柔光伏材料与器件课程设计论文.doc

编号 毕 业 设 计（论文）题目 二级学院 （全称） 专 业 （全称） 班 级 （全称） 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 摘要在化石能源日益枯竭和全球气候持续变暖的环境背景下, 以太阳能光伏技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。应对由于原料短缺所造成的光伏产业瓶颈的根本途径,就是以其他廉价易得的物质为原料, 开发和研制新型太阳能电池。这其中,柔性非晶硅薄膜太阳能电池,柔性染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池作为新型太阳能电池的典型代表,正在引起越来越多的关注。电池制备工艺简单,具有制造面积大、廉价、简易、柔性、实用性强等优点。 一、柔性薄膜太阳能电池在薄膜电池中硅基技术相对成熟，但是柔性硅基电池在国内还缺乏卷对卷大规模生产的核心技术和设备。因此新技术的研发迫在眉睫。例如,中科院上海高等研究院利用一种廉价的图形化金属衬底，有效提高了非晶硅薄膜太阳能电池的能量转换效率：采用简单的阳极氧化法在该衬底形成尺寸可调的坑状纳米结构，有效激发了硅薄膜内的光波导模式和银背反层表面等离激元共振，使得电池的短路电流提高了31%,而能量转换效率提高了27%。研究结果对于制备廉价的薄膜太阳能电池具有一定的指导意义,并有望向产业化转移进行大面积应用。1.1非晶硅基薄膜太阳电池作为一种光伏器件,非晶硅太阳电池载流子的产生机理具有特殊之处。非晶硅半导体具有比晶体硅高一个数量级的光吸收系数,一个微米厚的非晶硅就能将阳光中的90%的能量吸收,而晶体硅需要100-300微米,这一特性决定了柔性非晶硅太阳电池具有极大的质量比功率的可能性。非晶硅太阳电池是一种迁移型电流电池,光生载流子借助于本征层内强大的电场驱动(104 V/cm)作迁移运动到达n区或者p区,形成光电流。有多少载流子能成为光电流,即所谓的内量子效率,主要取决于结内电场强度。这完全不同于晶体硅太阳电池,后者的光生载流子是依靠其扩散运动进入空间电荷区,形成光生电流,有多少光生载流子能成为光电流,主要取决于少子的扩散长度,因此,后者又可称为扩散型电流电池。由于产生电流机理的差异,使得非晶硅太阳电池在空间辐射环境下的使用十分有利,并在实际应用中显示出独特的优势1-3。1.2柔性染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池为第三代太阳能电池，以包覆染料的纳米氧化钛半导体为吸收层，其结构如图3所示，其生产成本有望比现有的晶体硅太阳能电池大幅降低4-5。染料敏化太阳能电池是一种薄膜太阳能电池，目前以不锈钢、PET、PEN等为基底的染料敏化太阳能电池仍主要处于实验室研究阶段。柔性染料敏化以轻质的高分子膜或金属箔为基板，不但大大减轻了电池量，也降低了电池的制作成本。而且因其可弯曲变形，便于电池的卷轴式连续制造工艺，大大拓展了染料敏化的应用范围，增加了新用途。特别是现代社会对便携式电子设备需求急剧增多，如笔记本电脑和手机等，也需要这种可变形、体积小和重量轻的柔性太阳电池来补充电能。柔性染料敏化的结构主要包括柔性基板、导电膜、纳米多孔氧化物薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极等几部分，如图1所示。其中光阳极是柔性染料敏化的主要组成部分，它要求半导体材料的禁带不能太宽、有较高的光电转换效率、材料性能稳定且本身对环境不造成污染、材料便于工业化生产等。因此通常选用TiO2作为半导体光阳极的薄膜材料，也可以使用其他半导体材料如ZnO或Nb2O5等。通常制备纳米多孔半导体光阳极时先在柔性基板上涂一层TiO2 薄膜，然后在150 或者低于150 进行烧结，可以形成纳米TiO2粒子间的网状连接，有利于电子传递。图1 柔性染料敏化太阳电池的结构（1柔性基板，2导电膜，3半导体多孔膜，4电解质，5染料）1.3有机太阳能电池有机太阳能电池是以聚合物半导体材料作为吸收层的柔性太阳能电池，到目前为止聚合物半导体材料主要是P3HT:PCBM，因为它的化学稳定性、结晶度、吸光能力和载流子迁移性很适于制作太阳能电池。此种电池的结构一般是在涂覆透明导电电极ITO的PET上涂覆ZnO电子输运层，活性层为P3HT:PCBM，PEDOT:PS为空穴输运层，银作为背电极。P3HT:PCBM聚合物太阳能电池被认为是低成本获得太阳能电力的器件，它可以采用非真空全溶液制备法，在柔性衬底上大面积印刷电池，由此大幅度降低电池的成本。尽管聚合物太阳电池的转换效率较低，但是具有发展潜力。Espinosa等6进行了全卷对卷制造工艺聚合物太阳能电池的生命周期分析，结果认为光电转换效率为2%的能量偿付时间为2.02a，如果转换效率提高到3%，那么能量偿付时间缩短为1.35a。作为比较，单晶硅太阳能电池产品光电转换效率为11.8%14%，其能量偿付时间为4.122.68a。也就是说，尽管聚合物太阳能电池的转换效率低，但是大面积卷对卷的制造工艺具有成本优势。Ricczrdo等7综述了用于聚合物太阳能电池电极材料的研究进展，介绍了PEDOT:PSS等导电高分子材料的制备、改性以及在聚合物太阳能电池上的应用。我国台湾的Chang等8采用非真空溶液法制备的聚合物太阳能电池的结构如图2所示，金属背电极用银纳米油墨以旋转涂膜法涂覆，ZnO以及吸收层P3HT:PCBM都采用旋转涂膜法涂覆，只有上层银导电栅采用蒸发沉积技术制作。如此制备的聚合物太阳能电池的转换效率达到1.27%。研究人员不断探索新型 型与型聚合物半导体，使有机聚合物太阳能电池的转换效率不断提高，至今已经达到7.08%9。聚合物太阳能电池的使用寿命同样成为人们关心的问题，聚合物材料PEDOT:PSS的褪化直接影响电池的寿命，David M.Tanenbaum等10研究了全卷对卷工艺制备的聚合物太阳能电池的封装，结果表明边部封装可以减缓聚合物与环境气氛反应引起的褪化。图2非真空溶液法制备的聚合物太阳能电池的结构示意图二、柔性太阳能电池薄膜制备方法下面简单介绍三种制备方法2.1磁控溅射法11用高能粒子(大多数是由电场加速的正离子)撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量或动量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射，溅射出来的物质沉积到基片表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。受轰击的固体通常称为靶材，溅射出的物质大都呈原子状态，也可能有原子团，一般称为溅射原子。磁控溅射是指在与靶表面平行的方向上施加磁场，利用电场和磁场相互垂直的磁控臂原理，使靶表面发射的二次电子只能在靶附近的封闭等离子体内作螺旋式运动，二次电子在阴极区的行程增加，造成二次电子与气体分子碰撞凡率增加，电离效率提高同时减少了二次电子对基片的轰击，因此可实现低温高速溅射沉积薄膜特点12。磁控溅射必须具备两个条件：（1）磁场与电场正交；（2）磁场方向与阴极表面平行。图3 磁控溅射示意图如图3所示电子e在电场E作用下，加速飞向基片的过程中与Ar原子发生碰撞，若电子具有足够的能量(约为30eV)，就会电离出一个抢+离子和另一个新电子e，电子飞向基片，Ar+离子在电场作用下加速飞向阴极(溅射靶)，并以高能量轰击靶表面使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜；二次电子e，在加速飞向基片的过程中同时受到电场E和磁场B的作用，以摆和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。二次电子e在环形磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区域中电离出大量的Ar+离子用来轰击靶材，从而实现磁控溅射沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e的能量逐渐降低。同时e逐步远离靶面，并沿着磁力线来回振荡，待电子能量消耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，不会使基片有较大的温升。由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子e将直接飞向基片13。可见这就是利用磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理来制备薄膜的。2.2热液法热液法是一种用于非封闭体系的简单便捷的低温制备方法14,在温度为100 或低于100 的常压条件下进行。李成玉等将P25 型TiO2 粉末与钛酸丁酯正丁醇溶液混合制成浆料,用涂敷法均匀涂到柔性导电基板ITO PET 上制备TiO2 薄膜电极。他们将其放入盛满蒸馏水的非密闭容器中,在温度为100 条件下加热, 将热处理后的电极从蒸馏水中取出后在100 下加热1h , 随即浸入染料。用金属铂片作对电极组成电池,在ITO PET 基板上制备的染料敏化电池的光电转换效率在入射光强100mW/cm2条件下达到了1.9 %。由于钛酸丁酯在热液法处理时水解生成非常薄层的锐钛矿型TiO2包裹P25 颗粒,使P25 纳米晶颗粒之间以及颗粒与导电基板之间牢固连接, 形成高度多孔、机械性能稳定的纳米晶薄膜。因此用热液法所制备的TiO2薄膜电极具有良好机械稳定性、不溶于水、醇及电解质溶液的优点15。这种方法简便易行,适于大面积电极的制备和规模化生产。但光电转换效率还较低,若实际应用还需进一步合理优化制备条件参数等。2.3低温烧结法低温烧结方法在TiO2 薄膜的制备过程中耗时长、获得的电池效率低, 因此最好和紫外光处理等其他过程联用16。Park 等17制备了无聚合物黏合剂的浆料, 他们利用酸-碱相互作用来增加纳米TiO2胶体的黏度,但没有将其应用到柔性基板中。Miyasaka 等在Park 等工作的基础上继续研究无聚合物粘合剂的浆料。他们用尺寸为30 150nm 的TiO2粒子, 并混合平均粒径为250nm 的TiO2 粒子来增加对散射光的吸收,同时制备了一种酸性钛氧化物的水溶胶作为粒子间黏合剂,与上述TiO2粒子、水和叔丁醇在室温下混合制成高黏度的无黏合剂浆料。将制得的TiO2 浆料在ITO PEN 基板上刮涂成膜,经过110-125 烧结后,形成了紧紧附着在ITO表面的厚度均匀的多孔TiO2 膜。这种膜表现出很强抗弯曲性和抗脱落性,如图3所示。加入有黏合剂作用的TiO2水溶胶能有效形成氢键多孔网络,这是由于在烘干过程中, 纳米TiO2粒子网络经历了氢键脱水过程。用这种低温烧结法制备的电池光电转换效率为5.8 %-6.4 %18。三、柔性薄膜太阳电池的应用状况柔性薄膜太阳能电池由于可以弯曲、便于携带，所以在多种生产与生活领域可以为人们提供电力,其有广泛的应用前景,例如航空航天、建筑领域、交通运输、军事领域；还可以和生活用品结合在一起,为各种生活电子提供电力,例如太阳能电池背包、太阳能电池帽子与服装等。下面简单介绍四个柔性薄膜太阳电池的应用：3.1智能服装基于柔性硅基薄膜技术的智能服装，采用微机电系统技术，将各种智能器件制作在一张柔性的薄膜上，然后将这张集成有智能器件的柔性薄膜与织物进行整合，实现各种传感、执行及计算的功能。3.2光伏建筑将太阳能光伏发电阵列安装在建筑的外结构、外表面、屋顶来提供电力。这种系统有诸多优点，如有效利用建筑外表面及屋顶、无需额外用地或者加建其他设施、外观更有魅力、缓解电力需求等。建筑与光伏系统相结合，把封装好的光伏组件平板或曲面安装在居民住宅或建筑的屋顶上，建筑物作为光伏阵列载体，起到支撑作用，然后光伏阵列再与汇流箱、逆变器、交直流配电柜等相连。这是一种常用的光伏建筑一体化形式，特别是与建筑屋顶的结合。甚至，柔性太阳电池将可以用于建筑物构件的各个部分，如外墙、遮阳棚、窗帘等。3.3航空飞行器将柔性薄膜太阳电池阵贴在空间飞行器的轻质支撑表面，与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳电池相比，其成本可降低80%，单位面积功率比增加近7倍，可装载体积增加近10倍。3.4城市遮阳设施城市中的公共设施如公交亭、停车篷、遮阳亭的夜间照明、广告应用等都需要提供电源，但由于其分布零散，市电供电需要复杂的地下布线网络，利用太阳能是解决供电问题的良好选择之一。然而，这些设施结构比较简单难以承载重物，篷顶也并非全是平面结构，以致晶体硅太阳电池及玻璃基底的薄膜太阳电池不适于应用。柔性太阳电池质量轻、可弯曲，可以为这些设施的供电带来方便。四、前景展望目前，柔性太阳电池整体性能仍然相对较低，成本也比硬衬底太阳电池要高，限制了其广泛应用。随着柔性太阳电池技术的突破，其不仅将在弧形光伏建筑、便携式移动电源等柔性太阳能专属利用领域得到越来越多的应用，在传统太阳电池利用领域也将会与硬衬底太阳电池竞争，在太阳能市场上显示出极强的竞争力。五、参考文献1HU Hong xun .Internal electricity field effects of performance of amorphous 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Proceedings of IEEE Photovoltaic Specialists ConferenceC. Washington. 1984.1388-13902JACQUES1P. Semiconductors and semimetalsJ.Hydrogenated Amorphous Silicon. 1989, 21(D),30-353FRITYV,SHELLE.The PV marketJ.Sun WOrld.1998,22(3),22-284OREGANB,GRATZEL M.A low-cost,high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 filmsJ.Nature,1991,353:737-7405WEERASINGHE HC,HUANG FZ,CHENG YB.Fabrication of flexible dye sensitized solar cells on plastic substratesJ.Nano Energy,2013,2(2):174-1896ESPINOSA N,VALVERDE R,URBINA A, et al. A life cycle analysis of Polymer solar cell modules prepared using roll-to-roll methods under ambient conditionsJ.Solar Energy Mater Solar Cells,2011,95(5): 1293-1302.7PO R,CARBONERA C,BERNARDI A, et al. 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