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1、太陽能電池 目錄 太陽能電池的基本原理 染料敏化太陽能電池 量太陽能1.2 x 105 TW水電4.6 TW風(fēng)能2-4 TW生物質(zhì)能可再生能源種類與儲源需求14 TW by 205033 TW by 2100地?zé)崮?.7 TW海洋/潮汐能2 TW5-7 TW只有太陽能超過人類能源消耗總量 N NH H N NN CH3H NC O太陽能光電轉(zhuǎn)換太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換太陽能熱轉(zhuǎn)換太陽能利用方式H2O50 - 200 Cspace, waterheating CO2sugar500 - 3000 Cheat engineselectricity generation自然光合作用process heat H
2、2OO2 O2CO2H2, CH4CH3OH人工光合作用e-h+熱能轉(zhuǎn)換率高，應(yīng)用廣泛，成本低化學(xué)能易于儲存，合成化學(xué)品、調(diào)峰電能品質(zhì)高，便于使用 太陽能電池種類 單結(jié) 多結(jié) 新效應(yīng) 太陽光能量分布 大氣層外6000K黑體輻射，地表部分光被大氣吸收光譜分布光，能量密度低 光電轉(zhuǎn)換第一步電子躍遷 不同能量的光子激發(fā)不同的激發(fā)態(tài) 振動，轉(zhuǎn)動，電子，原子核 激發(fā)態(tài) 光電轉(zhuǎn)換有用的是電子激發(fā)態(tài) 光子首先要將電子激發(fā)到高能級上足夠長時間能級分布要寬 光吸收體：有機分子，高分子，無機半導(dǎo)體 原子軌道分子軌道半導(dǎo)體價帶（滿帶）光電轉(zhuǎn)換第一步電子躍遷導(dǎo)帶（空帶）禁帶禁帶寬度 吸收光譜有機分子半導(dǎo)體 單結(jié)電池的
3、效率最大光電壓最大光電流Eg光波長 )(ln)()( EdEPEAEg熱力學(xué)極限效率0 P( E )dEE g 雙結(jié)電池的效率Eg1光波長Eg2 QE 多結(jié)電池Sun light Top cellMiddle cellBottom cell15QE GD1181-1.41 6/2/04AM1.5GL Top 7.60 Mid 7.23 Bott 10.03 Total 24.86UT Top 8.00 Mid 7.74 Bott 8.21 Total 23.951.00E+009.00E-018.00E-017.00E-016.00E-015.00E-014.00E-013.00E-012.0
4、0E-011.00E-010.00E+00 380 480 580 780 880680Wavelength (nm) 16 理論計算多結(jié)電池-案例：1）2-J和3J-a-Si和a-Sic-Si太陽電池（前述）2）3J GaAs電池（前述） 光電轉(zhuǎn)換第二步載流子分離 載流子分離方式 體相電場分離載流子 界面電場分離載流子 電池的結(jié)構(gòu)形式 平面型 互穿網(wǎng)絡(luò)，微納結(jié)構(gòu) 平面型結(jié)構(gòu) 互穿網(wǎng)絡(luò) 微納結(jié)構(gòu) 界面復(fù)合本體復(fù)合分離方式平面結(jié)構(gòu)小大體電場互穿網(wǎng)絡(luò)大小表面電場微納結(jié)構(gòu)大小表面電場不同結(jié)構(gòu)比較 光電轉(zhuǎn)換第三步電荷輸運少子擴散長度確定后，電池活性吸光層的厚度也隨之確定少子擴散長度要大于電池活性吸光層
5、的厚度例如硅電池，消光系數(shù)小、吸光層厚，要求擴散長度長，材 料純度高 74%68%58%54%49%44%39%31%0%實現(xiàn)超高效新概念電池的技術(shù)選項 多結(jié)(帶隙遞變)電池， 中間帶（雜質(zhì)帶，量子點）電池， 上下轉(zhuǎn)換器（低能光子升級成高能光子或者反之）， 熱載流子電池，熱光伏，熱離子，碰撞的離等100% circulatorstandem (n )hot carriertandem (n = 6)thermal, thermoPV, thermionicstandem (n = 3)impurity PV & band, up-convertersimpact ionisationtande
6、m (n = 2)down-converterssingle cell 23 實際電池效率 光學(xué)損失 前表面反射 透射 電學(xué)損失 復(fù)合 體復(fù)合，表界面復(fù)合 IR降 過電位 25 （1） 減少光學(xué)損失以提高電池效率陷光理論及技術(shù)裸硅表面反射率36，減少光的反射損失是提高電池效率的最重要的措施之一。 最佳減反射的表面織構(gòu)化技術(shù)； 最佳前表面減反射涂層技術(shù)； 最佳后表面反射涂層； 最小的柵線遮擋。 26 （2）減少電學(xué)損失以提高電池效率 最完美的晶體結(jié)構(gòu)（高純度，零缺陷）； 理想 p-n 結(jié)技術(shù):最佳擴散-SE技術(shù) 理想鈍化技術(shù)：鈍化理論：使器件表面或體內(nèi)晶界的光生載流子復(fù)合中心失去復(fù)合活性鈍化技術(shù)
7、：SiO2，SiNX，SiC，a-Si，H等； 最小接觸電阻、最大并聯(lián)電阻； 最佳前場和背場。 Front sideAntireflecitive coatingSiO2 passivationn+ FSFn-type basen+ diffusionSiO2 passivationmetal finger (n) texturecontact hole in SiO2p+ diffusionmetal finger (p)Rear side pitchFigure 1: Schematic diagram of SunPowers low-cost rear-contact solar ce
8、ll (not to scale).NB: This diagram depicts an n-type base, but it could equally well be a p-type base.電池結(jié)構(gòu) 背接觸電池（Sunpower）商業(yè)化單晶硅電池組件27 單晶硅電池的實驗室效率進展 Efficiency 14.5% 15.9% 16.9% 17.1% 19.0% 18.9% 19.8% 20.0%16%14%12%10%20%18%工業(yè)化單晶硅電池效率路線圖與關(guān)鍵技術(shù)22% IndustrialSolar Cell(current) RandomPyramidson Front
9、ImprovedScreenPrinting(FF = 0.78) EnhancedLifetime(100 s) BSR 95%BSRV100 cm/s ReduceCellto 100 m SelectiveEmitter ReduceResistivityThickness (100 /sq) to 0.6 cm 染料敏化太陽能電池 半導(dǎo)體的染料的敏化 半導(dǎo)體與染料的能級關(guān)系CBVB LUMOHOMO CBVB LUMOHOMO注入電子 注入空穴 不能敏化 金屬電極CBVB LUMOHOMOXX VB LUMOHOMO 第一代染料敏化電池原理 Low surface area Slow
10、electroninjection rate Slow reductionratee slowEnergy transferITO dye antenna R NO OO ORu NN OOOONS C N NC Ti TiO2ee SDye molecularITODyed TiO2Particles hu load納晶多孔電極大比表面多孔性相互連接Pt Countersolution高轉(zhuǎn)換效率 小面積DSC效率的最高記錄 Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2004) 314 DSC的特點 光吸收，電荷傳
11、遞由不同組分構(gòu)成，可以分別優(yōu)化 有機染料設(shè)計靈活 制作成本低 最大輸出電功率 （I p V p ) maxW p I SC VOC ff決定光電轉(zhuǎn)換效率的因素W p入射光功率光電流光電壓填充因子= 影響短路光電流的因素 對于液態(tài)電解質(zhì)可以不用考慮離子的擴散影響，主要是光吸收 對于固態(tài)電池，離子擴散將成為影響光電流的重要因素 DSC的IPCE與理論效率 理論效率20%實驗效率 10.4%N719染料帶邊：750nmEg：1.65-1.7ev black染料帶邊：900nmEg：1.3-1.4ev理論效率30%實驗效率 10.4% 染料設(shè)計重點 高消光系數(shù) 高注入效率 陡吸收邊 合適的能及位置 高
12、紅外吸收 寬光譜響應(yīng)廉價 kT ) ln( ncbketI3- )Voc= VFB-Vred2e-cb(TiO2)+I3- KetI3- 3I-Voc=( e Iinj級與染料匹配不好動力學(xué)：復(fù)合反應(yīng)太快影響光電壓的主要因素?zé)崃W(xué)：碘能 S+/SS+/S*e- e-SCEV I-/I3-1010-1012s-1106s-1 108s-1Pt/SnO2EC J0=10-10A/cm2EF 103-100s-1Kineticparameter of Nanocrystalline solar cell光電壓極限驅(qū)動力復(fù)合動力學(xué) 提高光電壓的途徑 驅(qū)動力減到最小，參照無機電池0.45V 復(fù)合速度降低 難點 涉及半導(dǎo)體、染料、電解液三者，互相干擾 填充因子的影響 電池放大 對電極阻抗 電解液電阻 總體來說不是重點 DSC的主要研究方向半導(dǎo)體納晶電極染料電解質(zhì)體系對電極柔性電池提高壽命和長期穩(wěn)定型大面積電池和電池陣列提高電池效率電池實用化 計算重點 半導(dǎo)體 導(dǎo)帶位置 輸運機制 復(fù)合反應(yīng)速度 表面狀態(tài) 染料 能帶位置 激發(fā)態(tài)性質(zhì) 聚集態(tài)性質(zhì) 電解質(zhì) 能級位置 復(fù)合反應(yīng)速度 復(fù)原反應(yīng)速度 電池新結(jié)構(gòu) 新型能量轉(zhuǎn)換機制 46 謝謝大家！
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