硅纳米线太阳电池

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1、硅纳米线太阳电池随着对能源需求的不断增加，可再生能源尤其是太阳能越来越受到人们的重视。太阳电池是一种将太阳能直接转换成电能的光伏器件，半导体p-n结型晶体管的发明为太阳电池的发展奠定了基础。美国贝尔实验室的Chapin等率先研制成功了转换效率约为6%的单晶硅p-n结太阳电池，从此拉开了现代太阳电池发展的序幕。随着材料生长技术的进步和电池结构设计的优化，以晶体硅为主的第一代太阳电池目前已实现产业化，但生产成本比较高。第二代薄膜太阳电池有效地降低了制作成本。然而，为实现人们所期望的“高效率、低成本、

2、长寿命、无毒性和高稳定性”的第三代太阳电池，将纳米材料与结构引入太阳电池的制作具有重要的实际意义。近几年，具有半导体纳米线结构的太阳电池引起了人们的广泛关注，由于其呈现出优良的光吸收特性和良好的电子输运特性，这种新型电池在提高电池的转换效率、降低生产成本等方面，将可能成为很有发展潜力的太阳电池。一、硅纳米线太阳电池的结构目前，硅纳米线太阳电池的研究热点是制作传统的平板硅纳米线阵列太阳电池（硅纳米线仅仅作为减反层）、径向p-n结硅纳米线阵列太阳电池和单根硅纳米线太阳电池[1]。结构最简单的硅纳米线

3、太阳电池就是直接在传统硅片电池的基础上，制备合适的硅纳米线，以此作为减反层来提高电池的效率。下图是硅纳米线太阳电池的结构示意图[2]，当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子在p-n结两侧聚集形成电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流通过外部电路产生一定的输出功率。实质就是光子能量转换成电能的过程。二、硅纳米线太阳电池的特性和优点通过理论分析和数值计算，硅纳米线具有较低的光反射率，而且在实验上已证实硅纳米线比硅膜具有更低

4、的反射率，如下图所示[3]，与固体硅膜相比较，硅纳米线的反射率明显较低，应用在太阳电池上便可相应地提高光吸收效率。另外，与单晶硅和多晶硅相比，硅纳米线在红外波段的光吸收显著增强，这一方面是由于它具有较低的反射率，另一方面是由于硅纳米线导致的缺陷对光子具有更强的俘获能力所致。从广义上来说，影响太阳电池效率的因素主要分为光学损失和电学损失两大类。低的光电转换效率产生的主要原因可归结到光生载流子的分离与复合过程。硅纳米线中产生的光生载流子的复合主要有两种方式：其一，硅纳米线内部的复合；其二，硅纳米线阵

5、列与电解液间固-液界面上的复合，即光生载流子转移到界面上的复合中心进行复合。另外，硅纳米线中的光生载流子在内建电场的作用下迅速漂移到硅纳米线表面，能够降低光生载流子在硅纳米线体内的复合速率。通过分析，为提高器件的光电转换效率需要进一步对硅纳米线阵列/电解液界面进行改造，例如通过对硅纳米线表面进行化学修饰来钝化复合中心及在其表面沉积催化剂加速光生载流子的界面转移来降低复合速率[6]。在硅纳米线阵列太阳电池中，硅纳米线阵列既是电池表面的减反射层，也是电池的发射区。作为减反射层，是利用了硅纳米线阵列独

6、特的优异性能，使得光线被多次反射，增加吸收几率；但作为电池的发射区却实际体现了硅纳米线阵列的弱势，因为阵列结构使得载流子表面复合加剧，限制了电池性能的提升[5]。载流子复合是硅纳米线阵列太阳电池中电学损失的主导，对电池性能的负面影响远大于硅纳米线阵列优异减反射性能所带来的正面作用。因而造成电池性能明显低于常规单晶硅电池。此外，在硅纳米线太阳电池中不需要设计减反射结构，简化了工艺制作程序。三、硅纳米线太阳电池的潜在应用前景参考文献[1]硅纳米线太阳电池研究AdvancedMaterialsIndu

7、stry(2009)[2]Siliconnanowiresolarcells.AppliedPhysicsLetters(2007)[3]Strongbroadbandopticalabsorptioninsiliconnanowirefilms.JournalofNanophotonics(2007)[4]硅纳米线阵列的制备及其光伏应用.太阳能学报(2006)[5]硅纳米线阵列太阳电池的性能分析.太阳能学报(2010)[6]硅纳米线阵列光阳极的制备及其光电转换性能研究.功能材料与器件学报(20

8、11)