多酸在太阳能电池中的应用PPT学习教案

1、会计学1多酸在太阳能电池中的应用多酸在太阳能电池中的应用一、背一、背 景景二、太阳能电池的基本原理二、太阳能电池的基本原理三、太阳能电池的应用三、太阳能电池的应用四、太阳能电池的分类四、太阳能电池的分类五、多酸五、多酸/ /半导体光伏电池的构建及性能研究半导体光伏电池的构建及性能研究目录第1页/共47页一、背一、背 景景随着世界经济和工业化的快速发展，人们对能源的需求随着世界经济和工业化的快速发展，人们对能源的需求量日益增大。现在人类使用的量日益增大。现在人类使用的80%多的能源来源于化石能源，多的能源来源于化石能源，其中石油其中石油36.4%、天然气、天然气23.5%、煤炭、煤炭27.8%。

2、如果以现在日。如果以现在日消耗原油消耗原油8250万桶来计算，现有的石油储量将在万桶来计算，现有的石油储量将在40年后消耗年后消耗殆尽，天然气和煤炭分别为殆尽，天然气和煤炭分别为60年和年和150年。而这些化石能源年。而这些化石能源是不可再生的，人类正面临着化石能源枯竭的能源危机。因是不可再生的，人类正面临着化石能源枯竭的能源危机。因此，寻求高效清洁的可再生能源是世界各国的共同目标。此，寻求高效清洁的可再生能源是世界各国的共同目标。第2页/共47页太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，是人类开太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，是人类开发利用的最理想能源，也是人类发展最有潜力和应用最广发利用

3、的最理想能源，也是人类发展最有潜力和应用最广的一种新能源。地球表面每年可接收的一种新能源。地球表面每年可接收31024焦耳的太阳能，焦耳的太阳能，如果开发地球表面所接收太阳能的如果开发地球表面所接收太阳能的0.013%就足够满足当前就足够满足当前人类的能量需求了。人类的能量需求了。太阳能电池的历史起源于太阳能电池的历史起源于1839年年法国科学家贝克勒尔法国科学家贝克勒尔发现发现“光伏效应光伏效应”。美国的贝尔实验室在。美国的贝尔实验室在1954年首次成功地年首次成功地研制出单晶硅太阳能电池，立刻在世界范围内引起了轰动，研制出单晶硅太阳能电池，立刻在世界范围内引起了轰动，从此引发了太阳电池研究

4、的热潮，此后太阳能电池被广泛从此引发了太阳电池研究的热潮，此后太阳能电池被广泛的应用于卫星、航天、军事等领域。的应用于卫星、航天、军事等领域。第3页/共47页二、太阳能电池的基本原理二、太阳能电池的基本原理太阳能电池是由电性太阳能电池是由电性质不同的质不同的n型半导体和型半导体和p型半导体连接合成，一边型半导体连接合成，一边是是p区区,一边是一边是n区，两个区，两个相互接触的界面附近形成相互接触的界面附近形成一个结叫一个结叫p-n结，结区内结，结区内形成电场，成为电荷运动形成电场，成为电荷运动的势垒。的势垒。第4页/共47页 当太阳光入射到太阳能电池表面上后当太阳光入射到太阳能电池表面上后,

5、,所吸收的能量大于所吸收的能量大于禁带（禁带（EgEg）宽度，在）宽度，在p-np-n结中产生电子结中产生电子- -空穴对，在空穴对，在p-np-n结内建结内建电场作用下，空穴向电场作用下，空穴向p p区移动，电子向区移动，电子向n n区移动，从而在区移动，从而在p p区形区形成空穴积累，在成空穴积累，在n n区形成电子积累，若电路闭合，就形成电流区形成电子积累，若电路闭合，就形成电流。第5页/共47页三、太阳能电池的应用三、太阳能电池的应用第6页/共47页交通设施交通设施交通交通/ /铁路信号灯铁路信号灯交通警示交通警示/ /标志灯标志灯高空障碍灯高空障碍灯第7页/共47页通信方面通信方面光

6、缆维护站光缆维护站小型通信机小型通信机信号发射塔信号发射塔第8页/共47页建建筑筑设设施施第9页/共47页航空航天航空航天卫星供电电卫星供电电池池航天飞机供航天飞机供电电探测器电池探测器电池第10页/共47页家电方面家电方面手提灯手提灯节能灯节能灯充电器充电器第11页/共47页太阳能汽车太阳能汽车第12页/共47页四、太阳能电池的分类四、太阳能电池的分类根据所用的半导体材料，太阳能电池可分为根据所用的半导体材料，太阳能电池可分为:硅基硅基太阳能电池；化合物薄膜太阳能电池；染料敏化太阳太阳能电池；化合物薄膜太阳能电池；染料敏化太阳能电池；聚合物太阳能电池四大类。能电池；聚合物太阳能电池四大类。第

7、一代：单晶硅和多晶硅两种，大约占太阳能电第一代：单晶硅和多晶硅两种，大约占太阳能电池产品市场的。其中，单晶硅电池转换效率最高，池产品市场的。其中，单晶硅电池转换效率最高，可达到可达到1820，但生产成本高。，但生产成本高。第13页/共47页第二代太阳能电池。即：非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳第二代太阳能电池。即：非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池以及多结太能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池以及多结太阳能电池。极大的降低电池原材料生产的成本。但转换效率仅阳能电池。极大的降低电池原材料生产的成本。但转换效率仅为为610%。第三代太阳能电池。即：第三代太

8、阳能电池。即：染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池、聚合物、聚合物（有机）太阳能电池，进一步降低了生产电池的原材料成本，（有机）太阳能电池，进一步降低了生产电池的原材料成本，同时，也进一步简化了电池的生产工艺。缺点：目前主要限于同时，也进一步简化了电池的生产工艺。缺点：目前主要限于实验室研究，仍需大量研究工作深入探索。实验室研究，仍需大量研究工作深入探索。第14页/共47页各类太阳能性能的比较各类太阳能性能的比较第15页/共47页种类种类材料材料太阳能单太阳能单电池效率电池效率太阳能电太阳能电池模块效池模块效率率主要制备方法主要制备方法优点优点缺点缺点硅基太硅基太阳能电阳能电池池单晶硅单晶硅1

9、524%1320%表面结构化表面结构化发射区钝化发射区钝化分区掺杂分区掺杂效率最高效率最高技术成熟技术成熟工艺繁琐工艺繁琐成本高成本高多晶硅多晶硅1017%1015%化学气相沉积法化学气相沉积法液相外延法液相外延法溅射沉积法溅射沉积法无效率衰退问题无效率衰退问题成本远低于单晶成本远低于单晶硅硅效率低于效率低于单晶硅单晶硅非晶硅非晶硅813%510%反应溅射法反应溅射法PECVD法法LPCVD法法成本较低成本较低转换效率较高转换效率较高稳定性不稳定性不高高第16页/共47页种类种类材料材料单电池单电池效率效率模块效率模块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点化合物薄膜化合物薄膜太阳能电池太

10、阳能电池砷化镓砷化镓1932%2330%MOVPE和和LPPE技术技术效率较高效率较高成本较单成本较单晶硅低晶硅低易于规模易于规模生产生产原材料有原材料有剧毒剧毒碲化镉碲化镉1015%710%铜铟硒铜铟硒1012%810%真空蒸镀真空蒸镀法和硒化法和硒化法法价格低廉价格低廉性能良好性能良好工艺简单工艺简单原材料来原材料来源比较有源比较有限限染料敏化染料敏化太阳能电池太阳能电池811%58%溶胶凝胶法溶胶凝胶法水热反应水热反应溅射法溅射法成本低廉成本低廉工艺简单工艺简单性能稳定性能稳定聚合物多层修饰电极型太聚合物多层修饰电极型太阳能电池阳能电池35%处于研发处于研发当中当中易制作易制作材料广泛材

11、料广泛成本低成本低寿命短寿命短第17页/共47页染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池(Dye-SensitizedSolarcells，简，简称称DSSC)，其工作原理与传统硅电池不同，它其工作原理与传统硅电池不同，它对光的吸对光的吸收主要通过染料来实现收主要通过染料来实现，再通过动力学反应速率来控制，再通过动力学反应速率来控制电荷的分离传输。电荷的分离传输。DSSC对材料纯度和制备工艺的要求对材料纯度和制备工艺的要求并不高并不高,使得其成本低廉，仅为硅太阳能电池的使得其成本低廉，仅为硅太阳能电池的1/5-1/10左右左右,为人类推广利用太阳能电池提供了方便

12、。为人类推广利用太阳能电池提供了方便。第18页/共47页染料敏化太阳能电池的结构如图染料敏化太阳能电池的结构如图 ，主要由，主要由导电基底材导电基底材料、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电料、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极极五部分组成。五部分组成。第19页/共47页(1)导电基底材料导电基底材料:最广泛使用的是透明导电玻璃最广泛使用的是透明导电玻璃(TCO)，它是，它是在一定厚度（在一定厚度（1-3mm）的普通玻璃上镀上导电膜制成的，有）的普通玻璃上镀上导电膜制成的，有FTO（掺氟的（掺氟的SnO2）、）、ITO(氧化铟锡氧化铟锡)等。等。(2)半导体薄膜：主要是

13、半导体薄膜：主要是TiO2多孔薄膜，另外还有多孔薄膜，另外还有ZnO、Nb2O5、WO3、Ta2O5、CdS、Fe2O3和和SnO2等。等。(3)染料敏化剂：对于染料光敏化剂，有无机染料和有机染料。染料敏化剂：对于染料光敏化剂，有无机染料和有机染料。(4)电解质：分为液体电解质、准固态电解质和固体电解质。电解质：分为液体电解质、准固态电解质和固体电解质。目前使用最广泛的是目前使用最广泛的是I-/I3-液态有机溶剂电解质体系。液态有机溶剂电解质体系。(5)对电极：所使用的材料主要有铂和碳等，目前应用最广对电极：所使用的材料主要有铂和碳等，目前应用最广泛的就是在导电玻璃上镀上一层泛的就是在导电玻璃

14、上镀上一层Pt来作为对电极。来作为对电极。第20页/共47页（1）单色光转化效率（）单色光转化效率（incidentphotonelectronconversion，IPCE）：它的定义是单位时间内外电路中产生的）：它的定义是单位时间内外电路中产生的电子数与入射单色光光子数的比。电子数与入射单色光光子数的比。（2）开路电压）开路电压Voc:当电池的电流为当电池的电流为0时测得的电压。时测得的电压。（3）短路电流密度）短路电流密度Jsc：当电池两端的电压为：当电池两端的电压为0V时测出的时测出的电流密度。电流密度。染料敏化太阳能电池的重要参数染料敏化太阳能电池的重要参数（4）填充因子）填充因子F

15、F：最大输出功率：最大输出功率Pm与极限输出功率与极限输出功率（JscVoc）的比值。）的比值。（5）效率）效率：衡量电池光电转化性能的指标衡量电池光电转化性能的指标，定义为输出，定义为输出最大功率与入射光强的比值。最大功率与入射光强的比值。第21页/共47页五、多酸五、多酸/ /半导体光伏电池的半导体光伏电池的构建及性能研究构建及性能研究(1)多酸多酸/TiO2复合膜复合膜根据量子化学的计算和安森根据量子化学的计算和安森(Anson)等的研究等的研究,认为多酸阴离子中的认为多酸阴离子中的M-O骨架具有骨架具有储存和传输电子储存和传输电子的能力的能力,因此因此,可在光电响应中起传输电子的作用。

16、可在光电响应中起传输电子的作用。第22页/共47页第23页/共47页1991年，瑞士格雷策尔年，瑞士格雷策尔(Grtzel)实验室以纳米多孔实验室以纳米多孔TiO2半导体膜作光电极，成功制备出染料敏化太阳能电池，半导体膜作光电极，成功制备出染料敏化太阳能电池，在的太阳光照射下光电转换效率达在的太阳光照射下光电转换效率达7.1%。随着不断深入的。随着不断深入的研究，到研究，到1997年，该类电池的光电转换效率达到了年，该类电池的光电转换效率达到了10%-11%。到。到2011年，格雷策尔年，格雷策尔(Grtzel)教授课题组将此类教授课题组将此类电池的光电转化效率提高到了电池的光电转化效率提高到

17、了12.3%。提高半导体的光电转换效率的方法：提高半导体的光电转换效率的方法：增加半导体的光响增加半导体的光响应范围应范围、提高光生载流子的转移提高光生载流子的转移和和减小载流子的复合减小载流子的复合。二氧。二氧化钛纳米管表面光生电子和空穴的快速复合限制了其在光电化钛纳米管表面光生电子和空穴的快速复合限制了其在光电方面的应用，利用方面的应用，利用多酸捕获电子的能力来抑制二氧化钛表面多酸捕获电子的能力来抑制二氧化钛表面快速的电子和空穴的复合快速的电子和空穴的复合，从而提高二氧化钛半导体光催化，从而提高二氧化钛半导体光催化效率。效率。第24页/共47页东北师大王恩波教授课题组东北师大王恩波教授课题

18、组利用利用LBL(层接层层接层)法制备的法制备的H3PW12O40(PW12)-TiO2薄膜作为染料敏化太阳能电池的新型界面层。薄膜作为染料敏化太阳能电池的新型界面层。图1第25页/共47页经过煅烧，多酸的特征峰（经过煅烧，多酸的特征峰（P-Oa：1079、W=Od：983、W-Ob-W：890850、W-Oc-W：800760）并没）并没有消失，说明煅烧后有消失，说明煅烧后PW12仍然稳定存在。仍然稳定存在。图2第26页/共47页图3(PW12)-TiO2薄膜薄膜在在240nm处的吸光度随着层数的增处的吸光度随着层数的增加而呈现线性增长，说明加而呈现线性增长，说明PW12和和TiO2被均匀的

19、吸附到复被均匀的吸附到复合膜中。合膜中。图1第27页/共47页图4与空的与空的FTO相比相比,(PW12/TiO2)n/FTO的透过率更好，这是的透过率更好，这是由于层接层法处理之后玻璃表面更平滑。由于层接层法处理之后玻璃表面更平滑。第28页/共47页原子力显微镜可以看到粒子的分布均匀没有聚原子力显微镜可以看到粒子的分布均匀没有聚集显现，估算出膜大约厚度为集显现，估算出膜大约厚度为35nm。图5第29页/共47页表1由表可知，性能最好的是带有由表可知，性能最好的是带有(PW12/TiO2)3界界面层的面层的DSSC。第30页/共47页开路电压衰减法（开路电压衰减法（OCVD）是测量暗态条件下的

20、电子）是测量暗态条件下的电子复合的一个有效的手段。复合的一个有效的手段。图6在电压在电压0.200.65V范围内，带有界面层范围内，带有界面层(PW12/TiO2)3的的电池显示出了最长的电子寿命。这说明电池显示出了最长的电子寿命。这说明(PW12/TiO2)3界面层界面层有着可以接受电子，减小复合的作用。有着可以接受电子，减小复合的作用。第31页/共47页图7图图7为单色光转化效率曲线。在波长短波长为单色光转化效率曲线。在波长短波长400520nm范围内和中波长范围内和中波长600650nm范围内，带有范围内，带有(PW12/TiO2)3界面界面层的层的DSSC的转化效率比不做处理的电池有大

21、幅度的提高。的转化效率比不做处理的电池有大幅度的提高。第32页/共47页图8在连续在连续300小时的测试下电池的小时的测试下电池的Jsc、Voc、FF、参数都没发生明显的变化，表明电池的稳定性良好。参数都没发生明显的变化，表明电池的稳定性良好。第33页/共47页图7第34页/共47页PW12在界面层中可以在界面层中可以有效地加速电子向外电路有效地加速电子向外电路传递传递，并且可以，并且可以抑制电子复合抑制电子复合。带有。带有(PW12/TiO2)3界界面层的面层的DSSC的效率比不做任何处理的的效率比不做任何处理的DSSC提高了提高了53%。由此可以看出，多酸基的界面层为制作高性。由此可以看出

22、，多酸基的界面层为制作高性能的能的DSSC提供了一个不错的选择。提供了一个不错的选择。第35页/共47页ZnO是一种宽带隙半导体氧化物，具有高的电子迁移率，是一种宽带隙半导体氧化物，具有高的电子迁移率，已经在太阳能电池领域获得应用。但是单纯的已经在太阳能电池领域获得应用。但是单纯的ZnO薄膜对太薄膜对太阳光的光电转换效率并不高，主要是因为其对光波响应范围阳光的光电转换效率并不高，主要是因为其对光波响应范围较窄，另一个主要原因是较窄，另一个主要原因是ZnO材料的电子注入效率较低。多材料的电子注入效率较低。多酸阴离子是一个酸阴离子是一个“电子库电子库”，具有接受和存储电子的能力。把，具有接受和存储

23、电子的能力。把多酸引入到多酸引入到ZnO薄膜中，使其作为电子接受体，来捕获薄膜中，使其作为电子接受体，来捕获ZnO导带的光生电子以提高光生电子迁移率，从而阻止光激发电导带的光生电子以提高光生电子迁移率，从而阻止光激发电子子-空穴的复合，提高其光电转换率。空穴的复合，提高其光电转换率。(2)多酸对多酸对ZnO光电转换性能的促进效应光电转换性能的促进效应第36页/共47页通过简单的溶剂热方法通过简单的溶剂热方法,首次合成了含有多酸首次合成了含有多酸(H3PW12O40)的的ZnO纳米粒子，并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极。纳米粒子，并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极。东北师大王恩波教授课题组

24、东北师大王恩波教授课题组ZnOOW第37页/共47页在在700-1200cm-1波数范围内展示了多酸的特征波数范围内展示了多酸的特征峰。这些结果表明，多酸通过静电引力被吸附在氧峰。这些结果表明，多酸通过静电引力被吸附在氧化锌纳米粒子表面。化锌纳米粒子表面。第38页/共47页XRD图与图与ZnO的的JCPDS卡片卡片no.361451相对应，相对应，POM的峰不明显，这可能是由于的峰不明显，这可能是由于POM的含量比较低，的含量比较低，或者两者的峰发生重叠所至。或者两者的峰发生重叠所至。3第39页/共47页由图由图b可知，化合物可知，化合物1的的平均粒径为的的平均粒径为60nm，由，由图图d可知

25、，空白组的平均粒径为可知，空白组的平均粒径为40nm，由此可以证，由此可以证明明(H3PW12O40)的存在。的存在。4第40页/共47页第41页/共47页第42页/共47页第43页/共47页测得的光电转换效率比不含多酸的测得的光电转换效率比不含多酸的ZnO纳米粒纳米粒子光阳极提高了子光阳极提高了49.1%。一系列平行实验表明含。一系列平行实验表明含W系列系列Keggin型多酸阳极性能高于含型多酸阳极性能高于含Mo系列的，其中系列的，其中含有多酸含有多酸H3PW12O40的光电转换效率最大可达的光电转换效率最大可达2.7%。多酸的种类很多，其在太阳能电池方面多酸的种类很多，其在太阳能电池方面的应