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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理、提高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)及多種簡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)性地提出準二維薄膜結(jié)構(gòu)、準一維納米線結(jié)構(gòu)是決定太陽能電池高效的關(guān)鍵時空結(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)性地提出了誘導更多光子電子有序運動的材料結(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。
論文關(guān)鍵詞：高效太陽能電池,機理,工藝結(jié)構(gòu)

　　1.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制，以及使用什么樣的材料與結(jié)構(gòu)，才是人類比較理想的長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與解決。本文以作者長期的實踐探索積累為基礎(chǔ)，對太陽能電池的本質(zhì)邏輯，以及適應(yīng)于人類長期持久的、循環(huán)經(jīng)濟的、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，作相對簡明的理論回答（表述）。

　　2.太陽能電池的普遍機理

　　2.1 環(huán)境保護約束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。太陽光強度如用太陽常數(shù)描述約為1367W/M2 ，單位面積能量密度相對于現(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。這里有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題需要把握與解決：

　　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、大市場的太陽能電池的原材料，否則，會出現(xiàn)新的材料短缺與新的更嚴重的環(huán)境污染問題，從這個意義講，硅基太陽能薄片或薄膜電池，是極好的選擇：硅是地球第二大豐度物質(zhì)，是土地的主要組成部分，大量的太陽能硅基電池，不論是使用中還是報廢，都沒有給大自然生態(tài)環(huán)境增添新的成份，可以成為綠色的循環(huán)。綠色植物主要組成成份為有機碳水化合物，作為太陽能電池原材料當然更為綠色自然，但因壽命與效率限制，綠色有機物太陽能電池，不會成為主流太陽能電站的首選電池材料，但可以是多元化的太陽能電池產(chǎn)品中的非常環(huán)保的、低成本的、方便使用的重要組成成員。

　　二是太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率問題，要廣泛地推廣使用太陽能發(fā)電，使用太陽能電池的經(jīng)濟性、適用性，必須均為地球上大部分地區(qū)的普通公民與企業(yè)所接受，這實際上是綠色太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率問題，也就是普通居民與企業(yè)使用效果好壞問題。當前最好的硅基單晶電池產(chǎn)品的實際光電轉(zhuǎn)換效率不超過19%—20%，絕大多數(shù)使用產(chǎn)品的車間光電轉(zhuǎn)換效率在16%—19%（薄膜電池產(chǎn)品效率低得多），實際使用中單位平方米功率僅100—150W/ M2 ，天氣稍有陰雨發(fā)電功率即近為零。這樣低的太陽能電池使用價值，決定了其不可能為廣大社會民眾所接受，也不可能有輝煌、美好的未來。炎熱夏季即使是陰雨天，空氣溫度也在30—40o C ，可利用的太陽能是巨大的，如果能將現(xiàn)有綠色太陽能硅基電池的效率大幅提升20%—30%以上，并將其光電轉(zhuǎn)換吸收譜線寬度拓展至近中紅外區(qū)域，地球人類自覺、積極推廣使用太陽能的時代就會來臨，太陽能電池產(chǎn)業(yè)也將真正進入黃金時代。

　　2.2 太陽能電池普遍原理

　　2.2.1 光照下的物體組成原子的外圍電子的集體躍遷

　　微觀世界由光電主宰，電磁作用處于支配地位，光與電場磁場是宏觀與微觀聯(lián)系的基礎(chǔ)路徑。電子能級躍遷發(fā)射或吸收光子，一個電子吸收一個光子，即進入更高能級狀態(tài)，是一種激發(fā)態(tài)，當然處于激發(fā)態(tài)的電子也可能再吸收一個光子，進入更高的激發(fā)態(tài)，這要滿足泡利不相容原理與電子量子躍遷選擇定則。

　　廣義上講，大量電子同時吸收大量光子，產(chǎn)生(宏觀可測的)有序移動態(tài)勢，即形成空間電位梯度，這種光生電勢差，即光電池（積累電能）；宏觀物質(zhì)（包括氣體）被光照，只有在某些特定的條件下，才能產(chǎn)生(宏觀可測的)有序移動態(tài)勢，絕大部分光照能量被材料物體的原子電子吸收產(chǎn)生宏觀無序熱運動（或稱“熱激發(fā)”）；實際上宏觀物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)原子離子電子，吸收光子光能，產(chǎn)生的宏觀物理狀態(tài)，是宏觀有序移動態(tài)勢與無序熱運動之和（疊加），大量微觀粒子（較）純集體有序運動，是一種宏觀量子效應(yīng)。假設(shè)一個宏觀物體被光照射，入射光功率為△W（J/s），物體對外輻射的光熱功率為△Q（J/s），物體由此產(chǎn)生的內(nèi)能變化△E（J/s），△E包含宏觀有序移動態(tài)勢△Φ（J/s）（即積累勢能，對電荷粒子來講即為電能）與宏觀無序熱運動能△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 —△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�電能）的轉(zhuǎn)換效率、物體吸收光能的宏觀量子效應(yīng)大�。ɑ蚍Q相對強弱）。物體在外界作用下的表現(xiàn)出純宏觀量子效應(yīng)時β等于1（即100%）。

　　以上論述并沒有對光電池的材料結(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 下面討論物體微觀電子在外界功（光）作用下能實現(xiàn)宏觀自發(fā)有序運動的條件

　　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，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級的空間距離，已經(jīng)可能實現(xiàn)一個原子的外圍電子的逃逸與在原子之間接力移動，這是原子間外圍電子產(chǎn)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）照射下達到平衡狀態(tài)時，物理狀態(tài)量隨時間變化的宏觀量子統(tǒng)計平均值為零，宏觀物理狀態(tài)量的時空關(guān)系可以簡單地化為微觀粒子的空間量子結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計平均關(guān)系。大量外圍電子吸收光子產(chǎn)生激發(fā)躍遷處在統(tǒng)計平衡狀態(tài)，假設(shè)單位時間處在高能級（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=ħω

　　—

　　，（其中，ħ為普朗克常數(shù)，ω

　　—

　　為光子平均角頻率。），△E為均衡狀態(tài)下相對于無光照時的內(nèi)能變化，則△E = NeΔε= Neħω

　　—

　　=ħΣω（6）

　　躍遷到激發(fā)態(tài)的電子，因為物體微觀結(jié)構(gòu)單元（原子）的電磁邊界重疊，相互之間形成比較強的電磁作用，如果存在一個穩(wěn)定的作用力場（或），則全體外圍激發(fā)態(tài)電子即會形成集體有序運動來對沖內(nèi)部空間內(nèi)的作用力場，（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)部電場完全對沖作用力場。作用力場可以是外加作用場，也可以是物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)生場，同時也可以是光照與物體結(jié)構(gòu)共同作用而產(chǎn)生宏觀有序作用。假設(shè)電子電荷為e庫侖，光生載流子（電子）的平均有序做功移動路徑為d，單位時間處在激發(fā)態(tài)的平均電子數(shù)為Ne，則有序移動態(tài)勢能△Φ（電能）為：

　　△Φ= Ne∫d ·d = Ne∫d e·d = e Ne△V (7)

　　其中，△V為電子受作用進行有序運動后形成平均空間電位勢，（即開路電壓）。

　　一般來講，光生載流子的在穩(wěn)定作用力場作用下形成的電能△Φ，是可以通過外接電路可逆地釋放出來的（除去部分熱功），這就是光電池放電過程，太陽光持續(xù)照射，光電池可以持續(xù)發(fā)電做功。利用(5)、（6）、（7）等式，可得：

　　△V =△Φ/ e Ne =ħω

　　—

　　△Φ/ e△E =ħω

　　—

　　β/ e (8)

　　如果△E =△Φ，則有△V =ħω

　　—

　　/ e 。也就是說，如果物體內(nèi)部吸收光能所引起的電子量子躍遷產(chǎn)生的高位激發(fā)內(nèi)能變化△E（J/s），全部轉(zhuǎn)化為宏觀有序移動態(tài)勢能△Φ（電能），而沒有宏觀無序熱運動能△R損失，被吸收光能全部轉(zhuǎn)換為電能，呈現(xiàn)100%的宏觀量子效應(yīng)，以500nm波長綠（近青）光計算，完全出現(xiàn)宏觀量子效應(yīng)的開路電壓△V可達2.5伏特。但要提高電池光能變?yōu)橛行蚰埽�電能）的轉(zhuǎn)換效率η，不僅要盡可能的實現(xiàn)宏觀量子效應(yīng)的最大化，而且要盡可能的減少反射透射（包括熱輻射）的照射光能損失。對于完全理想化的宏觀量子超精細結(jié)構(gòu)光電池，其光電轉(zhuǎn)換效率η是沒有止境的。

　　以上論述與結(jié)論同樣是普遍適用的。

　　如果作用力場是外加作用場如偏壓（電場），光能的實際利用價值無幾。以下重點分析物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)生場，及光照與物體結(jié)構(gòu)共同作用而產(chǎn)生宏觀有序作用場的情形。

　　2.2.2.1 物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)生載流子作用場

　　任何導電材料如果內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，某些物理性能，如密度、電導率、折射率等，存在宏觀有序的梯度分布，或者不同性能材料無隔離接觸，均會在內(nèi)部或者接觸界面附近，產(chǎn)生

　　有序電場與電位勢，良導體材料由于內(nèi)部存在自由電子，這種電位梯度則存在于表面或接觸面。圖一、圖二、圖三分別是同一導電材料（包括半導體）存在某些物理性能在某一方向的梯度分布、至少一種是導電材料的兩種不同物質(zhì)材料無間隔接觸界面、屬于圖二的特殊情形的半導體PN結(jié)表面接觸結(jié)構(gòu)。

　　以上情形可以是固液接觸面，接觸面可以是多樣化的空間結(jié)構(gòu)。兩種金屬固體接觸面，產(chǎn)生內(nèi)場的實際效果是自由電子可以“自由”從M1到M2或從M2到M1，類似單一金屬內(nèi)部電場為零的等電位形態(tài)，用近似的費米面解釋即被費米面抹平（相等），但是界面兩邊不同的自由電子束縛能（逸出功或自由電子公共能級）µ1、µ2 ，使電子從M1到M2或從M2到M1，呈現(xiàn)逆內(nèi)生電場移動吸能或順內(nèi)生電場移動放能的過程。假設(shè)△µ=µ1—µ2 ，△µ實為兩種金屬接觸界面附近的電位差△V，電子吸能或放能為℮△V 。一般情況下，由于大量的金屬表面附近的自由電子對光子的吸收與反射，造成金屬不透光性，MM接觸面的有序勢不可能導致光能轉(zhuǎn)為電能。但是特殊情況下，這是一個非常具有使用價值的表面有序作用勢，這在下面內(nèi)容中再論述。

　　下面討論一下以上結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)生有序勢與光電池效率等的數(shù)學關(guān)系。

　　同質(zhì)物體存在內(nèi)生電勢梯度的情形。假設(shè)物體微觀結(jié)構(gòu)在空間上存在載流子密度、或光電性能等物質(zhì)標量（M(r)表示）的梯度分布▽M(r)，（▽為空間微分），這種光電性能的有序性梯度分布，肯定產(chǎn)生一種均衡擴散作用力。比如載流子濃度有序性梯度分布，即是玻爾茨曼擴散方程關(guān)系中的擴散力。

　　假設(shè)物體微觀結(jié)構(gòu)空間的電位勢為U(r)，則電場強度為： =—▽U 。擁有這種梯度特性的半導體材料，雖說內(nèi)部存在有一定宏觀方向性的電位勢梯度，常態(tài)下如果內(nèi)部并沒有可以在微觀結(jié)構(gòu)單元之間移動的電荷存在，并不能產(chǎn)生持續(xù)的電流；但在陽光持續(xù)照射作用下，半導體材料組成原子的外圍低淺能級電子吸收自然光光子躍遷激發(fā)到原子間共有的高能級區(qū)域（電磁作用重疊區(qū)域，能帶理論中的空導帶），在作用下大量原子外圍激發(fā)電子形成宏觀有序移動勢，如短路則形成積累電勢能△Φ。假設(shè)接入外導線的位置在r1、r2點，U（r2 ）＞ U(r1)，穩(wěn)定光照下的電導率為σ( r)，則作為光電池的開路電壓、閉路電流ISC分別為： VOC ≤（U（r2 ）— U(r1)）， ISC =∫S σ( r)·d （9）

　　兩種不同材料（或同質(zhì)材料不同性能的兩塊材料）無隔離接觸面附近存在內(nèi)生有序電位勢的情形。典型的為半導體PN結(jié)結(jié)構(gòu)或金屬—絕緣體—半導體MIS器件結(jié)構(gòu)。接觸表面附近的形成定向電場區(qū)PN結(jié)，或形成超薄的一個準二維面高勢壘。光生載流子由PN結(jié)電場作用形成定向流動趨勢，或由量子動力擴散作用形成界面兩邊光生載流子動態(tài)差異電勢積累，即產(chǎn)生電能積累，引導線形成閉路則產(chǎn)生放電電流，持續(xù)光照即形成持續(xù)光電流輸出。

　　如果將同質(zhì)物體存在內(nèi)生電勢梯度的情形，近似為許多同質(zhì)但不同“密度”或“性能大小”的材料“薄片”的疊加組合而成，薄片之間的分界面相當于分割不同材料的界面，則“同質(zhì)物體存在內(nèi)生電勢梯度的情形”，實為“兩種不同材料性能無隔離接觸面附近存在內(nèi)生有序電位勢的情形”的一種特例。這樣，就統(tǒng)一了物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)生載流子作用場（勢）的形式。PN結(jié)內(nèi)生電位勢差△V及光電池的開路電壓VOC 、閉路電流ISC ，基本上符合玻爾茲曼擴散方程，可以近似導出。這里用更簡單的邏輯給出近似關(guān)系。

　　只考慮最簡單的同質(zhì)半導體P、N型摻雜形成的PN結(jié)情形。PN結(jié)形成的內(nèi)生電場兩端電位勢差△V ，即為開路電壓VOC ，其與P、N型載流子密度np 、ne 及對應(yīng)的擴散長度成正比。假設(shè)半導體本征原子外圍電子平均吸收光子能量為Δε= hν（即為能帶理論中的能隙Eg ），產(chǎn)生激發(fā)躍遷，PN結(jié)電場區(qū)寬度為d，PN結(jié)區(qū)內(nèi)電場可近似為平板結(jié)構(gòu)，△V = d *E = d *σ/ε0 ε,其中E 、σ、ε0 ε分別為PN結(jié)區(qū)電場平均強度、等價單位面積電荷密度、半導體材料的介電常數(shù)。

　　開路時內(nèi)生電場對光生載流子做功即為積累電能（單位面積電勢能）：

　　△Φ=σ△V= d *σσ/ε0 ε（10）

　　單位面積光照功率△W（J/s），單位面積PN結(jié)半導體內(nèi)能變化△E（J/s）近似為N個電子吸收光子的所增加的高位激發(fā)能，即：

　　△E =∑hν= N Eg +△R (11)

　　(11)式中△R為產(chǎn)生躍遷激發(fā)的N個電子吸收光能所貢獻的無序熱運動能（J/s），Eg 為平均躍遷能級寬度(即價帶與導帶間的能隙寬度)。利用公式（4）、(5)則

　　η=△Φ/△W =σ△V /△W = d *σσ/ε0 ε△W (12)

　　β=△Φ/△E =σ△V /（N Eg +△R）= d *σσ/ε0 ε（N Eg +△R）(13)

　　如果吸收光能產(chǎn)生量子躍強的電子所貢獻的無序熱運動能△R忽略不計，則（13）變?yōu)椋?br>
　　β=△Φ/△E =σ△V / N Eg = d *σσ/ε0 εN Eg (14)

　　凝聚態(tài)物體原子中電子吸收光子躍遷，總是有熱能產(chǎn)生的，量子效率總是小于100%的；除非是理想晶格結(jié)構(gòu)、又是單色光，才有可能光能全部變?yōu)榱孔幽芗墐?nèi)能，（又可以以激光的形式釋放出來）。

　　2.2.2.2 光照與物體結(jié)構(gòu)共同作用而產(chǎn)生的載流子有序作用場

　　①兩種不同材料性能無隔離接觸面，如果形成超�。�0.5—2nm左右）準二維面高勢壘，如果光子能量、勢壘、兩種材料電子吸光躍遷能級及能級差匹配，如圖四示意，存在界面附近一種材料（如M1）的結(jié)構(gòu)單元外圍電子吸收一個光子（hν）直接越過勢壘量子躍遷到另一種材料（如M2）的更高能級（導帶），形成界面附近的有序量子效應(yīng)，產(chǎn)生積累有序勢能（電能）的效果，這種由超薄穩(wěn)定薄膜（一般為絕緣帶體）形成的準二維面高勢壘（M1-I-M2結(jié)構(gòu)），可以稱為“量子電子泵”，在光照作用下，起到“泵抽電子”、光致發(fā)電的作用。光電池電壓△V = E22—E12 。這也適用于光照面為半導體（M1）、背光面為金屬（M2）的MIS情形。

　　 PN結(jié)是一種空間結(jié)構(gòu)更寬的“量子電子泵”。

　�、诔�薄金屬薄膜（或薄片）、半導體或其它導電薄膜準二維結(jié)構(gòu)，在光線垂直照射下，薄膜兩邊形成電位勢，用導線接通回路即產(chǎn)生光電流，如圖五所示。

　　以金屬薄膜為例，光子動量=h ，垂直于薄膜平面，能量Δε= hν= pc ，對于微納米級薄膜結(jié)構(gòu)，反射光極弱，光子動量與能量，幾乎被薄膜電子與晶格吸收或透射，一個電子吸收一個動量=h光子，則獲得沿光線方向的動量=h，產(chǎn)生沿背光面方向移動的有序勢，大量電子同時吸收同方向光子得到沿光線方向動量即產(chǎn)生宏觀有序電位勢能。準二維超薄薄膜受平行光垂直照射，是人工通過器件幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)宏觀量子效應(yīng)的經(jīng)典方法。下面用簡單的方法，分析光電流電壓與薄膜材料及光功率的關(guān)系。

　　ΔW為單位時間單位面積內(nèi)光照能（J/sm2），對應(yīng)于ΔW/c 動量流（薄膜表面光壓）(N/m2)，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定均衡時，可以進行統(tǒng)計平均運算。假設(shè)導電薄膜（片）的載流子（這里只考慮電子）密度為ne ，薄膜厚度為d ，則單位面積光壓（或動量流）ΔW/c相對與每個電子受力F為ΔW/c ne d ，即 F =ΔW/c ne d (15)

　　連續(xù)均勻光照下，薄膜中自由電子相當于受到一個沿光線方向均勻電場強度E的作用， E = F/e =ΔW/c ne de (16)

　　則光照下電子有序移動形成薄膜兩邊的電位勢差△V（即開路電壓）為：

　　△V = Ed =ΔW/ ne ce （17）

　　△V的這個統(tǒng)計近似，與薄膜厚度d無關(guān)，可以理解為光子對載流子的沖壓有作用尺度（深度）限制。分別取ΔW ～1000W/ m2、e為1.6 * 10-19 庫侖、c為3*108m/s ，則△V ～2*1013/ ne 伏特，對厚膜來講（厚度500—1000納米以上）尤其是金屬材料膜片，太陽光光照引起的光電壓很小。

　　但在30nm＞d＞0.1nm 超精細薄膜區(qū)間，直線光照的量子效應(yīng)凸顯，(15)（16）（17）等近似式不再適用，一維平行光子P與準二維晶格結(jié)構(gòu)中的電子e的時空作用點（交集）更為明確，海森堡測不準原理表明電子在平行與光子Î方向上有更大的動量，△V 可以達到伏特數(shù)級。超薄薄膜的電子吸光有序移動，可以表現(xiàn)出量子躍遷的效應(yīng)，即一個電子可以吸收能量為hv =△V的光子，實現(xiàn)從薄膜前面到背光面的直接“量子躍遷”（能級差由光輻射作用產(chǎn)生）。對半導體材料，薄膜在100—500nm厚度尺度，△V 也可以達到伏特數(shù)級。這是由可見光量子能級所決定的。這也是半導體體晶格結(jié)構(gòu)中，超薄的分割二維界面（薄層），起到“量子泵”作用機理的另一種論述，實際上也是下文中所述的薄膜電池疊層超高效耦合連接的微觀機理論述。

　　同樣，可以估算閉路電路ISC 。設(shè)垂直穿過薄膜單位面積的電流密度為JSC ，單位面積光照動量（光壓）ΔW/c ，全部轉(zhuǎn)化為自由電子沿光線方向的有序動量，則JSC 為：

　　JSC = e nep/me = e ne/me *ΔWd nr/c2 ned = eΔW nr/c2 me (18)

　　ΔW ～1000W/ m2、e為1.6 * 10-19 庫侖、c為3*108m/s 、電子質(zhì)量me 為9.1*10-31kg 、nr為導電材料的折射率，則JSC 約為1.95*10-3nr安培，簡單近似公式是合理的。由于這種結(jié)構(gòu)金屬材料光熱效應(yīng)明顯，光電流與定向熱擴散同效。

　　2.2.2.3 超級晶格超級躍遷結(jié)構(gòu)

　　大量電子吸收光子產(chǎn)生宏觀有序移動，是宏觀量子效應(yīng)表現(xiàn)。從能量轉(zhuǎn)換效率來講，宏觀有序量子效應(yīng)與宏觀無序熱效應(yīng)，是兩種完全不同的物質(zhì)能量狀態(tài)。一般來講，宏觀有序量子效應(yīng)，是可逆過程，只有物質(zhì)宏觀有序勢，才可以變?yōu)橛杏媚堋�對光電池來講，電池材料吸光電子的宏觀量子效應(yīng)程度，決定電池的光照發(fā)電效率。這正是前面公式（1）、（4）、（5）等所含的主要意義之一。

　　不同均勻晶格材料原子外圍電子的能級差異很大，兩種材料（半導體或金屬等）之間均勻無間隙界面（可以是準二維或準一維結(jié)構(gòu)），實際上形成一個能級或電位差異△V的宏觀有序結(jié)構(gòu)，即可能形成低電位材料界面附近電子同時吸收能量hν≥△V光子，產(chǎn)生集體宏觀定向躍遷的情形，即2.2.2.2 節(jié)①所論述的、圖四所示意的情形。如果這種宏觀量子界面在納米尺度上連續(xù)存在，如圖五、圖六所示，即為本節(jié)所論述的超晶格結(jié)構(gòu)。

　　圖五所示的，為（準）二維界面超晶格結(jié)構(gòu)，由不同薄膜材料以均勻晶格結(jié)構(gòu)、層層無間隙疊加而成。每種材料薄層厚度在0.1nm—100nm（有些材料單層薄膜可以更厚一些，更多材料不宜太厚）之間，保持均勻晶格結(jié)構(gòu)；薄層之間界面清晰平順。圖五所示的，包含更多的有序結(jié)構(gòu)內(nèi)容，如材料每層厚度沿所示光線方向梯度增加，材料可以是兩種材料A和B的ABABAB連續(xù)疊加結(jié)構(gòu)，也可以是一種材料由超薄穩(wěn)定隔離膜(厚度0.1—2nm)I準二維膜隔離的AIAIAIA連續(xù)疊加超晶格結(jié)構(gòu)。當然也可以是三種以上合適晶格材料的均勻疊加結(jié)構(gòu)。這種時空結(jié)構(gòu)，形成一個可能促使原子外圍電子連續(xù)有序躍遷的超級量子電子泵。

　　圖六所示的，一個寬禁帶半導體均勻晶格材料內(nèi)部鑲嵌另一種準一維半導體導電材料（直徑d小于500nm甚至小于100nm，100nm≥d≥1nm）的超晶格結(jié)構(gòu)。當然也可以是一種相對窄禁帶半導體均勻晶格材料內(nèi)部鑲嵌另一種準一維良導體（如活性金屬）納米線超晶格結(jié)構(gòu)。準一維納米線材料在體形半導體材料內(nèi)無間隙密實鑲嵌，并保持自身準一維均勻晶格結(jié)構(gòu)，準一維納米線可以是平滑彎曲的，納米線間距離是d的10—100倍以上。染料敏化太陽能電池與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的核心結(jié)構(gòu)實際上是這種結(jié)構(gòu)，這里（包括后面的論述）事實上給出了染料敏化太陽能電池與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的本質(zhì)機理或理論基礎(chǔ)。

　　無論是準二維平面附近還是準一維納米線附近的晶格原子外圍電子，均對（垂直）入射光子產(chǎn)生強烈吸收作用，這是四維時空作用矢量同向有序選擇作用的必然結(jié)果，是產(chǎn)生宏觀量子效應(yīng)的時空結(jié)構(gòu)。低電位電子吸收能量hν≥△V光子，從一種材料時空邊界，“量子化”躍遷到另一種高電位材料時空邊界。

　　對圖五所示的超晶格結(jié)構(gòu)形態(tài)，在持續(xù)光照情況下，如果界面兩邊的電位差△Vij小于可見光光子能量hν（1.55—4.12eV），則各界面之間存在電子協(xié)同接力吸收光子躍遷的可能，相當于一個電子從正面連續(xù)不斷移動躍遷到背面產(chǎn)生光電流，形成完全有序的宏觀量子效應(yīng)，使超晶格薄膜結(jié)構(gòu)入射光面與背面的電位勢產(chǎn)生最大電位勢差△Vmax =Σ△Vij ≤ hνmax/e ≈4.1V 。只要有足夠的光生載流子密度，則這種超晶格甚至有可能使所有光子能量全部變?yōu)殡娮雍暧^有序能，光電轉(zhuǎn)換熱能損失很小，作為光電池其轉(zhuǎn)換效率可以非常大。

　　對于圖六所示的超晶格結(jié)構(gòu)形態(tài)，體半導體與納米線（所有納米線可以像圖六所示互相連接作為電源的一個電極）形成確定的電位勢差△V，大量電子參與有序躍遷移動，也可以形成很大的宏觀量子效應(yīng)電流，光電轉(zhuǎn)換效率也很高。如果納米線密度夠大，合適的△V日光（垂直）照射，可能使納米線鑲嵌的超晶格結(jié)構(gòu)光電流密度達到100mA甚至更高。低位電子吸收能量hν≥△V的光子，產(chǎn)生空間有序躍遷移動，形成體半導體與納米線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一電位勢差△V。

　　2.2.3 能帶結(jié)構(gòu)機理描述

　　本小節(jié)就傳統(tǒng)的能帶理論對光電池的理論機理解釋，與本文的光電池理論機理的關(guān)系等，進行簡單地論述。

　　能量理論是薛定諤方程在固體晶體應(yīng)用中，解集的一種描述，是波矢空間（時空對應(yīng)的倒易空間）方程解的幾何描述分析。能級是波矢的函數(shù)（偶次方關(guān)系），晶格結(jié)構(gòu)的空間周期性，造成外圍電子能級的密集疊加成間斷的連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)。能帶之間的間隔為禁帶或帶隙，電子按泡利不相容原理與費米統(tǒng)計法則由低位向高位排列分布，滿帶為價帶，最高能級的價帶以上的不滿帶或空帶為導帶。材料晶格結(jié)構(gòu)中，存在不滿導帶的，為金屬材料，所有能帶為滿帶或空帶的，為半導體或絕緣體。費米面是T=0時被電子填充（占滿）能帶與無電子占據(jù)能帶間的界面，對金屬自由電子來講費米能級EF是T=0是電子占據(jù)的最高能級。

　　費米統(tǒng)計分布公式： f(E)= 1/(e(E－EF)/kT+ 1)(19)

　　其中，f(E)為E能級被一個電子占據(jù)的幾率。當E=EF 時，f(E)= 1/2 。

　　導電中的電子能量E是可以連續(xù)變化的，對應(yīng)位移空間即是可以“在晶格之間自由運動的”，價帶中的低能電子吸收光子能量躍過禁帶寬度Eg達到導帶成為光生載流子。光生載流子的有序移動（即產(chǎn)生電位勢，成為光電池發(fā)電）需要有類似PN結(jié)的內(nèi)生電場存在。

　　對于圖五和圖六所示的連續(xù)疊層或內(nèi)鑲納米線超晶格結(jié)構(gòu)，從能帶理論近似的角度來講，位移空間一維或二維的有序分割，相對于波矢空間導帶、禁帶、價帶寬度的有序變窄及波態(tài)加密，原寬禁帶（或?qū)�帶）中間產(chǎn)生新的能級（或窄禁帶），電子吸收光子產(chǎn)生空間有序躍遷的幾率大增，因此這類超晶格成為高量子效應(yīng)的高光電轉(zhuǎn)換效率的光電池（結(jié)構(gòu)）。這種能帶理論近似解釋，完全與本文前述的光電池理論機理一致、相符。

　　2.2.4 光電池材料吸收光譜的均衡匹配

　　陽光是全譜線光線的集合，其中紅外光能幾乎占到總光輻照能的50%。而不同材料與結(jié)構(gòu)的吸收光譜不同，要達到對太陽光能的充分吸收，并產(chǎn)生更多的宏觀有序的量子效應(yīng)，疊層材料的匹配是關(guān)鍵。

　　晶體硅的禁帶寬度Eg約為1.12eV，非晶硅厚膜Eg約1.6—1.8 eV（3nmEg約2.0 eV，2nmEg約2.5 eV），微晶Eg約介于二者之間。其它常用材料，如Ge的Eg約0.67eV，GaAs的Eg約1.43eV，SiC的Eg約2.2—2.4eV，PbS的Eg約0.34—0.37eV，ZnO的Eg約3.2eV，TiO2的Eg約3.0eV ，PbSe的Eg約0.27eV ，CdTe的Eg約1.45eV，SiO2 約6-8eV ，Al2O3 約8eV，ITO約為 3.75-4.0eV，SnO2（透明導體）約（3.57-3.93）eV，Mg F2 約11 eV 等等。

　　對同質(zhì)材料來講，晶格結(jié)構(gòu)確定時，納米尺度是改變Eg的有效手段。2.2.2.3節(jié)中的超晶格結(jié)構(gòu)，正是吸收光譜全譜線系列匹配的最優(yōu)形式，只有這種超晶格結(jié)構(gòu)，才可能產(chǎn)生電子全譜線吸收光子進行超級量子躍遷的宏觀有序量子效應(yīng)。

　　3.提高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵工藝技術(shù)

　　3.1 時空結(jié)構(gòu)

　　材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)，誘導材料產(chǎn)生高效宏觀量子效應(yīng)的空間有序結(jié)構(gòu)，可以稱之為材料的“時空結(jié)構(gòu)”。準一的納米線、準二維的納米薄膜，與來自“其它維空間”（垂直于納米線、或垂直于納米薄膜平面的）光子，組成超有序時空結(jié)構(gòu)，這是常態(tài)下產(chǎn)生宏觀量子效應(yīng)的基本條件。（本文前面對此有過簡單論述。）

　　分別以p、e、s 代表光子、電子、晶格聲子的波矢，準二維平面納米薄膜結(jié)構(gòu)和準一維納米線晶格結(jié)構(gòu)的聲子波矢與平行光呈垂直關(guān)系，即s⊥p，平行光與聲子的作用完全被抑制，光反射也幾乎為零，最大限度的增加了電子吸收光子產(chǎn)生p 方向有序運動的機會。這正是準二維平面納米薄膜結(jié)構(gòu)和準一維納米線晶格結(jié)構(gòu)光電效應(yīng)超強的原因。

　　本文圖五、圖六中所示的超級晶格結(jié)構(gòu)，尤其是圖五所示的納米薄膜疊層厚度（幾何）梯度增加變化結(jié)構(gòu)，意味著即使在光子p 方向上，也構(gòu)造了能量梯度的空間協(xié)調(diào)關(guān)系，波矢在光子p 方向的傳播，形成在不同厚度薄膜內(nèi)的波長或能級呈梯度分布的時空結(jié)構(gòu)，這進一步增強了這種材料結(jié)構(gòu)的時空有序性及強關(guān)聯(lián)性，電子吸收光子產(chǎn)生的宏觀量子效應(yīng)更強。圖六所示的納米線結(jié)構(gòu)，如果納米線本身的直徑d呈光子p 方向的（幾何）梯度分布，也會產(chǎn)生同樣的時空效果。

　　在垂直于光子p 的方向，連續(xù)梯度分布均勻平面薄膜或納米線，假設(shè)電子波矢e 為

　　e = e∥+ e⊥，則薄膜或納米線上電子吸收光子e∥由0 變?yōu)?e∥= p （20）

　　大量電子全吸收光子產(chǎn)生同一p 方向的宏觀有序能態(tài)，光子能量的熱能損耗很少或無。也就是說，理想的超級晶格結(jié)構(gòu)，可能達到100%的光電轉(zhuǎn)換效率。

　　3.2 誘導更多光子電子有序運動結(jié)構(gòu)機理與光子電子泵

　　誘導光子、電子產(chǎn)生有序運動與作用，減少反射或無規(guī)熱運動損失，是提高光電效率的前提條件。準二維平面納米薄膜結(jié)構(gòu)和準一維納米線晶格結(jié)構(gòu)，是誘導光子、電子產(chǎn)生有序運動與作用的基本時空結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進一步加強時空結(jié)構(gòu)的有序性，會產(chǎn)生更強大的宏觀量子效應(yīng)，進一步增大電子吸收光子產(chǎn)生有序電位勢的效率。

　　以如圖五的納米薄膜有序結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，再增加不同薄膜層的折射率nr遞增、帶隙Eg 遞減、（甚至再匹配電導率б遞增）等材料性能空間有序排列結(jié)構(gòu)，將更進一步地增加光子電子“前行”與電子吸收光子的幾率，甚至可以達到誘導絕大部分光子電子有序運動、電子吸收絕大部分光子產(chǎn)生宏觀有序電能的效果。

　　納米薄膜厚度幾何梯度遞增與折射率梯度遞增，是誘導光子前行減少表面反射損失的有效工藝手段，厚度匹配起全光譜耦合與增透作用，折射率幾何梯度遞增起到吸聚光作用（垂直光透射率最大），前端薄膜超精細疊層結(jié)構(gòu)（超晶格層）又對后端薄膜界面的反射起到折返減反的作用（有全反射效應(yīng)），這是典型的誘導光子透過的泵抽結(jié)構(gòu)。下表為部分材料的折射率。

　　

　　就硅基太陽能電池來講，ITO(ZnO)（或TiO2 ）、SiC-a—Si（多層）、微晶或晶體Si結(jié)構(gòu)，非常理想，完全可以實現(xiàn)如圖五所示的納米薄膜超級有序時空結(jié)構(gòu)，即納米薄膜厚度d遞增、折射率nr遞增、帶隙Eg 遞減等材料性能空間超級有序排列結(jié)構(gòu)，這種光電池的轉(zhuǎn)換效率，有達到60—80%以上甚至更高的可能。

　　超級晶格結(jié)構(gòu)的電子吸收光子時空躍遷示意圖如圖七所示，深能級（E3）為前端超薄膜層，由于電子自由程的限制，除非是理想的超薄疊層晶格結(jié)構(gòu)（總厚度小于100nm），電子從前端薄膜直接吸收高能光子躍遷到背面末端相對厚膜的幾率不大。多層薄膜電子（晶格原子外圍電子或光生載流子）分別吸收光子，產(chǎn)生協(xié)調(diào)躍遷的有序量子效應(yīng)的幾率很大。對這種超級納米薄膜疊層結(jié)構(gòu)，不排斥幾個電子同時吸收一個高能光子，產(chǎn)生梯次協(xié)調(diào)有序躍遷的可能。這是一個“全新的”物理過程，即如 e1∥+ e2∥+ e3∥= p (21)

　　對于含金屬薄膜層的超晶格（金屬材料）結(jié)構(gòu)，納米級金屬薄膜已經(jīng)成為電介質(zhì)或“準電介質(zhì)”，這里所指的“準電介質(zhì)”是類半導體屬性。納米金屬薄膜完全沒有厚膜或體金屬晶格結(jié)構(gòu)中的自由電子反射吸收（層）存在。為了隔斷金屬薄膜之間的（趨同）延展性，金屬納米薄膜（尤其是同質(zhì)金屬薄膜）之間，需鑲?cè)耄ǔ练e）0.5—2nm厚的穩(wěn)定隔離層（高勢壘理想晶格材料，如氧化鋁等），準二維均勻隔離層（界面），同時又是一個電子有序移動泵，多個準二維均勻隔離層（界面）排列結(jié)構(gòu)，可以形成大量電子不斷吸收光子向高位勢（能級）不斷量子躍遷的電子連續(xù)泵抽狀態(tài)。這種準半導體屬性的納米金屬薄膜，由于準自由電子濃度比半導體材料搞出許多數(shù)量級，其光電流可以很多。如果膜層匹配合適，這種金屬材料超晶格結(jié)構(gòu)將是更簡單工藝的高效光電池工藝結(jié)構(gòu)。

　　3.3 多層薄膜與多層PN結(jié)的疊層高效耦合技術(shù)工藝

　　均勻薄膜疊層工藝，對光電池的轉(zhuǎn)換效率影響很大。一般疊層很容易提高電池的開路電壓VOC，但對閉路電流密度JSC與效率因子FF來講，如果找不到合適的工藝技術(shù)，負面作用很大。以PN電池為例，對單結(jié)電池結(jié)構(gòu)來講，材料一定時，各層光生載流子濃度相匹配、每層均勻沉積、膜層界面平順清晰，是保證高JSC與效率因子FF的關(guān)鍵。

　　對多層PN疊層電池來講，在保證單結(jié)電池高效率的前提下，多結(jié)之間的疊層耦合連接成為多結(jié)PN電池能否實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。簡單地講，多PN結(jié)疊層電池，相當于單PN電池之間的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高整個串聯(lián)結(jié)構(gòu)電池的整體VOC相對容易，但要保持單結(jié)PN電池較高的閉路電流密度JSC與效率因子FF，極為困難，或者說現(xiàn)有技術(shù)工藝沒有取得理想結(jié)果�？梢哉f，工藝相對簡單的單電池結(jié)構(gòu)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，才是理想的光電池結(jié)構(gòu)。本文中所述的超級晶格結(jié)構(gòu)光電池，正是這種理想的、實現(xiàn)整體宏觀有序光電量子效應(yīng)的太陽能電池。

　　多結(jié)之間的疊層高效的耦合連接，必須至少滿足兩個條件：一是連接電阻極小并含大量載流子，二是連接界面勢壘相對低，過高會造成對前面結(jié)層有序電子“前移”過分受阻或反射。如果連接層“自由載流子”密度遠遠大于單結(jié)PN電池的載流子密度（高102-3以上），這種耦合結(jié)構(gòu)，同時會起到耦合放大單結(jié)PN電池閉路電流密度JSC 的良性作用，即整個電池的閉路電流密度大于單結(jié)PN電池較高的閉路電流密度。更薄、更穩(wěn)定的均勻晶格結(jié)構(gòu)的良導體材料，可以滿足對上述高效耦合連接層的要求。這種更薄更均勻的良導體材料連接層，普通沉積設(shè)備是不能完成的。我公司已經(jīng)解決了這種超精細薄膜簡單物理沉積的工藝技術(shù)問題。

　　3.4 減反射損失工藝與多點多層集電吸收電極技術(shù)

　　制絨與鍍減反膜是傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池減少光反射損失的主要工藝方法，柔性薄膜太陽能電池幾乎無反射損失。本文所論述的多層納米厚度薄膜幾何梯度遞增沉積鍍膜工藝技術(shù)，已經(jīng)起到增透減反的作用。對晶體硅上疊加薄膜PN結(jié)的多結(jié)疊層硅基太陽能電池來講，這種多層納米薄膜厚度幾何梯度遞增沉積鍍膜工藝，完全可以替代減反膜與制絨工藝。

　　晶體硅電池的背電極工藝，與減反膜相比也很重要。多點多層集電吸收電極技術(shù)工藝，主要包括：晶體硅背面（非PN結(jié)面）打孔（直徑500—10000nm，深度為晶體硅厚度的1/5—1/2，密度1000—50000孔/cm2），金屬灌入孔內(nèi)的內(nèi)層較薄金屬集電薄膜（10—30nm），超薄均勻穩(wěn)定隔離層（厚度0.5—2nm，同時起到電子泵作用），外層穩(wěn)定金屬電極厚層。這種多點多層集電吸收電極技術(shù)工藝，不僅增加收集載流子的作用，同時更重要的是增加背電極的宏觀量子效應(yīng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)（機制），一是雙層金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量電子吸收紅外光的宏觀量子效應(yīng)，二是增加起到電子定向泵抽作用的準二維界面層，增大電池的光電流。（見圖十）

　　4.主要電池工藝結(jié)構(gòu)與效率

　　本文以上內(nèi)容已經(jīng)詳細地論述了太陽能電池的普遍原理與核心機理，提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)工藝的理論機理與工藝步驟，并論述了包括納米薄膜超級晶格結(jié)構(gòu)電池、納米線超級晶格電池、多層PN結(jié)疊層薄膜電池、晶體硅PN結(jié)電池上疊加硅基薄膜PN結(jié)的多結(jié)電池、單層或多層超薄導電材料二維結(jié)構(gòu)電池等多種高效太陽能電池的結(jié)構(gòu)與光電轉(zhuǎn)換機理，以及相關(guān)電池結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換效率提升的潛力等。本節(jié)對幾個主要的太陽能電池結(jié)構(gòu)，作進一步的論述。

　　4.1 三層PIN結(jié)硅基薄膜疊層電池

　　單層硅基PIN結(jié)非晶硅電池，較高轉(zhuǎn)換效率可以達到8%以上；單層硅基PIN結(jié)微晶硅電池，較高轉(zhuǎn)換效率可以達到10%以上。如果PIN結(jié)之間耦合連接理想，非晶、非晶、微晶三層PIN結(jié)（或非晶、微晶、微晶三層PIN結(jié)）硅基薄膜電池，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該可以達到22%—23%以上。該種電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖八所示。

　　三層PIN結(jié)硅基薄膜電池，每個PIN結(jié)的P、I、N層薄膜可以由多腔PECVD連續(xù)沉積完成。其中連接層非常關(guān)鍵，對閉路電流密度JSC與效率因子FF的提升成為工藝難點。PP+N+N耦合連接，可以保持PN電池電壓損失低于10%，但電池閉路電流相對與單結(jié)電池來講損失超過20%—30%，F(xiàn)F效率因子因為耦合非常�。�1—3nm左右）降低幅度10%—15%左右，整體疊成效率并不高，而且使用中同質(zhì)退化嚴重。以這種耦合，實際制作工藝較好的三PN結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率大約12%—15%。更高效的耦合技術(shù)工藝，是采用更薄、更穩(wěn)定的均勻晶格結(jié)構(gòu)的良導體材料，而且薄膜沉積技術(shù)工藝要求高，必須保證均勻柔性沉積。

　　4.2 金屬或半導體納米薄膜超晶格結(jié)構(gòu)電池

　　這種超晶格太陽能電池是2.2.2.3節(jié)中論述的、圖五所示的納米薄膜超晶格結(jié)構(gòu)電池的兩種形式，一種是MIMIMIM或SISISIS結(jié)構(gòu)，另一種是SMSMSM(S)結(jié)構(gòu)，其中M為導體（金屬）、S為半導體、I為透明絕緣體。如圖九所示。透明絕緣體I為超薄層，既起隔斷作用，又是準二維平面結(jié)構(gòu)電子泵。SMSM交替有序梯度疊層結(jié)構(gòu)本身界面清晰，不需要隔離界面。這種超晶格結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換效率極限是100%，具體工藝機理前文已經(jīng)詳述，不再累述。

　　4.3 晶體硅PN結(jié)電池上疊加硅基薄膜PN結(jié)的多結(jié)電池

　　晶體硅PN結(jié)電池上疊加硅基薄膜PN結(jié)的多結(jié)電池，是在傳統(tǒng)的晶體硅電池前端疊加超薄PIN結(jié)電池，省去減反膜與制絨工藝，背電極采用3.4節(jié)中的多點多層集電吸收電極技術(shù)工藝。整體工藝并不比單結(jié)晶體硅電池復雜或更高成本。結(jié)構(gòu)如圖十所示。

　　單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到19%以上，單層硅基PIN結(jié)非晶硅超薄電池，較高轉(zhuǎn)換效率可以達到7-8%以上，多點多層集電吸收電極技術(shù)工藝至少可以提高效率3%以上。除去重復結(jié)構(gòu)作用，及15%的疊層損失，這種電池如果疊層耦合連接理想，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該可以達到23%—24%以上。理想的耦合工藝，是采用3.3節(jié)中所述的更薄、更穩(wěn)定的均勻晶格結(jié)構(gòu)的良導體材料，晶體硅無制絨擴散制結(jié)比有制絨的晶體硅電池，更容易耦合疊層前端薄膜電池。

　　4.4 染料敏化電池、鈣鈦礦電池與納米線超級晶格結(jié)構(gòu)電池

　　染料敏化太陽能電池（DSSC）由透明導電基片、多孔納米晶半導體薄膜(TiO2、SnO2、ZnO等)、染料光敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極等構(gòu)成。DSSC實驗室小片光電效率最高紀錄超過12%。鈣鈦礦(CaTiO3)電池基本結(jié)構(gòu)包括透明導電玻璃、寬禁帶基底材料（TiO2、ZnO等）和敏化劑（三碘離子化合物CH3NH3PbI3等）、HTM（spiro-MeOTAD）、對電極等。鈣鈦礦電池研發(fā)進展神速，短短幾年實驗室光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到16.4%。

　　鈣鈦礦電池實際上是燃料敏化材料太陽能電池一種特殊形式，其與染料敏化電池的主要區(qū)別是以“一種人工合成的有機-無機雜化的鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的半導體材料作為光敏化劑”。染料敏化電池、鈣鈦礦電池的主要優(yōu)點是工藝相對簡單、成本低。鈣鈦礦晶體材料缺點是受潮濕極易變?yōu)樵�粉、大顆粒易破裂。

　　染料敏化電池、鈣鈦礦電池的核心工藝機理是光敏化劑充實地滲入透明多孔納米晶半導體薄膜材料(TiO2、SnO2、ZnO)內(nèi)，這實際上是2.2.2.3節(jié)中論述的納米線超級晶格結(jié)構(gòu)的一種形態(tài)，是用簡單工藝實現(xiàn)納米線超晶格結(jié)構(gòu)電池典型范例。準一維納米線形材料，因為一維有序結(jié)構(gòu)與電子能級合適，強烈吸收光子并通過納米線界面直接“量子躍遷”到鄰居半導體晶體結(jié)構(gòu)中的更高自由能級（導帶），產(chǎn)生宏觀有序電位勢。這種納米線超晶格結(jié)構(gòu)電池的光電作用宏觀量子效率很強，電池光發(fā)電效率可以更高。染料敏化電池、鈣鈦礦電池的有效實踐，為我們開啟一個非常簡捷方便的制造納米線超級晶格結(jié)構(gòu)電池的思路。

　　5.總結(jié)

　　本文從量子電動力學與量子統(tǒng)計熱力學等基本邏輯出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了光電池發(fā)電本質(zhì)是電池材料中大量電子同時吸收光子產(chǎn)生宏觀有序運動勢能，并開創(chuàng)性的闡明了準二維平面薄膜有序結(jié)構(gòu)與準一位納米線有序結(jié)構(gòu)是電子吸收光子產(chǎn)生宏觀有序運動勢能的關(guān)鍵時空結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)性的提出電子泵與誘導光子電子有序運動時空結(jié)構(gòu)，并提出納米薄膜超晶格與納米線超晶格結(jié)構(gòu)電池。理論驗算與實際試驗結(jié)果，驗證了本文理論邏輯的正確性。

　　6.備注

　　本文的理論與論述，多是原創(chuàng)性的。本文所用的知識、資料或數(shù)據(jù)、理論等，都是基本的量子（電動）力學、固體物理學、統(tǒng)計熱力學等所必備的。