1、新型高效太阳能电池研究进展物理一班 李佳任 0910020116摘要 第三代太阳能电池以超高效率、薄膜化、低成本为主要目标, 目前发展起来的有多结叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、多激子产生太阳能电池、热载流子太阳能电池和热光伏太阳能电池等. 文章简要介绍了以上几种新型太阳能电池的工作原理和最新进展, 并对其发展前景作了分析和预测.关键词 太阳能电池, 多结叠层, 量子点, 中间带, 多激子产生, 热载流子, 热光伏1 引言太阳能电池( solar cell, SC) 是一种可以直接将太阳光转换成电能的光电器件, 具有永久性、清洁性和灵活性三大优点. 自从第一块硅单晶p-n 结SC 于1954
2、 年在贝尔实验室问世 1 , 半个多世纪以来, 人们对SC 的研究经久不衰. 迄今为止, 已使用多种材料的单晶、多晶、无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳能电池. 但研究人员对器件性能的优化以及新材料和新结构电池的探索时刻没有停止, 并且一直受到人们的热切关注.2001 年, Gr een 2 提出把太阳能电池的发展过程划分为3 个阶段, 其中第一代体硅太阳能电池( 单晶Si 和多晶Si) 和第二代薄膜太阳能电池( 非晶Si,GaAs, CdT e, CIGS 等) 都是单结电池, 已基本实现了商品化. 第三代太阳能电池除了继续保持薄膜化并采用丰富、无毒的原材料外, 最大的特点就是具有更高
3、的光电转换效率. 如果我们取太阳表面温度为6000K, 电池温度为300K, 根据卡诺定理, 可得电池能量转换的热力学极限效率为95% ; 但是Shockley和Queisser 3 通过细致平衡极限原理计算得出, 理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量( E g ) 的函数, 当Eg 1. 3eV 时, 在1sun 照射下的极限效率( 也称SQ 极限) 仅为31% , 全聚光( 46200suns) 下的极限效率为40%. 二者相差如此之大, 原因是电池在吸收太阳光并转化成电能的过程中, 各种方式导致的能量损失最终限制了它的效率. 能量损失的内部原因主要有以下3 方面: ( 1) 太阳光谱中
4、能量小于Eg 的光子不能被吸收, 从电池中透过;( 2) 能量大于E g 的光子被吸收后激发出热载流子( 电子和空穴) , 超过Eg 的那部分能量很快都以热能的形式释放掉了; ( 3) 光生载流子的辐射复合, 有太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光. 另外, 在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部因素的影响, 还会产生一些损失机制使效率降低, 例如表面反射、串联电阻、晶格缺陷等.目前, 单结GaAs 薄膜电池的实验室纪录效率为26. 1% 4 , 该值已接近于理论极限, 但从太阳能利用率的角度来看还是比较低. 为了研制高效太阳能电池技术, 必须突破限制单结电池效率的主要束缚, 也就是减小
5、上述( 1) 和( 2) 两点造成的能量损失.近年来, 研究者提出了一系列新型电池设计方案以超越S-Q 极限, 包括多结叠层电池、中间带电池、多激子产生电池、热载流子电池、热光伏电池等. 本文简要回顾了各种新型太阳能电池的工作原理和最新研究进展, 并指出了其下一步的发展趋势.2 多结太阳能电池( MJSC)提高电池效率的一种重要方法是采用多结叠层结构, 通常做法是将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起. 当太阳光入射时, 高能量光子先被带隙大的子电池吸收, 随后低能量光子再被带隙较窄的子电池吸收, 依此类推. 其实质相当于把太阳光谱分成了几段, 各子电池吸收与它带隙最接近的那一段
6、光. 这样既增加了对低能量端光谱的吸收率, 又降低了高能量光子的能量损失, 提高电池效率的优势是很明显的.在实际工艺中, 制备MJSC 需要从3 个方面来考虑. 首先, 各子电池的带隙要满足电流匹配原则,因为带隙决定电流的大小, 串联在一起的子电池如果各自产生的光电流不同, 有效电流将以最小的光电流值为准. 这暴露出叠层电池的一个缺点, 即对太阳光谱的分布非常敏感. 其次, 不同材料间要有很好的晶格匹配度, 失配过大必然会造成大量的缺陷复合中心. 最后, 子电池之间要通过超低阻方式连接,以减小电流损失. 一种方法是采用多芯片机械叠加技术, 通过金属电极把独立制作的电池压焊在一起.该方法适用于大
7、失配的材料体系, 但因其成本高, 可靠性和工艺兼容性差, 制备的电池质量重、体积大,应用空间也相对狭小, 所以不利于大规模推广. 另一种则是所谓的单片集成式技术, 使整个电池直接生长在一个衬底上, 子电池由重掺杂的宽带隙隧道结相连, 这是目前普遍应用的连接方式.MJSC 的概念自提出以来, 一直是人们研究的重要内容. 有多篇文献计算了MJSC 的理论极限效率, 由于使用的计算模型、条件假设、太阳光谱和工作参数等有所不同, 因而计算结果也略有差别, 但基本一致 5 . 当能隙实现最佳匹配, 子电池数目为2, 3, 4时, 在1sun( 或全聚光) 照射下的极限效率分别为43% ( 55% ) 、
8、49% ( 63% ) 和53% ( 68%) , 当结数无限增大时, MJSC 效率的理论极限值可达68%( 86%) 6 .目前有两种材料体系的MJSC 实现了商业化生产. 其中, 基于III-V 族GaInP/ GaAs 单晶体系的2 结和3 结电池已广泛应用于太空领域, 在标准测试条件下( AM1. 5, 100mW/ cm2 , 25!C) 的实验室纪录效率分别为32. 3% 和35. 8%, 商业模组效率达到29% ( AM1. 5 是一种太阳斜入式的测试标准, 下同) . 表1 给出了MJSC 的最新纪录效率 7 . 另外, 用于改善电池性能和可靠性的非晶硅( a-Si) / 微
9、晶硅( ncSi) 系列3 结电池的纪录效率达到12. 5% , 模组效率为10. 4%. 由此可见, 多结电池要获得高效率应首选单晶材料. 人们在研究III-V 族MJSC 的同时, 也在寻找其他适合制备MJSC 的新材料.2. 1 晶格常数为5. 7的III-V 族MJSCIII-V 族MJSC 是由晶格常数与GaAs( 5. 653) 接近的一系列半导体材料制成的. 最初以GaA s 单结电池为基础, 演变出Al0. 4 Ga0. 6 As/ GaAs双结电池, 由于AlGaAs/ GaA s 界面复合率很高, 导致电池的短路电流很难再提高. 考虑到与GaAs晶格匹配的Ga0. 5 In
10、0. 5 P 和A l0. 4 Ga0. 6 As 的带隙接近,而且GaInP/ GaAs 的界面复合率是最低的 8 , 因此用Ga0. 5 In0. 5 P 取代A l0. 4 Ga0. 6As 制备出了更高效率的双结电池 9 . 随后, GaAs 衬底逐渐被价格便宜、机械强度更大的Ge 衬底取代, 发展到今天, GaInP/GaInAs/ Ge 3 结电池已成为III-V族MJSC 领域研究和生产的主流. 美国Spect rolab 公司掌握着制造高效GaInP/ GaInAs/ Ge 3 结电池的最先进技术, 采用的是金属有机物化学气相外延( MOV PE) 工艺,衬底为p-Ge. 20
11、09 年, 该公司的King 等 10 制备的GaInP/ GaInAs/ Ge 3 结电池的效率达到了41. 6%( AM1. 5, 364suns) , 这是迄今为止多结太阳能电池获得的最高效率.另外一种研究非常热的III-V 族MJSC 是由美国国家可再生能源实验室( NREL) 的Geisz 等 11 提出的超薄型InGaP/ GaAs/ InGaAs 3 结电池, 他们也是采用MOVPE 工艺, 但不同的是使用倒序生长法和GaAs 衬底制作电池, 最后再把GaAs 衬底腐蚀掉. 2008 年, Geisz 等 12 制备的电池效率为40. 8% ( AM1. 5, 326suns)
12、. 2010 年, 美国Spire 公司的Wojtczuk 等 13 报道称, 他们采用双面外延技术将InGaP/ GaA s/ InGaAs 3 结电池的效率提高到了41. 3% ( AM1. 5, 343suns) .III-V 族MJSC 经过近20 年的迅速发展, 纪录效率不断被刷新, 在空间电源应用领域已占据了绝对地位, 目前正在向聚光型技术、3 结以上电池和其他新型电池的研制等方向发展. 鉴于IIIV 族MJSC的制备技术已相当成熟, 而且相关的文献报道也很多, 这里不再作过多阐述.2. 2 晶格常数为6. 1 的II-VI 与III-V 族结合的MJSC2008 年, 美国亚利桑
13、那州立大学的Zhang 等14 提出将晶格常数在6. 1附近的II-VI 和III-V 族半导体化合物结合起来研制新型高效MJSC 的新思路. 如图1所示, 很多重要的直接带隙半导体( 如InAs, AlSb,GaSb, CdSe 和ZnTe 等) 及其多元合金的晶格常数都在6. 1附近, 而且带隙连续覆盖了从红外( IR) 到紫外( UV) 很宽的波段( 0. 4 # 3. 0eV) . 若将这些晶格匹配的材料结合起来, 以InAs或GaSb 为衬底, 理论上可以设计出对太阳光谱实现全吸收的超高效MJSC. 他们提供了一个6 结电池结构(如图2 所示) , 各子电池的带隙完全满足电流匹配条件
14、, 并用商业软件Silvaco 对其可能达到的性能进行模拟. 结果表明, 若忽略内部资料注意保存河南省社会科学界联合会 河南省经济学团体联合会2013年度调研课题指南河南省社会科学界联合会河南省经济学团体联合会2013年1月说 明一、河南省社会科学界联合会、河南省经济学团体联合会2013年度调研课题指南(以下简称指南)坚持以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论、“三个代表”重要思想和科学发展观为指导，深入贯彻落实党的十八大精神，侧重对我省全面建设小康社会和中原经济区建设的重大理论和现实问题进行深层次、前瞻性、对策性研究，为党和政府决策提供科学依据。二、本指南所列省领导所出题目，应按原题申报，在立项
15、、结项和评奖中同等条件下予以优先考虑；其他课题可按指南要求的研究方向和范围申报；指南中未列具体条目的学科，申报者可结合自身研究优势，自行设计题目。三、课题申报程序课题申报人负责组成课题组后，应认真研究申报课题的设计框架，并按要求填写课题申报表一式两份，于2013年3月4日-13日由所在单位(各省级学会，省辖市社科联，各大专院校，党干校，军事院校，省属科研院所)加盖印鉴后统一报送省社科联学会处。经省社科联、省经团联组织专家评审并下达立项通知后，即作为河南省社会科学界联合会、河南省经济学团体联合会2013年度调研课题。四、申报费用根据评审工作需要，对每项申报课题收取评审费200元整（课题结项评审与
16、颁发证书不另收费）。五、课题验收申报课题获准立项后，承担人应按照指南要求，在规定时间内完成课题调研与文字工作，于2014年3月，将课题报告一式2份并附电子文档报送省社科联学会处。经专家组验收评审后，在课题结项的基础上，另评出一定数量的等级奖。对验收合格和获奖的课题成果，按课题组成员人数分别颁发结项证书和奖励证书。联系地址：郑州市丰产路23号 河南省社科联学会处网 址：http:www.hnskl.org电子信箱： 邮 编：450002电 话：(0371) 63937933 63936068 63934723 2013年度河南省社科联、河南省经团联调研课题指南马列科社哲学1.中国特色社会主义道路
17、、理论体系、制度“三位一体”的哲学研究2.中国特色社会主义的道路自信、理论自信和制度自信研究3.科学发展观与中国特色社会主义“五位一体”总布局关系研究4.科学发展观的历史地位和重要意义研究5.科学发展观与“四个重在”关系研究6.培育社会主义核心价值观研究7.全面深化重要领域改革研究党史党建8.提高党的建设科学化水平研究9.提高中国共产党执政水平若干重大问题研究10.党员人格力量与社会主义道德形象塑造研究11.应对“四种危险”对提高党的建设科学化水平提出的新要求研究12.中国特色反腐倡廉道路研究13.落实改进工作作风密切联系群众“八项规定”常态化机制建设研究14.学习型服务型创新型马克思主义执政
18、党建设研究15.加强非公经济组织党的建设和党的工作创新问题研究16.用领导方式转变加快发展方式转变研究17.深化干部人事制度改革，打造高素质执政骨干队伍研究18.发展党内民主，增强党员队伍创造活力研究19.密切联系群众，求实求效，加强干部作风建设研究20.公车改革的可行性方案设计21.国企高管收入问题研究政治学22.中国特色社会主义政治发展道路研究23.决策权、执行权、监督权“三权”制约与协调研究24.建立社会主义协商民主制度研究25.各层次各领域扩大公民有序政治参与研究26.建设服务型政府研究27.低碳视角下高效节约型政府建设研究法 学28.中国特色社会主义法律体系理论与实践研究29.加快建
19、设社会主义法治国家研究30.加强社会管理法律制度研究31.基本公共服务法治保障体系研究社会学32.中原经济区建设中的人才、知识和智力支撑研究33.人口大省向人才大省跨越的路径选择研究34.非公有制企业参与新型农村社区建设路径研究35.商会组织构建和谐劳动关系,加强和创新社会管理实践探索研究36.民营企业系统风险预警机制研究37.社会组织创新发展的路径研究38.社会建设及社会管理创新研究39.社会主义生态文明建设创新研究40.务实河南形象研究41.河南省城乡社会养老保障统筹发展研究42.“社科联”职能定位研究43.建立健全基层“社科联”组织机构的调查与思考44.加强全省“社科联”基层队伍建设研究
20、新闻学与传播学45.构建和发展现代传播体系研究46.网络时代个人信息保护研究47.互联网与政治文化安全研究48.互联网虚拟空间美丽河南形象建构研究图书馆情报与文献学49.健全信息安全保障体系研究50.加强社会管理信息化建设研究51.政府信息资源开发利用研究52.高校图书馆信息服务创新模式研究53.高校图书馆联盟建设研究文 化语言学艺 术54.华夏历史文明传承创新区建设整体设计研究55.增强全民族文化创造活力研究56.文化产业发展方式转变与创新研究57.文化自觉与文化自信问题研究58.我省文化产业结构调整与转型升级研究59.我省特色文化和产业发展调查研究60.河南文化资源转化与中原特色文化品牌培
21、育研究61.中原文化创新发展载体构建研究62.我省历史文化名城名镇名村及历史街区保护研究63.打造文化示范基地，推动中原文化走出去战略研究64.我省重大文化产业工程建设研究65.切合我国外语学习者的教学理论与方法研究教育学71.国家创新视域中的教育创新研究 72.新型城镇化建设与中小学布局结构调整研究 73.思想政治教育在提高人才培养质量中的地位作用及路径研究74.社会主义核心价值观与大学生思想政治教育研究75.我省高校园区教育资源开发和共享模式探索76.高校文化建设与道德培养关系研究77.加强职业教育基础能力建设研究78.培养社会科学名家、大家问题研究79.高等教育内涵式发展研究体育学80.
22、全民健身对构建和谐中原促进作用研究81.体育促进中原经济区建设的功效研究82.基于中原经济区发展战略的体育产业研究83.河南省社区体育发展现状及对策研究经济学84.加快河南城镇化发展研究85.河南促进产业集聚，加快构建现代产业发展新体系研究86.河南促进土地流转,实现土地集约利用,加快发展新型农业现代化研究87.我省加快信息化发展，促进“三化”协调、“四化”同步发展研究88.加快城乡发展一体化进程，推动新型农村社区健康发展研究89.我省完善基础支撑能力，加快交通物流发展研究90.新形势下我省加强人才和人力资源保障研究91.我省加快科技创新，实施创新驱动发展战略研究92.我省建立和完善投融资体系
23、，解决城镇化和基础设施建设筹资机制研究93.中原经济区建设背景下制定建立新的责任目标考核体系研究94.构建集约化、专业化、组织化、社会化相结合的新型农业经营体系研究95.加快完善城乡发展一体化体制机制、促进城乡要素平等交换和公共资源均衡配置研究96.推进新型农业现代化、确保国家粮食安全和重要农产品有效供给研究97.实现农民收入倍增研究98.加大强农惠农富农政策力度研究99.河南与全国同步小康研究100.我省建设全国新型农业现代化先行区研究101.我省探索建立人口集中、产业集聚、土地集约联动机制研究102.构筑以郑州为中心的“米”字型开发地带研究103.我省打造贯通东中西部地区先进创造业和城镇密
24、集带问题研究104.我省构建北接京津沟通南北的产业和城镇密集带问题研究105.我省培育面向长三角，联接晋陕蒙区域发展轴心研究106.我省农产品质量安全体系建设研究107.我省建设具有国际竞争力食品工业基地研究108.我省培育壮大服务业支撑产业研究109.我省整合资源，实施旅游精品发展战略研究110.河南新型农村社区建设与三次产业融合互动研究111.河南临空经济发展策略研究112.郑州航空港经济综合实验区建设研究113.加快推进郑东新区金融集聚核心功能区建设研究114.促进中原城市群扩容发展，提升综合实力和竞争力问题研究115.我省培育发展地区性中心城市问题研究116.我省建设全国性综合交通枢纽
25、问题研究117.中原经济区区域合作示范区建设研究118.我省构建对外开放重要平台问题研究119.豫东地区承接产业转移示范区建设研究120.我省“人地挂钩”试点规范运作研究121.我省农村金融改革实验区建设研究122.高铁助推中原经济区建设研究123.产业集群建设中的核心企业支撑机制研究124.加快建设中原物流信息平台研究125.我省推进土地流转规范化研究126.极端气候条件下应急物流预案研究127.“三化”协调视阈下河南主食工业化发展战略研究128.粮食核心区的粮食安全责任及其实现机理研究129.河南实现人均收入倍增问题研究130.河南文化旅游产业发展现状及调查131.河南特色农业发展研究13
26、2.搞好土地确权，保息系统 页 9 选项4 数据库系统 答案 4 序号 71 题目 人工管理阶段在将计算机技术应用于会计工作的初期所开发的会计核算软件主要用于会计业务的_。 题型 单选 选项1 单项处理 章 1 选项2 多项处理 节 2 选项3 综合处理 页 8 选项4 集成处理 答案 1 序号 72 题目 商品化会计软件比自行开发的会计软件_。 题型 单选 选项1 通用性强、成本低 章 1 选项2 维护费小购置成本高 节 2 选项3 成本高、开发水平低 页 11 选项4 通用性差、维护量大 答案 1 序号 73 题目 商品化会计软件与专用软件相对比_较弱。 题型 单选 选项1 易学性 章 1
27、 选项2 易用性 节 2 选项3 通用性 页 12 选项4 保密性 答案 1 序号 74 题目 数据库系统阶段会计核算软件真正成为企业_的一个重要组成部分。 题型 单选 选项1 核算软件 章 1 选项2 分析软件 节 2 选项3 管理软件 页 9 选项4 决策软件 答案 3 序号 75 题目 账务处理模块的主要任务是输入和处理各种_。 题型 单选 选项1 收款凭证 章 1 选项2 记账凭证 节 2 选项3 转账凭证 页 13 选项4 付款凭证 答案 2 序号 76 题目 账务处理模块通过接口与其他功能模块有机地连接在一起构成完整的_系统。 题型 单选 选项1 管理信息 章 1 选项2 ERP
28、节 2 选项3 会计 页 14 选项4 会计核算 答案 4 序号 77 题目 账务处理模块以_为接口与其他功能模块有机连接在一起。 题型 单选 选项1 原始凭证 章 1 选项2 通用凭证 节 2 选项3 专用凭证 页 14 选项4 记账凭证 答案 4 序号 78 题目 制造资源计划的英文简称是_。 题型 单选 选项1 MRP 章 1 选项2 ERP 节 2 选项3 CRM 页 10 选项4 MRPII 答案 4 序号 79 题目 自动编制工资费用分配转账凭证并传递给账务处理模块是由_模块完成的。题型 单选 选项1 工资核算 章 1 选项2 固定资产核算 节 2 选项3 报表处理 页 13 选项
29、4 销售核算 答案 1 序号 80 题目 ERP集成了会计信息系统它包含_子系统。 题型 多选 选项1 预算会计 章 1 选项2 财务会计 节 2 选项3 成本会计 页 11 选项4 管理会计 答案 24 序号 81 题目 ERP就是一个有效地_企业资源管理的系统它将企业内部各个部门利用信息技术整合连接在一起。 题型 多选 选项1 组织 章 1 选项2 计划 节 2 选项3 实施 页 10 选项4 生成 答案 123 序号 82 题目 ERP可以从_几个层次给它下定义。 题型 多选 选项1 管理思想 章 1 选项2 软件产品 节 2 选项3 技术含量 页 10 选项4 管理系统 答案 124 序号 83 题目 按硬件结构划分会计核算软件可分为_会计核算软件。 题型 多选 选项1 单项处理 章 1 选项2 多项处理 节 2 选项3 单用户 页 12 选项4 多用户 答案 34 序号 84 题目 从计算机数据管理技术的发展来看会计核算软件经历了_几个阶段。 题型 多选 选项1 人工管理 章 1 选项2 文件管理系统 节 2 选项3 数据仓库系统 页 8 选项4 数据库系统 答案 124 序号 85 题目 存货核算与企业的_密切相关。 题型 多选 选项1 工资管理 章 1 选项2 固定资产管理 节 2 选项3 生产计划 页
