm2/Vs)(圖3(a))、納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)界面上的二維電子氣[5]和電子退相干特性,而且還觀察到體系中明顯的量子共振隧穿現(xiàn)象和納米結(jié)構(gòu)中周期性負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象。同時(shí),從體系納米尺度三維勢阱新型能帶結(jié)構(gòu)(由非晶硅晶界中缺陷態(tài)導(dǎo)致的硅晶粒內(nèi)部載流子耗盡所形成)出發(fā),成功實(shí)現(xiàn)不同淺能級(jí)摻雜濃度對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控[6]及對(duì)量子共振隧穿現(xiàn)象的調(diào)控。在光學(xué)特性方面,通過生長條件調(diào)節(jié)晶粒大小或摻雜濃度,借助于納米尺度效應(yīng)調(diào)控納米硅薄膜材料的光學(xué)帶隙,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)納米硅的帶隙在高效理想太陽電池所需的1.7～1.8 eV左右[7]以及體系中較強(qiáng)的室溫可見發(fā)光。在光電響應(yīng)方面,揭示出由于納米晶粒中光吸收截面的增大以及載流子電導(dǎo)率的提高,納米硅薄膜與晶體硅相比具有更強(qiáng)的光吸收和更大的光電流[8-9](圖3(b))。在太陽電池研發(fā)方面,研制的小面積漸變帶隙納米硅薄膜太陽電池初始效率達(dá)到11.4%(AM1.5(AM:air mass空氣量),1000 W/m2,25℃)的國際先進(jìn)水平,獲得第15屆PVSEC(國際光伏科學(xué)與工程大會(huì))優(yōu)秀獎(jiǎng)。

圖3 (a)納米硅薄膜優(yōu)良的電學(xué)輸運(yùn),(b)光電特性以及(c)疊層納米硅薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)

目前,納米硅薄膜太陽電池研發(fā)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)主要包括兩方面:在薄膜材料制備方面,要求生長出高度有序和高遷移率的納米硅薄膜,并在產(chǎn)業(yè)化需求的快速沉積和大面積均勻生長方面取得突破;在電池研制方面,重點(diǎn)研發(fā)已經(jīng)有較好產(chǎn)業(yè)化前景的疊層納米硅薄膜太陽電池。理論分析發(fā)現(xiàn),在單結(jié)太陽電池中入射太陽光能量的20%左右損失在低于材料帶隙光子的不吸收上面,而40%左右損失在高于材料帶隙的熱載流子晶格熱離化上面。疊層多結(jié)太陽電池設(shè)計(jì)是一種非常簡單而又有效的解決辦法,目的是使不同能量的太陽光子被不同帶隙的結(jié)電池所吸收,從而有效地提高太陽光子的利用效率?？梢岳靡呀?jīng)實(shí)現(xiàn)的均勻有序、高遷移率納米硅薄膜材料構(gòu)筑疊層多結(jié)納米硅薄膜太陽電池。典型的雙結(jié)結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示:在透明導(dǎo)電薄膜(TCO)上沉積頂層和底層納米硅薄膜p-i-n結(jié)電池,分別吸收2.0 eV和1.5 eV的太陽光子,其帶隙是由硅量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)節(jié)控制的。在這種電池中由于沒有非晶硅,電池性能的穩(wěn)定性會(huì)比較好,預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的將來會(huì)有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。具體技術(shù)路線包括采用PECVD技術(shù)來實(shí)現(xiàn)硅基薄膜的納米晶化和可控生長:精確控制每一膜層厚度、摻雜濃度、晶態(tài)比及其它相關(guān)物性,實(shí)現(xiàn)可控晶態(tài)比、可控納米晶粒尺度、可控禁帶寬度和可控生長速度,為實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的光伏電池提供強(qiáng)有力的材料支撐;利用反應(yīng)等離子體沉積獲得高品質(zhì)TCO和緩沖層材料,包括受光面高陷光效應(yīng)、高透光率和電導(dǎo)率TCO膜與硅薄膜的界面優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性可以實(shí)現(xiàn)低成本、高產(chǎn)率和高穩(wěn)定效率的納米硅薄膜太陽電池。

3 硅納米線太陽電池

半導(dǎo)體納米線因其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性近年來引起了科研工作者的廣泛關(guān)注,在太陽電池方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。由于硅材料和工藝在半導(dǎo)體工藝中占有主流地位,與其它材料相比,硅納米線太陽電池的制作更容易與當(dāng)前工藝兼容。目前硅納米線太陽電池的研究熱點(diǎn)是硅納米線陣列太陽電池和單根硅納米線太陽電池。

結(jié)構(gòu)最簡單的硅納米線電池就是直接在傳統(tǒng)的晶體硅電池上制備合適的硅納米線,以此作為減反層來增加光吸收從而提高電池的效率。人們通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體納米線具有極低的光反射率[10],納米線的吸收在短波長更高,只是在長波長較低,不過可以通過延長納米線的長度或陷光技術(shù)來彌補(bǔ);并將這種光學(xué)特性歸因于光在納米線結(jié)構(gòu)中的多次散射,同時(shí)指出通過優(yōu)化納米線的直徑和合適的折射率匹配可以增強(qiáng)光的吸收、減少反射[11]。實(shí)驗(yàn)上確實(shí)已證明了硅納米線的反射率明顯低于硅薄膜和晶體材料(圖4(a)),通過對(duì)比硅納米線與單晶硅、多晶硅等的反射率,發(fā)現(xiàn)硅納米線的確在紅外波段吸收顯著增強(qiáng),原因一方面是反射率的顯著降低,另一方面是納米線導(dǎo)致的缺陷等對(duì)光子具有更強(qiáng)的捕獲能力[12]。

最近,美國加州大學(xué)Berkeley分校研究組通過光透射和光電流的測量表明:有序納米線陣列能夠增加入射光光程,加強(qiáng)因子高達(dá)73,優(yōu)于其它散射方法[13]。美國加州理工學(xué)院研究組設(shè)計(jì)了新的陷光技術(shù):納米線首先覆一層Si3N4,隨后沉積透明材料Al2O3納米顆粒[14],這些納米顆粒散射入射光進(jìn)入納米線以使吸收最大化。結(jié)果表明,用不到5%的納米線面積可以達(dá)到96%的吸收,整天可以吸收85%帶隙以上的太陽光。同時(shí),納米線陣列也加強(qiáng)了近紅外吸收,使整體光吸收超過對(duì)等的傳統(tǒng)平板陷光限制(圖4(b))。美國斯坦福大學(xué)研究組研究了單根納米線的漏模共振(LMRs)現(xiàn)象,指出納米線光吸收不僅與材料的本征吸收有關(guān),還可以通過控制納米線的尺寸、幾何形狀和納米結(jié)構(gòu)的方向改變光吸收[15]。他們又進(jìn)一步研究了單根納米線的光學(xué)天線效應(yīng),指出納米線能夠加強(qiáng)光吸收而幾乎不依賴光照角度[16](圖4(c)),這說明納米線可以作為近乎完美的電池元素。

圖4 (a)硅納米線吸收與硅薄膜和晶體硅材料的對(duì)比,(b)測量的硅納米線吸收與等厚平面硅的理論吸收的對(duì)比,(c)單根硅納米線不同角度的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算吸收譜

目前,平板晶體硅太陽電池中單晶硅多采用各向異性堿性溶液織構(gòu),工藝成熟,多晶硅則采用酸性腐蝕,工藝還有待完善。硅納米線的有效減反效應(yīng)可以在傳統(tǒng)的平板多晶硅太陽電池中有很好的應(yīng)用(圖5)。清華大學(xué)研究組已經(jīng)嘗試采用無電極化學(xué)腐蝕技術(shù)制備硅納米線用于晶體硅太陽電池[17],具體過程是先在p型晶體硅上制作規(guī)則排列的納米線陣列,然后通過磷擴(kuò)散形成n型區(qū),形成p-n結(jié),最后通過常規(guī)的電池工藝制作硅太陽電池(圖5(a))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米線結(jié)構(gòu)能夠顯著降低光反射率,但這種平板硅納米線陣列太陽電池的轉(zhuǎn)換效率僅為9.3%,而多晶硅電池為4.73%(圖5(b))?？赡艿膯栴}在于表面電極接觸不夠致密,表面缺陷增加了表面電子-空穴復(fù)合速率。進(jìn)一步將納米線陣列的方向由垂直改成略微傾斜來改善表面電極接觸,降低接觸電阻,實(shí)驗(yàn)上已證明可以將電池轉(zhuǎn)換效率提高到11.37%[18]。以納米線作為減反層的硅太陽電池仍有很多問題要解決,如納米線的制備和改善電極接觸等等。此外,法國研究組將n型硅納米線用化學(xué)氣相沉積工藝和Vapor Liquid Solid(VLS)方法生長在p型襯底上,制作了硅納米線陣列電池,效率為1.9%[19](圖5(c))。德國Jena光子技術(shù)研究所用無電極化學(xué)腐蝕法制作了軸向納米線陣列電池,效率為4.4%[20](圖5(d))。

圖5 (a,c,d)幾種硅納米線陣列電池結(jié)構(gòu),(b)硅納米線陣列太陽電池性能與表面形貌

相比上面幾種納米線陣列電池,美國加州理工學(xué)院研究組提出的徑向p-n結(jié)的納米線陣列太陽電池[21]具有更大的優(yōu)勢(圖6(a)):入射光吸收的過程發(fā)生在電池軸向,有效增加了光程,提高光的吸收利用;載流子分離的過程發(fā)生在電池徑向,減小了輸運(yùn)距離,提高光生載流子的收集效率,綜合起來將顯著提高電池的短路電流、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)。此外,由于載流子的短距離輸運(yùn)可以有效減少電子空穴對(duì)的體復(fù)合,這類電池對(duì)硅材料的要求低于傳統(tǒng)電池。理論計(jì)算表明,對(duì)于電子擴(kuò)散長度為100 nm的徑向硅納米線,太陽電池的效率可達(dá)11%,遠(yuǎn)高于平板結(jié)構(gòu)的1.5%。美國加州大學(xué)Berkeley分校研究組首先利用低溫蝕刻和薄膜沉積方法制作了徑向硅納米線電池,只是效率不到0.5%[22]。最近,他們通過降低表面的粗糙程度和對(duì)納米線直徑和密度的調(diào)控,大大提高了開路電壓、影響因子和開路電壓的值,光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5%[13]。這將極有可能在低成本材料上實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率,將是未來新型納米線太陽電池的重要研究方向。

除了納米線陣列電池,單根硅納米線在光伏和納電子器件應(yīng)用方面也受到人們的重視。美國哈佛大學(xué)研究組用VLS方法和化學(xué)氣相沉積工藝制作了徑向硅p-i-n納米線太陽電池,電池效率達(dá)到3.4%,單根納米線太陽電池最大輸出功率達(dá)到72 pW[23](圖6(b,c))。而單根硅納米線也已成功制作成軸向單結(jié)甚至多結(jié)p-i-n太陽電池結(jié)構(gòu),4.0μm厚本征區(qū)的單結(jié)太陽電池的效率為0.5%,輸出功率僅4.6 pW[24]。很清楚,這種軸向電池的效率和輸出功率遠(yuǎn)低于前述的單根徑向p-i-n太陽電池。由此可見,具有徑向p-i-n結(jié)的納米線太陽電池在載流子輸運(yùn)和收集方面確實(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。我們相信通過對(duì)單根納米線的基礎(chǔ)研究,能夠闡釋納米線陣列電池的主要性質(zhì),有利于設(shè)計(jì)新一代高性能納米線陣列電池。

圖6 (a)徑向p-n結(jié)的納米線太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖,單根徑向硅p-i-n納米線太陽電池(b)結(jié)構(gòu)及(c)性能

雖然硅納米線太陽電池理論上比傳統(tǒng)電池具有更優(yōu)的性能,但傳統(tǒng)電池的理論與工藝相對(duì)成熟,而硅納米線太陽電池大多還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。盡管近年來硅納米線太陽電池在理論和制備上已取得很大的進(jìn)展,但在真正實(shí)用中還會(huì)有不少全新的問題出現(xiàn),無論在基礎(chǔ)機(jī)理還是工藝實(shí)現(xiàn)方面,都值得更深入地探討與研究?？梢灶A(yù)計(jì)的是,下一階段具體技術(shù)路線包括:p-cores硅納米線的有序可控生長;利用優(yōu)化的PECVD沉積i-shell和nshell;優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)參數(shù),包括摻雜、各層厚度、線直徑和密度,并實(shí)現(xiàn)其有序可控生長;探索合適的歐姆接觸和適合大規(guī)模生產(chǎn)納米線陣列電池的工藝等。

4 基于多重激子效應(yīng)的納米硅熱載流子太陽電池

多重激子效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收一個(gè)光子而產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)的過程(圖7(a)),這種效應(yīng)具有非常重要的基礎(chǔ)研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,涉及領(lǐng)域包括非線性光學(xué)、激光及光化學(xué)等,但特別相關(guān)的是光伏科學(xué)與應(yīng)用方面。多重激子效應(yīng)實(shí)際上早于20世紀(jì)50年代就在半導(dǎo)體塊體材料中就被發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)被稱為載流子倍增效應(yīng),其產(chǎn)生機(jī)理被認(rèn)為是碰撞電離機(jī)制,但由于其效率很低(不到1%)而被認(rèn)為沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2004年,Schaller和Klimov首次報(bào)道半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中具有很強(qiáng)的多重激子效應(yīng)[25],從而導(dǎo)致了半導(dǎo)體量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的多重激子效應(yīng)得到了廣泛而深入的研究。到目前為止,已在PbSe,PbS,PbTe,CdSe,Si和InAs等半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中觀察到了明顯的多重激子效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)在0.5～3.5 eV的地面太陽光譜區(qū)域內(nèi),硅納米晶會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的多重激子效應(yīng),光子域值為2.4倍帶隙,并在3.4倍帶隙處量子產(chǎn)額達(dá)260%[26],遠(yuǎn)好于晶體硅(圖7(b))。在納米結(jié)構(gòu)多重激子效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理理論研究方面,提出了虛擬激子產(chǎn)生理論、相干多重激子模型及碰撞電離機(jī)制等。除了相干多重激子模型所預(yù)言的相干現(xiàn)象沒有被觀察到以外,這些理論在解釋多重激子現(xiàn)象上都是比較成功的。因此,多重激子效應(yīng)已被國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)為是半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)體系中普遍存在的現(xiàn)象。最新的研究進(jìn)展是2009年報(bào)道的有特色PbS納米結(jié)構(gòu)光電探測器[27]和納米碳管光電二極管[28]直接利用了多重激子效應(yīng)提高其器件性能。當(dāng)然,目前對(duì)于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中多重激子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也出現(xiàn)了很多爭議,主要集中在三個(gè)方面:①半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的多重激子效應(yīng)是否真的高效率存在?如果存在,其真正效率是多少?②半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的多重激子效率是否一定高于相應(yīng)塊體材料中的多重激子效率?③是什么因素決定了半導(dǎo)體中多重激子效應(yīng)的閾值能量,這個(gè)閾值是多少?

圖7 (a)一個(gè)光子產(chǎn)生單個(gè)和多個(gè)電子-空穴對(duì)的過程示意圖,(b)硅納米結(jié)構(gòu)和體材料中的多重激子效應(yīng)

一般情況下,吸收一個(gè)光子只能產(chǎn)生單個(gè)激子,高激發(fā)能量的光子通過聲子發(fā)射而浪費(fèi)掉了。如果能實(shí)現(xiàn)一個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)激子(圖8(a)),必將能充分利用高能量光子從而明顯提高電池轉(zhuǎn)換效率,因此,納米材料中的多重激子效應(yīng)可以進(jìn)一步提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率[29]。理論計(jì)算表明:在PbSe納米晶中,這種新型電池的轉(zhuǎn)換效率有望提高50%。因此,除了疊層薄膜電池設(shè)計(jì),基于多重激子效應(yīng)的新概念熱載流子太陽電池方案是最近國際研究的熱點(diǎn)。這種新方案的主要目的是充分利用熱弛豫到半導(dǎo)體帶邊前的熱載流子,以明顯提高電池的轉(zhuǎn)換效率,實(shí)現(xiàn)通過碰撞電離產(chǎn)生二個(gè)(或更多)電子-空穴對(duì)這一途徑增加光電流,要求碰撞電離的速率要比熱載流子冷卻和其他弛豫過程高。

現(xiàn)階段,多重激子效應(yīng)在硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池上的應(yīng)用創(chuàng)新研究還剛剛開始,目前還沒有在納米硅薄膜中觀察到多重激子效應(yīng)的報(bào)道。要實(shí)現(xiàn)這種多重激子效應(yīng)熱載流子太陽電池還有很多技術(shù)難題需要克服,最大的困難是要求實(shí)現(xiàn)電荷的有效分離,其發(fā)生的時(shí)間要比多重激子產(chǎn)生的時(shí)間(10-13～10-12s)長,但比雙激子壽命(10-10s)要短。毫無疑問,這種基于半導(dǎo)體多重激子效應(yīng)的新型熱載流子硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池,一旦實(shí)現(xiàn)必將對(duì)現(xiàn)有的光伏科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響。我們知道,在量子點(diǎn)陣列p-i-n太陽電池中,量子點(diǎn)間電子波函數(shù)的耦合所形成的微帶(miniband)(圖8(b))有利于減慢熱載流子的冷卻速率,使得熱載流子可以在各自的p和n電極處傳輸并收集[29-30]。值得高興的是,在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的均勻有序納米硅薄膜中,由于非晶硅晶界極薄(厚度僅2～4個(gè)原子層),硅量子點(diǎn)間的電子波函數(shù)非常容易發(fā)生耦合,上海交通大學(xué)太陽能研究所在光電流譜實(shí)驗(yàn)研究中不僅觀察到了非晶硅帶尾態(tài)的躍遷,而且還清楚地證明納米硅薄膜中微帶的存在[31](圖8(c)),這為開展納米硅熱載流子薄膜電池的探索研究提供了機(jī)遇。具體技術(shù)路線包括:利用優(yōu)化的PECVD方法制備半導(dǎo)體納米硅p-i-n薄膜太陽電池結(jié)構(gòu);通過光電流譜手段來表征器件在不同頻率光照下的響應(yīng)情況;探索多重激子效應(yīng)對(duì)電流、電壓以及特定頻率入射光的能量轉(zhuǎn)換效率的影響;設(shè)計(jì)最佳方案來分離與收集納米硅薄膜電池中多重電子-空穴對(duì),以提高納米硅薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率等。

圖8 (a)基于泵浦探測實(shí)驗(yàn)的多重激子效應(yīng)觀察,(b)量子點(diǎn)陣列p-i-n太陽電池結(jié)構(gòu)中電子波函數(shù)耦合所形成的微帶及(c)納米硅薄膜中微帶實(shí)驗(yàn)觀察

5 結(jié)束語

從以上的簡要綜述中我們可以看到,國際上納米技術(shù)在硅太陽電池中的創(chuàng)新應(yīng)用才剛剛起步,離產(chǎn)業(yè)化的要求還有很大距離,但千萬不能小看其對(duì)未來光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性。雖然中國已經(jīng)是國際光伏產(chǎn)業(yè)大國,但絕不是光伏產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國。當(dāng)國際光伏創(chuàng)新研究如火如荼開展之時(shí),我們一定要對(duì)中國光伏產(chǎn)業(yè)即將面臨的嚴(yán)峻局面有清醒的認(rèn)識(shí)。只有迎頭趕上,在源頭上創(chuàng)新,才能實(shí)現(xiàn)中國光伏產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國之夢,引領(lǐng)國際光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

致謝 研究工作得到了科技部國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(納米研究計(jì)劃)課題(2010CB933702)和上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計(jì)劃(08XD14022)的支持,研究生劉文富、蘇未安和謝衛(wèi)強(qiáng)協(xié)助做了不少工作,特此感謝。

(2010年4月30日收到)

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Silicon Solar Cells:New Achievements for Next Generation PV Industry

SHEN Wen-zhong
Professor,Institute of Solar Energy,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

Both the first generation crystalline Si and the second generation non-crystalline Si thin film solar cells dominate the current photovoltaic(PV)industry.The third generation nanotechnology approaches aim to decrease costs to well below 1.0 USD/W level of second generation PVs to 0.5 USD/W,potentially to 0.2 USD/W or better,by significantly increasing efficiencies but maintaining the economic and environmental cost advantages of thinfilm deposition techniques.In this paper,we present a brief review on the recent achievements in Si nanocrystalline and nanowire solar cells as the future PV industry may belong to these nanostructured Si solar cells.The emphasis is on hydrogenated nanocrystalline silicon(nc-Si:H)tandem thin film solar cells with the band gap tuned by the dot size,the preliminary application of Si nanowire arrays in planar Si solar cells and radial Si solar cell concept including single nanowire Si solar cells,and multiple exciton generation nc-Si:H hot carrier solar cells.

Si solar cell,nanocrystalline,nanowire,multiple exciton generation

(責(zé)任編輯:方守獅)

＊科技部國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(納米研究計(jì)劃)課題(2010CB933702);上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計(jì)劃(08XD14022)

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.003

編者按:2010年在中國上海召開的世博會(huì)是各國展示先進(jìn)科技的平臺(tái),本刊特設(shè)能源、環(huán)境等專題予以集中報(bào)道。太陽能光伏是世博科技的重要項(xiàng)目之一,本刊邀請(qǐng)上海交通大學(xué)太陽能研究所所長沈文忠教授負(fù)責(zé)組稿,五篇論文全面介紹太陽能光伏技術(shù)的最新進(jìn)展,內(nèi)容包括光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢、晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)步、新一代薄膜電池研發(fā)進(jìn)展、光伏系統(tǒng)與應(yīng)用及下一代太陽電池技術(shù)前沿。