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1、1,太阳能电池介绍,2,3,4,世界和中国主要常规能源储量预测,5,我国几种可再生能源量和发电潜力,6,太阳能电池发展瓶颈,转换效率 稳定性 成本,7,太阳光谱图,48%,8,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， Grtzel，有机电池 染料敏化电池 3) 新概念电池,9,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,10,所需材料 硅基电池：单晶硅，多晶硅， 微晶(纳晶)，非晶硅
2、， 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,11,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2002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07V的电压。 特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能,12,染料敏化太阳电池（DSSC）,13,什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
3、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。,14,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,15,(1) 能紧密吸附在TiO2表面，要求染料
4、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,16,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
5、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。,17,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-,18,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,19,染料敏化太阳电池的工作原理简图,20,染料敏化太阳电池的工作原理
6、,21,S + h S* S* S+ + e- CB(TiO2) S+ + A- S + A A + e-(CE) A-,染料敏化太阳电池的工作原理,22,染料敏化太阳电池的研究历史,1、1991年, M.Grtzel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()配合物为敏化染料。 2、1993年M.Grtzel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，2001年效率达到了10%11%，短路电流密度为20.53mA/cm2,开路电压为720。 3、1997年,这种M.Grtzel电池已经应用于电致变色器件。 4、1998年, M. Grt
7、zel等人进一步研制出全固态M. Grtzel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。,23,染料敏化电池的进展,24,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。 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。 DSSC可提供室内稳定的电压输出。 适合于大的温度范围。 可选择透明模式，用于日光，屋顶及显示器。 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
8、立生产设备。,染料敏化太阳电池的优点：,25,戴老师教你制作染料敏化太阳电池,26,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！,27,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：,28,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(Degussa P25) 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) ，
9、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。,29,二氧化钛浆料制备,30,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12mm宽，而第四边约盖45mm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4050m 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。,31,32,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
10、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。,33,用酒精灯烤干,34,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34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。,35,二氧化钛薄膜着色,36,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
11、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。,37,反电极制备,38,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
12、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。,39,电池的封装,40,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。,41,电解质的注入,42,恭喜你 染料敏化太阳电池制作成功了！,43,晶硅电池,44,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,45,Silicon Thin Films,Polymorphous (pm-Si:H),Nano cristalline (nc-Si:H),Micro & polycrista
13、lline,Verre,1 mm,46,基本原理,47,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， PECVDSiN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,48,3) 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,49,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：
14、正负电极在同一面，没有栅线阴影损失,50,新南威尔士大学的PERL电池 24.7%,51,Fraunhofer研究所LBSC电池： 23%,52,北京太阳能研究所高效电池 19.8%,53,单晶硅电池的效率进展,54,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%,55,商业化单晶硅电池组件,56,商业化单晶硅电池组件Sanyo a-Si/c-Si电池,（实验室最好效率： 22.3%）,57,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
15、更大降低成本的潜力。,58,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。,59,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1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7.,多晶硅高效电池,60,商业化多晶硅电池组件Kyocera电池,61,其中PECVDSiN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
16、电池的效率1316,62,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100m才可以吸收足够多的太阳光 电池制造工艺硅片厚度下限150 m 降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要 技术方向之一,63,太阳电池向薄片化方向发展,64,Sharp单晶硅组件,65,Ultrathin Multicrystalline Si High Efficiency Solar Cells Fraunhofer- 20.3%世界记录,66,70年代450500 m 80年代400450m 90年代350400 m 目前 230300 m 2010年 200230 m 2020年 100200 m,硅片厚度的发展,67,带硅技术 直接拉制硅片免去切片损失 (内园切割，刀锋损失300400 m。 线锯切割，刀锋损失200 m)
