太陽能電池機(jī)理

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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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jí)上足夠長時(shí)間能級(jí)分布要寬 光吸收體：有機(jī)分子，高分子，無機(jī)半導(dǎo)體 原子軌道分子軌道半導(dǎo)體價(jià)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(jī)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(jì)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(yùn)少子擴(kuò)散長度確定后，電池活性吸光層的厚度也隨之確定少子擴(kuò)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(kuò)散長度長，材 料純度高 74%68%58%54%49%44%39%31%0%實(shí)現(xiàn)超高效新概念電池的技術(shù)選項(xiàng) 多結(jié)(帶隙遞變)電池， 中間帶（雜質(zhì)帶，量子點(diǎn)）電池， 上下轉(zhuǎn)換器（低能光子升級(jí)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(shí)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(kuò)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(shí)驗(yàn)室效率進(jìn)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(jí)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(diǎn) 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(jī)染料設(shè)計(jì)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(kuò)散影響，主要是光吸收 對于固態(tài)電池，離子擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效率 10.4% 染料設(shè)計(jì)重點(diǎn) 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(jià) kT ) ln( ncbketI3- )Voc= VFB-Vred2e-cb(TiO2)+I3- KetI3- 3I-Voc=( e Iinj級(jí)與染料匹配不好動(dòng)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(dòng)力復(fù)合動(dòng)力學(xué) 提高光電壓的途徑 驅(qū)動(dòng)力減到最小，參照無機(jī)電池0.45V 復(fù)合速度降低 難點(diǎn) 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(diǎn) 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(shí)用化 計(jì)算重點(diǎn) 半導(dǎo)體 導(dǎo)帶位置 輸運(yùn)機(jī)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(jí)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(jī)制 46 謝謝大家！