太阳能电池的分类及应用

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1、科研训练报告题目 ： 太 阳 能 电 池 的分 类 及 应 用2013年 9 月 10 日学校代码： 10128 学号：一、国内外研究进展及研究意义1.1 国内外研究现状和发展动态 太阳电池是全球增长最快的高技术产业之一，其生产量已由1971年始的 100KW， 按每年 10%的速度增加。至今，太阳电池的应用范围非常广泛，应用领域包括农村电 气化、交通、通信、石油、气象、国防等。 光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边 远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。我国西藏有7个无电县城采用 光伏电站供电，社会经济效益非常显著。 在研究开发方面，我国开展了单晶

2、硅、多晶硅电池研究及非晶硅、碲化镉、硒铜 等薄膜电池研究，同时还开展了浇铸多晶硅、银/ 铝浆、 EVA 等材料研究，并取得可 喜成果，其中刻槽埋栅电池效率达到国际水平。 我国的光伏产业 20年来已形成了较好基础， 但在总体水平上我国同国外相比还有 很大差距，表现为： (1)生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力比国外生产规 模低一个多数量级。 (2)技术水平较低。 电池效率、封装水平同国外存在一定差距。 (3) 专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果，但性能有待进一步改进，部分材 料仍采用进口品。 (4)成本高。目前我国电池组件成本约30元/W，平均售价 42元/W， 成本和售价都高于

3、国外产品。(5)市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持 政策、法规、措施。 在太阳能、煤炭气化和液化、风能、氢能和核能等可再生能源技术中，光伏是未 来最有希望的一种能源。 太阳电池系统的市场规模， 最终取决于光伏系统的成本。 从 地域上看，发展中国家在发展光伏技术方面更有潜力。发展中国家无电、 缺电地区多， 特别是无电居民比例很高。 在数十年内， 太阳电池在发展中国家将形成一个规模较大 的市场，并且随着太阳能光电技术的日趋成熟和商业化发展。 就市场估计和价格估计而言是建立在以下技术预测基础上的：(1)晶体硅光伏电 池在2020年前仍然是光伏技术的主角，但将向高效率、低成本的方向大步前进；

4、(2) 薄膜光伏电池是 21世纪中叶以后的主力电池， 前景看好，在2010年的前后可望有重大 突破，逐步投入商业化生产，并应用于光伏并网发电和光伏屋顶发电等领域；(3)控 制器、逆变器等关键平衡设备将向高可靠、高效率、智能化、低成本的方向发展，并 取得重大进展； (4)将研制开发出更适合光伏发电用的长寿命、低成本、免维护的蓄 电池； (5)系统集成技术将更加科学化、规范化、智能化、综合化。 另外改善太阳能电池的性能， 降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影 响是未来太阳能电池发展的主要方向。作为太阳能电池材料，其中：(1) 由于多晶硅 和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，

5、将最终取代单晶硅电池， 成为市场的主导产品； (2) -族化合物及 CIS等属于稀有元素 , 尽管转换效率很高， 但从材料来源看，这类太阳能电池不可能占据主导地位；(3) 有机太阳能电池对光的 吸收效率低，从而导致转换效率低；(4) 染料敏化纳米 TiO2薄膜太阳能电池的研究已 取得喜人成就，但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题。 现阶段多沿用液态电解质，存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷，使得 制备全固态太阳能电池成为一个必然方向。目前，大部分全固态太阳能电池光电转换 率都不很理想。纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势将挑战未来。 我们相信，随着科技发展以及研究进步，这种太

6、阳能电池应用前景将无限广阔。1.2 研究意义 1) 保护气候；2) 改善环境； 3) 节省空间； 4) 增加就业； 5) 为农村提供电力； 6) 大力推进普及电力服务，为无电人口提供电力； 7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给。 1.3 主要参考文献 1 郝云荣，太阳能电池的研究进展J ，淮阴工学院计算科学系，2008.5.20 2 周传华 陈砺，太阳能电池的研究进展与应用J ， 华南理工大学化学与化工学院，2008.8 3 罗雪莲，吴麟章，江小涛，王远，周明杰，刘辉，太阳能电池及其应用 J,武汉科技学院光电子中心 ,2005.10 4 赵书利 叶烽 朱刚, 太阳能

7、电池技术应用与发展J,中国船舶重工集团公司712 研究所 ,2010.4 5孟昭渊, 太阳能电池应用 J,无锡尚德太阳能电力公司 ,2004.6 二、研究内容及方案2.1 研究内容太阳能电池的种类很多，其中包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体电池和纳米晶化学太阳能电池等。由于资源有限，本文选用发展潜力较大，有可能取代传统太阳能电池的染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池进行研究。2.2 研究方案首先通过对染料敏化TiO2电池的结构及工作原理进行初步地了解，对其有个整体的认识和把握，然后对影响其光电转换效率的关键因素，如纳米TiO2膜、敏化染料、电解质等进行探讨，

8、以便使其达到最高的转换效率。 三、研究计划第一步，确定综述的选题。 （1 周-2周）第二步，收集相关的文献资料。 （3 周-5周）第三步，整理文献。（5 周-8周）第四步，撰写综述初稿（ 9 周-12周）第五步，修改综述初稿，并完成文献综述。（13 周）四、预期研究结果4.1 TiO2纳米多孔膜TiO2纳米多孔膜具有孔隙率高、比表面积大的优点，它是整个太阳能电池的关键，其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。TiO2晶粒大小、形状、相组成或表面修饰以及其他成分的掺杂对其性质和功能有显著影响。制备具有高比表面积和优良电子传输性能的纳米半导体材料， 是保证电池获得较大电流密度和较高光电转化效率的前

9、提。在氟掺杂导电玻璃( FTO)基底上，通过阳极氧化法制备长度360 nm 的有序纳米 TiO2管阵列，光电流密度达到787 mAcm2，光电转化率 29。采用强碱水热法合成 Ti02纳米管，并与 Ti02纳米颗粒混合作为染料敏化太阳能电池电极材料。当纳米管与纳米颗粒按照1：1 摩尔比混合时，经过500烧结 1h，转化成锐钛矿晶型，电极对染料的吸附量达到485 10-8molcm2，电池的短路光电流密度为870 mAcm2，开路光电压为076 V，填充因子为 060，光电转化效率为396。4.2 染料敏化剂TiO2薄膜属于宽禁带半导体，只能吸收387nm 以下的光，不能吸收太阳光中占大部分的可

10、见光， 捕获太阳光的能力非常差。 采用染料敏化方法制备的光电化学太阳能电池，不但可以克服半导体本身只吸收紫外光的缺点，使得电池对可见光谱的吸收大大增加，并且可通过改变染料的种类得到理想的光电化学太阳能电池。染料敏化剂的作用就是吸收可见光，将电子注入半导体，并从电解质中接受电子，重新还原，整个过程不断循环。染料性能的好坏直接关系到染料敏化电池的效率高低。一个好的染料敏化剂必须满足下列条件： (1) 容易吸附在 TiO2表面，对可见光吸收强，这要求其分子中含有能与 TiO2结合的官能团，如一COOH、一 S03H，一 PO3H2等；(2) 具有基态和激发态的高稳定性，保证电子传输的高效率；(3)激

11、发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率。这将延长电子空穴分离时间，对电子的注入效率有决定作用；(4) 有适当的氧化还原电势，以保证染料激发态电子注入到TiO2导带中，即敏化染料能级与TiO2能级匹配。染料目前大致分为3 类：钌吡啶有机金属配合物、 酞菁和菁类系列染料和天然染料。钌吡啶有机金属配合物这类染料在可见光区吸收较强，氧化还原性能可逆， 氧化态稳定性高， 是性能优越的光敏化染料。 用这类染料敏化的染料敏化太阳能电池保持着目前最高的转换效率。 MGratzel 等人开发了一系列Ru 配体作为有机光敏化剂，近几年来，该研究小组合成的以Ru 配体作为有机光敏化剂，其光电转换效率最高达96。日

12、本的荒川等人也合成了几种具有吸光度大、稳定性高及供电性能较强等特点的钌配体， 其中，邻二氮杂菲衍生物及 一酮类配体显示了较高的光敏化作用，光电变换效率分别为66和 60。酞菁是具有离域 电子的大环共轭体系，有优良的化学稳定性和光、热稳定性，在可见光范围吸收较强，和TiO2能级匹配，具备成为一种高效敏化染料的有利条件。并且通过对酞菁的化学修饰， 可以调节酞菁的能级结构和某些物化性质，基本具备了成为优良敏化剂的条件，拓展了它作为敏化染料在太阳能电池中的应用。JHe制备了带 4 个酪氨酸取代基团的锌酞菁( ZnPcTry) 。 酪氨酸在光合作用中起电子给体的作用，所以 He 希望酪氨酸取代基在“人工

13、光合作用”中起相同的作用，将电子转移到氧化态酞菁锌中，在分子中实现“空穴”平移，减小“电子一空穴”原位复合的几率，光电转换效率为 054。天然色素敏化的太阳能电池转换效率较低，大约1 2，但它制作成本低、性能稳定， 具有广阔的应用前景。 因此近几年来， 很多研究者都在探索从天然染料或色素中筛选出适合于光电转换的染料。植物的叶子具有光化学能转换的功能，因此，从绿叶中提取的叶绿素应有一定的光敏活性。研究表明，Cu 叶绿素敏化纳米晶TiO2膜在 630nm 处，能达到 10的光电转换效率。用它制得的太阳能电池总的光电转换效率为 26。黄昀昉等人采用天然色素敏化纳米晶太阳能电池，该电池在全色光的照射下

14、，转化阳光为电能的效率达到21。开路电压为 053 V，短路光电流为42 mAcm2。4.3 电解质染料敏化电池中电解液的主要作用就是在光电极与对电极之间运载电荷，并使氧化态染料还原而重生。 目前用于染料敏化的电解质有两大类：液态电解质和固态电解质。长期以来，染料敏化太阳能电池一直使用液态电解质，液体电解质种类繁多，通常选用的氧化还原对为I- 3I-。由于液态电解质扩散速率快，组成成分易调节，对纳米多孔膜的渗透性好， 因而利用液态电解质得到了效率最高的染料敏化电池，其转换效率为1104。但它同时也存在不足之处：液体电解质的存在容易导致吸附在薄膜上的染料解吸，影响电池的稳定性；密封工艺复杂；电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而导致太阳能电池的失效。 固态电解质能够有效解决液态电解质的问题。目前固态电解质的研究十分活跃，典型的有 P型半导体材料、 空穴传输有机分子材料及固态复合电解质。最早在1998 年，MGratzel等人报道的全固态染料敏化太阳能电池，其效率仅有07，经过科研工作者多年的努力，目前，固态染料敏化太阳电池效率已达到 50。 。虽然目前固态电解质染料敏化电池的效率还比较低，相信随着研究的深入和技术的成熟，固态电解质将会有重大突破。