太阳能电池介绍

太阳能电池介绍世界和中国主要常规能源储量预测我国几种可再生能源量和发电潜力太阳能电池发展瓶颈转换效率稳定性成本太阳光谱图UVVisibleInfrared48%太阳电池分类1.技术成熟程度（三代电池）：1)晶硅电池：单晶硅，多晶硅2)薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe，球形电池多晶硅薄膜，Grātzel，有机电池染料敏化电池3)新概念电池新概念电池（第三代电池）◆中间带隙(或亚带隙，或杂质带)电池◆带隙递变迭层电池◆上、下转换器电池◆偶极子天线电池◆量子点、量子阱电池◆热载流子电池所需材料硅基电池：单晶硅，多晶硅，微晶(纳晶)，非晶硅，化合物半导体电池：CdTe,CIGS，GaAs，InP有机电池：酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等染料敏化电池：TiO2，染料等有机太阳电池工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2019年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0．7V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能染料敏化太阳电池（DSSC）什么是染料敏化太阳电池？全称为“染料敏化纳米薄膜太阳电池”模拟自然界中的光合作用原理采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极，并选用适当的氧化－还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光阴极，只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断的开始发电了。在染料敏化半导体太阳能电池中，由于一些宽隙的半导体（如TiO2）的禁带宽度相当于紫外区的能量，因而捕获太阳光的能力非常差，无法将其直接用于太阳能的转换。若寻找一些可以与这些宽隙半导体的导带和价带能量匹配的染料，使其吸附在半导体的表面上，利用染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应延伸到可见区，这种现象就叫做半导体的染料光敏化作用，而具有这种特性的染料就光敏化染料。染料敏化(1)能紧密吸附在TiO2表面，要求染料分子中含有羧基、羟基等极性基团；(2)对可见光的吸收性能好，在整个太阳光光谱范围内都应有较强的吸收；(3)染料在长期光照下具有良好的化学稳定性，能够完成多次循环反应；(4)染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性；(5)激发态能级与TiO2导带能级匹配，激发态的能级高于TiO2导带能级，保证电子的快速注入；(6)染料分子能溶解于与半导体共存的溶剂。高性能的敏化剂需要具有的特点染料敏化太阳电池的工作原理当太阳光照射到电池表面时，吸附在二氧化钛光电极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变为氧化态S+.注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向电极,形成电流。处于氧化态的染料分子氧化溶液中的电子给体(此种在电解质溶液中的电子给体),自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。被氧化的电子给体扩散至电极,在电极表面被还原,从而完成一个光电化学反应循环。染料敏化太阳电池（DSSC）电池结构阳极：染料敏化半导体薄膜TiO2、染料阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-染料敏化太阳电池的结构染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极染料敏化太阳电池的工作原理简图染料敏化太阳电池的工作原理S+hS*S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+AA+e-(CE)A-染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的研究历史1、1991年,M.Grätzel等提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池,以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)配合物为敏化染料。2、1993年M.Grätzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳能电池，2019年效率达到了10%～11%，短路电流密度为20.53mA/cm2,开路电压为720ｍＶ。3、2019年,这种M.Grätzel电池已经应用于电致变色器件。4、2019年,M.Grätzel等人进一步研制出全固态M.Grätzel电池,使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质,单色光光电转换效率最大达到33%,从而引起了全世界的关注。GrätzelM.,2019,12%染料敏化电池的进展1.对入射光的角度敏感度小，因此更适合散射和反射光源。由于钛膜表面的“光海绵”性质，电池可在大范围不同光源条件下工作，可用于非常弱的光源。2.晶体硅电池适合于充足阳光条件，而DSSC则特别适用于光间接照射，例如阴天或有临时或长期的部分遮挡的条件。3.DSSC可提供室内稳定的电压输出。4.适合于大的温度范围。5.可选择透明模式，用于日光，屋顶及显示器。6.由于DSSC的制备只需通常普遍使用的非真空设备，所以只需很少资金就可建立生产设备。染料敏化太阳电池的优点：戴老师教你制作染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池作为新型的绿色能源，您一定非常感兴趣吧？那么你是不是想自己动手制作一块自己的太阳能池呢？其实，做电池并不难，那就让戴老师手把手教你制作电池吧！Let’sgo!!Let’sgo!!第一步：二氧化钛膜的制备第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色第三步：制作反电极第四步：组装电池第五步：注入电解质染料敏化太阳电池的制作主要分为五个步骤：第一步：二氧化钛膜的制备二氧化钛的制备有两种方法：一种方法是：称取适量二氧化钛粉(DegussaP25)放入研钵中，一边研磨，一边逐渐加入硝酸或乙酸(pH值为3—4)，研磨均匀。另一种方法是：取适量二氧化钛粉，加入乙酰丙酮水溶液，然后边研磨边逐渐加入水使之研磨均匀。二氧化钛浆料制备取一定面积的导电玻璃，用万用表来检测判断其导电面。用透明胶带盖住电极的四边，其中3边约盖住1—2mm宽，而第四边约盖4—5mm宽。胶带的大部分与桌面相粘，有利于保护玻璃不动，这样形成一个约40—50μm深的沟，用于涂敷二氧化钛。在上面几滴TiO2溶液，然后用玻璃棒徐徐地滚动，使其涂敷均匀。二氧化钛涂敷待二氧化钛薄膜自然凉干后，再撕去胶带，放入炉中，在450℃下保温半小时。可选用电热枪或管式炉，也可用酒精灯或天然气灯在有支撑下加热10min。然后让其自然冷却至室温，储存备用。烧结后得到二氧化钛膜。其类似于类囊体膜，呈多孔状，多孔膜有利于吸收太阳光和收集电子。用酒精灯烤干第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色在新鲜的或冰冻的黑莓、山莓和石榴籽上滴3—4滴水，再进行挤压、过滤，即可得到我们所需要的初始染料溶液；也可以把TiO2膜直接放在已滴过水并挤压过的浆果上，或在室温下把TiO2膜浸泡在红茶(木槿属植物)溶液中。有些水果和叶子也可以用于着色。如果着色后的电极不立即用，必须把它存放在丙酮和脱植基的叶绿素混合溶液中。二氧化钛薄膜着色第三步：制作反电极电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极。取与正电极相同大小的导电玻璃，利用万用表判断玻璃的导电面（利用手指也可以作出判断，导电面较为粗糙）。把非导电面标上‘+’，然后石墨棒或软铅笔在整个反电极的导电面上涂上一层碳膜。这层碳膜主要对I-和I3-起催化剂的作用。整个面无需掩盖和贴胶带。因而整个面都可以涂上一层催化剂。可以通过把碳膜在450℃下烧结几分钟来延长电极的使用寿命。电极必须用乙醇清洗，并烘干。也可以利用化学方法沉积一层通明的、致密的铂层来代替碳层作为反电极。反电极制备第四步：组装电池小心地把着色后的电极从溶液中取出，并用水清洗。烘干之前再用乙醇或异丙醇清洗一下，以确保将着色后的多孔TiO2膜中的水份除去。把烘干后的电极的着色膜面朝上放在桌上，再把涂有催化剂的反电极放在上面，把两片玻璃稍微错开，以便于利用未涂有TiO2的电极部分和反电极作为电池的测试用。电池的封装第五步：注入电解质用两个夹子把电池夹住，再滴入两滴含碘和碘离子的电解质溶液，由于毛细管原理，电解质很快在两个电极间均匀扩散。电解质的注入恭喜你染料敏化太阳电池制作成功了！晶硅电池晶硅电池的各种新技术向高效化方向发展向薄片化方向发展SiliconThinFilmsPolymorphous(pm-Si:H)Nanocristalline(nc-Si:H)Micro&polycristallineVerre1mm基本原理晶硅电池的技术发展单晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。1).钝化技术：热氧化SiO2钝化，氢钝化，PECVD－SiN工艺钝化(多晶硅)，a-Si钝化等2).陷光技术：表面织构化技术，减反射技术3)背表面场(BSF)技术4)表面织构化(绒面)技术5)异质结太阳电池技术6)MIS电池7)MINP电池8)聚光电池向高效化方向发展1)单晶硅高效电池：◆斯坦福大学的背面点接触电池：＝22％特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失◆新南威尔士大学的PERL电池＝24.7%Fraunhofer研究所LBSC电池：＝23%◆北京太阳能研究所高效电池＝19.8%单晶硅电池的效率进展激光刻槽埋栅电池新南威尔士大学北京太阳能研究所＝19.8%＝18.6%商业化单晶硅电池组件商业化单晶硅电池组件－Sanyoa-Si/c-Si电池（实验室最好效率：＝22.3%）多晶硅高效电池◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料，◆能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg,◆制造过程简单、省电、节约硅材料，因此具有更大降低成本的潜力。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低,晶向不一致，表面织构化困难。◆乔治亚(Geogia)工大－采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达到18.6％；◆新南威尔士大学－采用类似PERL电池技术，使电池的效率19.8％◆Fraunhofer研究所20.3%－世界记录◆Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7％.多晶硅高效电池商业化多晶硅电池组件－Kyocera电池其中PECVD－SiN钝化技术对商业化多晶硅电池的效率提高起到了关键性的作用。目前商业化多晶硅电池的效率13％－16％晶硅太阳电池向薄片化方向发展硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分硅是间接带隙半导体，理论上要求厚度大于100mm才可以吸收足够多的太阳光电池制造工艺－硅片厚度下限150mm降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要技术方向之一太阳电池向薄片化方向发展Sharp单晶硅组件UltrathinMulticrystallineSiHighEfficiencySolarCells–Fraunhofer-20.3%－世界记录70年代－450～500mm80年代－400～450mm90年代－350～400mm目前－230～300mm～2019年200～230mm～2020年100～200mm硅片厚度的发展带硅技术直接拉制硅片——免去切片损失(内园切割，刀锋损失300～400mm。线锯切割，刀锋损失～200mm)。过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术①带硅技术采用石墨模具－电池效率13％－15％。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于RWE(ASE)公司所有。②蹼状带硅技术在表面张力的作用下，插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好，但其生长速度相对较慢。③Astropower的多晶带硅制造技术该技术基于液相外延工艺，衬底为可以重复使用的廉价陶瓷。实验室太阳电池效率达到15.6％，该技术实现了小规模的商业化生产。薄膜太阳电池薄膜太阳电池分类非晶硅薄膜太阳能电池微(多)晶硅薄膜太阳能电池铜铟硒薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池碲化隔薄膜太阳能电池染料敏化薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池其他非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池结构非晶硅薄膜太阳电池三结结构实验