光電池與太陽能原

1、光電池和太陽能原理與應(yīng)用小組成員：陶潔帥 鄭皓 袁智 尹雄 劉貝貝 向晨 1背 景 當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。歐洲一些高水平的核研究機(jī)構(gòu)也開始轉(zhuǎn)向可再生能源。在國際光伏市場巨大潛力的推動(dòng)下，各國的太陽能電池制造業(yè)爭相投入巨資，擴(kuò)大生產(chǎn)，以爭一席之地。2發(fā)展歷史1839年,光生伏特效應(yīng)第一次由法國物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)；1883年第一塊太陽能電池Charles Fritts制備成功 ；1946年Russell Ohl申請(qǐng)了現(xiàn)太陽電池的制造專利；1

2、954年，第一個(gè)太陽能電池誕生在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室；1960年代，美國的人造衛(wèi)星開始使用太陽能電池作為能量來源；1973年，太陽能電池的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般民生用途上。3 自1954發(fā)明太陽能電池至今，目前已經(jīng)進(jìn) 入第三代發(fā)展期 第一代的太陽能電池為晶圓技術(shù)；第二代的太陽能電池為薄膜技術(shù)；第三代太陽能電池包含所有正在創(chuàng)新、啟蒙中的新型太陽能光電技術(shù)。4太陽能電池工作原理太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即一些半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，載流子數(shù)量會(huì)劇增，導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體的光敏特性。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成

3、熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?如果半導(dǎo)體內(nèi)存在PN結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在PN結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場方向相反光的生電場。6若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。 78太陽能電池的分類硅太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池聚合物多層修飾電極型太陽能電池納米晶太陽能電池【染料敏化納米晶體太陽能電池】有機(jī)太陽能電池

4、9硅太陽能電池 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。10硅太陽能電池 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉 ，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太

5、陽能電池成本低重量輕 ， 轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。非晶硅具有較高的光吸收系數(shù).特別是在0.3-0.75um 的可見光波段,它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí). 11硅太陽能電池 因而它比單晶硅對(duì)太陽能輻射的吸收率要高40倍左右, 用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收90%有用的太陽能.這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn),也是它能夠成為低價(jià)格太陽能電池的最主要因素. 然而，非晶硅薄膜太陽能電池的制作材料容易引發(fā)光電效率衰退效應(yīng) ，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用 。 如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題 ，那么，非晶硅太陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。12硅太

6、陽能電池 光致衰退效應(yīng)：也稱S-W效應(yīng)，是指a-SiH薄膜經(jīng)較長時(shí)間的強(qiáng)光照射或電流通過,在其內(nèi)部將產(chǎn)生缺陷而使薄膜的使用性能下降的現(xiàn)象。 對(duì)S-W效應(yīng)的起因,至今仍有不少爭議,造成衰退的微觀機(jī)制也尚無定論, 成為迄今國內(nèi)外非晶硅材料研究的熱門課題?？偟目捶ㄕJ(rèn)為，S-W效應(yīng)起因于光照導(dǎo)致在帶隙中產(chǎn)生了新的懸掛鍵缺陷態(tài)(深能級(jí))，這種缺陷態(tài)會(huì)影響a-SiH薄膜材料的費(fèi)米能級(jí)EF的位置，從而使電子的分布情況發(fā)生變化，進(jìn)而一方面引起光學(xué)性能的變化,另一方面對(duì)電子的復(fù)合過程產(chǎn)生影響。這些缺陷態(tài)成為電子和空穴的額外復(fù)合中心，使得電子的俘獲截面增大、壽命下降。13硅太陽能電池14多元化合物薄膜太陽能電池

7、多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。 砷化鎵III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，砷化鎵化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感 ，適合于制造高效單結(jié)電池 。但是砷化鎵材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化鎵電池的普及。 15多元化合物薄膜太陽能電池 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)

8、換，不存在光致衰退效應(yīng)的問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣 。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。16多元化合物薄膜太陽能電池17聚合物多層修飾電極型太陽能電池 以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛 ，成本底等優(yōu)勢(shì) ，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。 但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)

9、品，還有待于進(jìn)一步研究探索。18聚合物多層修飾電極型太陽能電池19染料敏化太陽能電池一、原理20染料敏化太陽能電池 當(dāng)太陽光照射到電池上時(shí)，染料分子吸收陽光能量使染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的電子將會(huì)快速注入到TiO2導(dǎo)帶中染料分子因失去電子變成氧化態(tài)。注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子在膜中的傳輸非?？?，可以瞬間到達(dá)膜與導(dǎo)電玻璃的接觸面，并在導(dǎo)電基片上富集，通過外電路流向?qū)﹄姌O。處于氧化態(tài)的染料分子，由電解質(zhì)(I-/I3-)溶液中的電子供體I-提供電子而回到基態(tài)，染料分子得以再生。電解質(zhì)溶液中的電子供體I-在提供電子后變?yōu)镮3-，擴(kuò)散到對(duì)電極，I3-得到電子而還原為I-，從而完成一個(gè)光電

10、化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，也是電池各組分都會(huì)到初始狀態(tài)。21染料敏化太陽能電池二、制作方法 染料敏化TiO2納米薄膜太陽能電池所需的制作材料：長方形導(dǎo)電玻璃2塊，納米TiO2粉末，稀醋酸，介面活性劑，植物色素，碘液。 制作步驟： 1、將TiO2納米粉末加稀醋酸和界面活性劑研磨成近似膏狀的白色膠體； 2、用萬用表分辨出導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面，將其用乙醇清洗干凈； 3、將導(dǎo)電面的三個(gè)邊貼上膠帶，把研磨完成的TiO2膠體均勻地涂在導(dǎo)電面上； 22染料敏化太陽能電池 4、把膠帶撕去，將涂好的TiO2薄膜置于烤箱內(nèi)加熱至深棕色； 5、將加熱完成的TiO2降至室溫后放入植物色系中浸泡數(shù)小時(shí)； 6、另取一片導(dǎo)電玻璃將導(dǎo)電面放在蠟燭火焰上面熏烤，會(huì)鍍上一層炭膜，用棉簽擦去邊緣炭層以留出外電路接點(diǎn)； 7、將兩片制作好的電極用夾子夾在一起，夾縫中間滴入數(shù)滴碘液，這個(gè)電池就可以開始工作了。 23染料敏化太陽能電池三、優(yōu)點(diǎn) 1、制作工藝簡單； 2、制作成本低：僅為硅太陽能電池的1/10到1/5； 3、性能穩(wěn)定：其光電效率穩(wěn)定在10%以上，壽命可達(dá)20年以上； 因此，敏化染料太陽能電池將會(huì)逐步進(jìn)入市場，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益！ 24敏化染料太陽能電池25有機(jī)太陽能電池 有機(jī)太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。有機(jī)