太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)

Chapter7表面功能材料設(shè)計(jì)熱表面催化材料設(shè)計(jì)光電表面催化原理及材料設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)1太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024光電表面催化原理及材料設(shè)計(jì)2太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024一、典型實(shí)例A.光合成反應(yīng)3太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024B.電合成反應(yīng)ESePB陰極：CdS陽(yáng)極：Pt介質(zhì)：金屬醇絡(luò)合物反應(yīng)活化能：2.9-5.8Kcal/mol;電流效率100%。4太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024C.光電水分解反應(yīng)若使反應(yīng)發(fā)生：采用pt電極，需要電壓為1.23V若采用Pt為陽(yáng)極，TiO2為陰極，采用光激發(fā)TiO2僅需要0.2V電壓若采用GaP為陽(yáng)極，TiO2為陰極，不需要電壓若采用為Pt陽(yáng)極，SrTiO3為陰極，不需要電壓5太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024二、半導(dǎo)體的光物理與光化學(xué)半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EVECDEg1.半導(dǎo)體物理尺寸較大的半導(dǎo)體粒子在晶體中存在分子或原子間的相互作用，HOMO相互作用形成價(jià)帶；LUMO相互作用形成導(dǎo)帶。6太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20247太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20242.光吸收價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EVECDEgeh8太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20243.光生電子和空穴的復(fù)合+AA-體相復(fù)合表面復(fù)合hvhvEgTiO2粒子DABCD+-++----+++-導(dǎo)帶價(jià)帶---+++D+-+直接復(fù)合間接復(fù)合9太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/202410太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20244.半導(dǎo)體表面電荷的遷移11太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024三、光電表面催化反應(yīng)的基本原理1.電表面催化原理H2O→H2+1/2O22H++2e→H2H2O+2h→1/2O2+2H+H+/H2O2/H2O2eV2e2e0eV1.23eV要求：電極的能級(jí)位置?；瘜W(xué)吸附情況。12太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20242.光表面催化原理H+/H22e2e2e0eV1.23eVH2O→H2+1/2O22H++2e→H2H2O+2h→1/2O2+2H+EcEvhveeeeConductionbandh+h+h+h+ValencebandO2/H2O半導(dǎo)體材料的選擇：Ev低于O2/H2O能級(jí)；Ec高于H+/H2能級(jí)；能量差不宜太大。13太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024四、影響光電反應(yīng)效率的因素電化學(xué)效率：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率。1.電化學(xué)反應(yīng)a.電極的選擇是關(guān)鍵，化學(xué)吸附是首要步驟能級(jí)位置化學(xué)吸附態(tài)化學(xué)吸附量b.電解質(zhì)的影響調(diào)節(jié)電極能級(jí)位置電解質(zhì)的pH值、種類(lèi)、濃度14太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/20242.光化學(xué)反應(yīng)光量子效率Ф=參與反應(yīng)的載流子數(shù)/光激發(fā)產(chǎn)生的總載流子數(shù)光能利用率η=生成的化學(xué)能/提供的所有光能高效光催化材料的構(gòu)建應(yīng)充分考慮以下問(wèn)題：（1）帶隙與太陽(yáng)光譜匹配；（2）導(dǎo)價(jià)帶位置與反應(yīng)物電極電位匹配；（3）加快電子傳輸及降低電子-空穴復(fù)合提高光量子效率。增加光吸收加快光生載流子捕獲抑制電子空穴復(fù)合15太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024五、提高光催化反應(yīng)性能的措施1.半導(dǎo)體材料納米化2.半導(dǎo)體材料復(fù)合效應(yīng)3.負(fù)載金屬4.離子摻雜5.光敏化6.表面強(qiáng)化16太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024五、表面功能材料設(shè)計(jì)(共20分，每問(wèn)4分)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得分解水過(guò)程的氧化還原電勢(shì)(H2O/O2，H+/H)及TiO2的導(dǎo)帶底(Ec)和價(jià)帶頂(Ev)能級(jí)如下圖所示，圖中還給出了Pt能級(jí)及兩種半導(dǎo)體物質(zhì)X和Y的導(dǎo)帶底(Ec)和價(jià)帶頂(Ev)能級(jí)。通過(guò)思考分析回答以下問(wèn)題：①以Pt和TiO2為電極時(shí)，光電催化分解水反應(yīng)過(guò)程的電子轉(zhuǎn)移關(guān)系圖示？并指明過(guò)程進(jìn)行所需最小電壓值(圖示)？②以X和Y為電極時(shí)(兩者的禁帶寬度相等)，光電催化分解水反應(yīng)過(guò)程的電子轉(zhuǎn)移關(guān)系圖示？并指明過(guò)程進(jìn)行所需最小電壓(圖示)？③在TiO2中加入X或Y物質(zhì)后，TiO2的導(dǎo)電性質(zhì)各將發(fā)生何種變化？(純TiO2為本征半導(dǎo)體)？④H2在TiO2、X、Y上吸附的強(qiáng)弱次序？O2在TiO2、X、Y上吸附的強(qiáng)弱次序？⑤若用TiO2為熱表面催化分解H2O的催化劑，用圖示方法設(shè)計(jì)出一種最佳助催化劑的電子結(jié)構(gòu)？17太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)18太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024太陽(yáng)能電池如何將光子能量轉(zhuǎn)換為電能的？轉(zhuǎn)換效率是由哪些因素決定的？如何提高光電轉(zhuǎn)換效率和電池的電壓、電流和功率？幾個(gè)基本問(wèn)題：19太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024一、太陽(yáng)能電池的發(fā)電本質(zhì)是“光-電轉(zhuǎn)換”20太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024以上原理分析表明，太陽(yáng)能電池成功運(yùn)作，需要同時(shí)滿足以下三點(diǎn)：如何選擇電池材料？本征半導(dǎo)體材料能做電池嗎？為什么需要雜質(zhì)半導(dǎo)體？1.光吸收效率hv>Eg2.電子和空穴分離p-n結(jié)3.電子和空穴的傳輸連接導(dǎo)線21太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024太陽(yáng)能電池的光吸收效率半導(dǎo)體材料選擇雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，而少子遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體，但兩者乘積不變22太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024為什么需要P-N結(jié)？光生電流的產(chǎn)生過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程是吸收入射光子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)；第二個(gè)過(guò)程pn結(jié)通過(guò)其內(nèi)建電場(chǎng)的作用把載流子分開(kāi)。23太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024滿足條件的光都能被吸收嗎？轉(zhuǎn)換效率的影響因素光吸收24太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024電子-空穴對(duì)生成率25太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024電子-空穴對(duì)復(fù)合率復(fù)合率取決于少子的數(shù)量，少子的壽命和材料中缺陷位的多少。因此，隨著太陽(yáng)能電池中摻雜量的加大，復(fù)合率也提高。任何半導(dǎo)體內(nèi)部或表面雜質(zhì)和缺陷位都會(huì)造成復(fù)合半導(dǎo)體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產(chǎn)生懸掛鍵。可以通過(guò)在表面生長(zhǎng)一層薄膜以減少這些懸掛鍵，這種方法叫做表面鈍化26太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024收集概率27太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/202428太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024二、太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)包括：電流、電壓、電阻、功率、轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池的等效電路：IphIDUID為暗電流I0為二極管飽和電流串聯(lián)電阻（Rs）：來(lái)源于制造電池的半導(dǎo)體材料體電阻、電極和互聯(lián)金屬的電阻，電極和半導(dǎo)體之間的接觸電阻。（1Ω左右）并聯(lián)電阻（RSH)：主要來(lái)源于p-n結(jié)漏電，包括繞過(guò)電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在晶體缺陷和外來(lái)雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電。（幾KΩ）29太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024ISH負(fù)載R上的電流如下：30太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（1）伏安特性曲線由上式可知，當(dāng)負(fù)載R從0變?yōu)闊o(wú)窮大時(shí)，負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)的電流I間的關(guān)系曲線，即為太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線，通常稱為太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線，I-V特性曲線。31太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024開(kāi)路電壓Voc開(kāi)路電壓為太陽(yáng)能電池的最大輸出電壓，此時(shí)輸出電流為0.開(kāi)路電壓與太陽(yáng)能電池的面積無(wú)關(guān)（光照面積）32太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024短路電流IscIphIDU太陽(yáng)能電池的短路電流與太陽(yáng)能電池的面積大小有關(guān)，面積越大，短路電流越大，一般1cm2的單晶硅太陽(yáng)能電池Isc=16-30mA33太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024最大功率點(diǎn)在一定的太陽(yáng)輻照度和工作溫度的條件下，伏安特性曲線上的任何一點(diǎn)都是工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線；負(fù)載線斜率的倒數(shù)即為負(fù)載電阻R的值，與工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為工作電壓U，縱坐標(biāo)為工作電流I。電流I與電壓U的乘積即為輸出功率。M調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)工作電流Imp和工作電壓Vmp的乘積最大，即：Pm=ImpVmp=Pmax則M點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)，Imp為最佳工作電流，Vmp

為最佳工作電壓，Rm為最佳工作電阻，Pm為最大輸出功率34太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024填充因子填充因子定義為太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積的比值。35太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（2）太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率太陽(yáng)能電池接受光照的最大功率與入射到該電池上的全部輻射功率的百分比稱為太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，即：At-----太陽(yáng)能電池的總面積Pin----太陽(yáng)能電池單位面積入射光功率太陽(yáng)能電池能量損失的主要因素有：第一位的損失是熱損失，光生載流子對(duì)能很快地將能帶多余能量以熱的形式損失掉。另一主要損失是光生電子和空穴對(duì)的復(fù)合引起的。還有一部分是Pn結(jié)和接觸電壓損失引起的。QE=收集到的載流子數(shù)/入射光子總數(shù)36太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024理想量子效率量子效率的降低是由于反射效應(yīng)以及擴(kuò)散長(zhǎng)度較小引起的。能量低于禁帶寬度的光不能被吸收，量子效率為0.前端表面復(fù)合紅光響應(yīng)降低是由于背表面反射、對(duì)長(zhǎng)波光低吸收率和低擴(kuò)散長(zhǎng)度37太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（3）太陽(yáng)能電池的特征電阻串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響?38太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（4）溫度效應(yīng)39太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（5）光強(qiáng)效應(yīng)太陽(yáng)常數(shù)在地球大氣層之外，地球→太陽(yáng)平均距離處，垂直于太陽(yáng)光方向的單位面積上的輻射功率基本上是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)輻射常數(shù)稱為太陽(yáng)常數(shù)，或稱此輻射為大氣光學(xué)質(zhì)量為零（AM0)的輻射。當(dāng)太陽(yáng)與頭頂正上方成一個(gè)θ角時(shí)，大氣光學(xué)質(zhì)量為：AM0光強(qiáng)為1.353KW/m2AM1.5光強(qiáng)為1.0KW/m2光強(qiáng)增加可使短路電流呈線性提高，但無(wú)法提高轉(zhuǎn)換效率40太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024三、基礎(chǔ)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)理論轉(zhuǎn)換效率高于90%，目前能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)換效率為24.7%41太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024為了獲取最高光能轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)太陽(yáng)能電池，應(yīng)注意以下幾項(xiàng)基本原則：提高能被太陽(yáng)能電池吸收并產(chǎn)生光生載流子的光的數(shù)量。提高pn結(jié)收集光生載流子的能力。盡量減少暗電流。42太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（1）減少光損耗盡量使電池頂端電極覆蓋的面積達(dá)到最?。ūM管這樣可能導(dǎo)致串聯(lián)電阻的增加）。在電池表面上加減反射膜。表面制絨。增加電池的厚度以提高吸收。通過(guò)表面制絨與光陷阱的結(jié)合來(lái)增加電池中光的路徑長(zhǎng)度43太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024減反射膜它包含一層很薄的介電材料層，膜的厚度經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，光在膜間發(fā)生破壞性干涉效應(yīng)，避免了反射。每一種厚度和折射率只能對(duì)應(yīng)于一種波長(zhǎng)的光。在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中，人們?cè)O(shè)計(jì)薄膜厚度和反應(yīng)射率，以使波長(zhǎng)為600nm的光反應(yīng)射率最小。如果采用多層減反射膜，能減少反射率的光譜范圍拓寬。2ne=(K+1/2)λ

44太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/202445太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024表面制絨“隨機(jī)金字塔”制絨（單晶硅）“倒金字塔”制絨（單晶硅）“光刻或機(jī)械雕刻”制絨（多晶硅）46太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（2）電池厚度像減小表面反射一樣，充分吸收入射光也是獲得高轉(zhuǎn)換效率的必要途徑之一。而吸收光的多少則取決于光路徑的長(zhǎng)度和吸收系數(shù)。對(duì)于厚度超過(guò)10mm的硅電池來(lái)說(shuō)，入射光能量大于禁帶寬度的部分基本全部被吸收。當(dāng)硅材料厚度為10微米時(shí)，只有30%的可見(jiàn)光被吸收。電池最佳厚度并不單單由吸收所有光這一需要決定的，如果電池的厚度變薄但是吸收光線不變，開(kāi)路電壓將比厚電池的大。光陷阱朗伯背反射層47太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（3）減少?gòu)?fù)合效應(yīng)表面復(fù)合擴(kuò)散長(zhǎng)度摻雜濃度48太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024降低表面復(fù)合方法49太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024（4）降低太陽(yáng)能電池的電阻50太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/202451太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024體電阻52太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024表層電阻率53太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024發(fā)射區(qū)電阻54太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024接觸電阻55太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024金屬網(wǎng)格的設(shè)計(jì)柵條間距網(wǎng)格電阻陰影損失56太陽(yáng)能電池原理與設(shè)計(jì)5/8/2024設(shè)計(jì)原則：最優(yōu)母柵寬度，WB，此