器件结构及其对应太阳能电池效率

第一次的严谨调查是在20世纪40～50年代^[6]，至今硅基太阳能电池设备拥有最悠久的生产历史。硅基太阳能电池在计算领域的工作得到了很好的发展，但是效率被发展到15%这个非常有利用价值的范围是在20世纪60年代的成长空间扩展^[6]。今天最好的器件效率可以达到25%^[7]，这个数字接近掺入半导体（如具有1.1eV光学带隙的硅）的单结太阳能电池的30%理论极限^[8]。

例如图17.1a所示的单晶或多晶硅基电池是一个薄晶片可掺杂p型和n型。p-n结形成的周围的电场分离光生电子/空穴对产生有用的电流。晶片的信号板背面涂有铝充当电接触，前侧发射极接触因为其执行多种功能而更复杂。光穿透顶面后在晶片上被吸收，当然电流也有使其回去的方法。为了最大限度地减少反射，氮化硅（SiN_x）的涂层被应用，并且金属网格被丝网印制在上面。该金属网格还具有扩散通过电绝缘的SiN_x涂层来使与基板晶片接触的功能，并且这是通过包含在金属膏中的“烧穿”剂与氮化硅涂层反应来完成的。有兴趣的读者可以在其他地方找到有关这些制造过程的详细信息^[9]。

在高效率并行有效的制造方法的基础上，全世界的光伏发电大量地安装硅晶片基太阳能电池是不足为奇的（市场份额在2006年为84%^[10]）。一个特别成功的硅光伏制造商SunPower公司，主要销售的是19%效率模块的地面系统，这是可用的最有效的单元^[11]。然而，硅基太阳能电池还有一个明显的问题，就是材料的基本特性。所需的晶片厚度可以吸收大部分入射的太阳辐射，其范围为160～180μm，正如图17.1a所示的基本设备，功能的改进取决于纹理和其他光捕获的改进。需要如此厚的层是因为从硅的间接带隙得到的较低吸收的结果^[12]，结果现在市场上有越来越多的使用薄膜材料和一小部分选用有机材料的太阳能电池。

而硅的本征带隙规定了太阳能电池的设计限制，而具有类似的属性的CdTe提供了更大的灵活性。CdTe的光学带隙的直接跃迁电压为1.5eV；结果是只需要0.5μm厚的层就可以吸收大部分入射光^[13]。这种薄膜需要较少的材料，并且它们可以通过多种技术沉积，这是因为镉和碲被释放等量作为CdTe同成分的熔融体^[14]。CIGS是其他非硅无机薄膜吸收体，其已被掺入到商用太阳能电池中（见图17.1b），它也具有优异的吸收特性^[10]。CIGS型模块具比CdTe的市场份额小得多，这主要是因为控制的CIGS的化学计量的难度大并且要沉积在大面积上才能发挥作用。其结果是，在2006年世界范围内卖出的模块的0.3%基于CIGS而2.7%含有CdTe^[10]。

图17.1 典型的器件结构（其中入射光来自每个设备的顶部）

a）晶片Si b）薄膜CIGS c）CdTe薄膜 d）本体异质结太阳能电池(www.xing528.com)

类似于硅和CIGS型器件，CdTe太阳能电池使用p-n结以产生来自于入射太阳光产生的电流，图17.1c显示了p型CdTe和n型CdS层组成的该异质结。因为CdTe需要和CdCl₂沉积活化^[13]，在该装置上的该薄膜实际上是以相反的顺序沉积于那些CIGS器件。因此，使用透明基板如玻璃是非常重要的。顶部接触是十分导电的和透明的锡掺杂氧化铟（ITO）层，它们有很好的光透射性且容易传输电子。其结果是CdTe太阳能电池不需要金属网格在上表面。背面接触的主要功能是传输载体，因此它由一个连续的金属镀层形成。在没有掺杂剂的SnO₂内是ITO和CdS之间填充的一些物理空洞，防止这些层之间的短路将降低设备性能。

对于单个CdTe电池来说迄今为止最高的效率为16.5%^[10]，First Solar公司生产的模块具有11%的效率^[15]。First Solar公司已经脱颖而出成为世界上最大的太阳能电池制造商，在2009年拥有1.1GW的年产能^[13]，因此该公司能够生产目前成本最低的模块。

很多工艺可以达到5%的效率，虽然较低但仍然比较客观。已经报道了用高分子半导体吸收剂的太阳能电池本体异质结（BHJ）结构，如图17.1d所示^[16]。太阳光入射至基板正如图所示的单元，然后穿过ITO和聚（3，4-亚乙基），聚（苯乙烯sulfanate）（PSS的PEDOT）层，这样被选择为有效地透射光和有效传输空穴到电池外。该光然后由供体聚（3-己基噻吩）在所述吸收层（P3HT）链吸收。电子/空穴对保持很大程度上局限在P3HT[17]，所以与电子受体（6，6）-苯基C61-丁酸甲酯（PCBM）的随机散布配置必须被采用。如果电子/空穴对到达P3HT和PCBM域之间的交界处在它们重新结合之前，电子将移动到受体，空穴将保留在供体中。现在已经分离的电荷载体将漂移到相对触点，那里它们可以从太阳能电池中提取。

因为P3HT的直接带隙和105cm^-1的高光吸收系数，材料的仅为240nm厚的薄膜，需要吸收入射太阳辐射的95%以上^[18]。这是与数百微米厚的硅需要吸收光的量相比显著小的材料。P3HT的带隙电压为1.9eV，然而这样的聚合物只强烈吸收范围为太阳光谱的可见光部分^[18]，传输在IR的峰部范围^[12]。其结果是，在迄今报告的P3HT/PCBM吸收剂制作的太阳能电池比那些上述基于硅、CIGS和CdTe的器件效率更小。基于聚合物的太阳能电池的主要优点在于当在适当的溶剂的使用和沉积热处理步骤进行中它们的溶液可加工性高。其中的一些处理条件及其对器件性能的影响是描述于参考文献^[16，18-20]。这里所描述的基本BHJ器件上的变化，也可以在参考文献[21]中找到，最近取得了较好的效率，其大于8%^[22]。

而基于聚合物的太阳能电池已达到相当可观的效率，但其工作时间相对较短到以小时至数年计^[23]。这个时间表明显短于20～30年的硅、CIGS或CdTe电池的工作时间。计算预测，BHJ电池具有5%～10%的效率的5～10年的寿命将是很大的电力成本竞争力，这取决于生产全模块和安装它们的成本^[24]。不满足于等待那种长期稳定的论证，Konarka公司已经生产和销售基于聚合物的光伏产品，可以集成到一台笔记本计算机的情况下，或搭配充电器供电手机。这种电池已经证明最大效率可达6.4%和性能达到或期间独立测试[25]在80%以上。这些颇具发展潜力早期结果给出的聚合物为基础的太阳能电池的效率和寿命目标的方法。