太阳能电池机理ppt课件

1、太阳能电池机理材料与结构设计:目录 太阳能电池的基本原理 染料敏化太阳能电池:量太阳能1.2 x 105 TW水电4.6 TW风能2-4 TW生物质能可再生能源种类与储源需求14 TW by 205033 TW by 2100地热能9.7 TW海洋/潮汐能2 TW5-7 TW只有太阳能超过人类能源消耗总量:N NHHN NNCH3HNCO太阳能光电转换太阳能化学转换太阳能热转换太阳能利用方式H2O50 - 200 Cspace, waterheatingCO2sugar500 - 3000 Cheat engineselectricity generation自然光合作用process hea

2、tH2OO2O2CO2H2, CH4CH3OH人工光合作用e-h+热能转换率高，应用广泛，成本低化学能易于储存，合成化学品、调峰电能品质高，便于使用:太阳能电池种类 单结 多结 新效应:太阳光能量分布大气层外6000K黑体辐射，地表部分光被大气吸收光谱分布光，能量密度低:光电转换第一步电子跃迁 不同能量的光子激发不同的激发态 振动，转动，电子，原子核 激发态 光电转换有用的是电子激发态 光子首先要将电子激发到高能级上足够长时间能级分布要宽 光吸收体：有机分子，高分子，无机半导体:原子轨道分子轨道半导体价带满带）光电转换第一步电子跃迁导带空带）禁带禁带宽度:吸收光谱有机分子半导体:单结电池的效率

3、最大光电压最大光电流Eg光波长: )(ln)()( EdEPEAEg热力学极限效率0P( E )dEE g :双结电池的效率Eg1光波长Eg2:QE多结电池Sun lightTop 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-012.00E-

4、011.00E-010.00E+00380480580780880680Wavelength (nm):16理论计算多结电池-案例：12-J和3J-a-Si和a-Sic-Si太阳电池前述）23J GaAs电池前述）:光电转换第二步载流子分别 载流子分离方式 体相电场分离载流子 界面电场分离载流子 电池的结构形式 平面型 互穿网络，微纳结构:平面型结构:互穿网络:微纳结构:界面复合 本体复合 分离方式平面结构 小大体电场互穿网络 大小表面电场微纳结构 大小表面电场不同结构比较:光电转换第三步电荷输运少子扩散长度确定后，电池活性吸光层的厚度也随之确定少子扩散长度要大于电池活性吸光层的厚度例如硅电池

5、，消光系数小、吸光层厚，要求扩散长度长，材料纯度高:74%68%58%54%49%44%39%31%0%实现超高效新概念电池的技术选项 多结(带隙递变)电池， 中间带杂质带，量子点电池， 上下转换器低能光子升级成高能光子或者反之）， 热载流子电池，热光伏，热离子，碰撞的离等100%circulatorstandem (n)hot carriertandem (n = 6)thermal, thermoPV, thermionicstandem (n = 3)impurity PV & band, up-convertersimpact ionisationtandem (n = 2)d

6、own-converterssingle cell23:实际电池效率 光学损失 前表面反射 透射 电学损失 复合 体复合，表界面复合 IR降 过电位:25（1） 减少光学损失以提高电池效率陷光理论及技术裸硅表面反射率36，减少光的反射损失是提高电池效率的最重要的措施之一。 最佳减反射的表面织构化技术； 最佳前表面减反射涂层技术； 最佳后表面反射涂层； 最小的栅线遮挡。:26（2减少电学损失以提高电池效率 最完美的晶体结构高纯度，零缺陷）； 理想 p-n 结技术:最佳扩散-SE技术 理想钝化技术：钝化理论：使器件表面或体内晶界的光生载流子复合中心失去复合活性钝化技术：SiO2，SiNX，SiC，

7、a-Si，H等； 最小接触电阻、最大并联电阻； 最佳前场和背场。:Front sideAntireflecitive coatingSiO2 passivationn+ FSFn-type basen+ diffusionSiO2 passivationmetal finger (n)texturecontact hole in SiO2p+ diffusionmetal finger (p)Rear sidepitchFigure 1: Schematic diagram of SunPowers low-cost rear-contact solar cell (not to scale)

8、.NB: This diagram depicts an n-type base, but it could equally well be a p-type base.电池结构背接触电池Sunpower）商业化单晶硅电池组件27:单晶硅电池的实验室效率进展:Efficiency14.5%15.9%16.9%17.1%19.0%18.9%19.8%20.0%16%14%12%10%20%18%工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术22%IndustrialSolar Cell(current)RandomPyramidson FrontImprovedScreenPrinting(FF = 0.

9、78)EnhancedLifetime(100 s)BSR 95%BSRV100 cm/sReduceCellto 100 mSelectiveEmitterReduceResistivityThickness (100 /sq) to 0.6 cm:染料敏化太阳能电池:半导体的染料的敏化 半导体与染料的能级关系CBVBLUMOHOMOCBVBLUMOHOMO注入电子 注入空穴 不能敏化 金属电极CBVBLUMOHOMOXXVBLUMOHOMO:第一代染料敏化电池原理 Low surface area Slow electroninjection rate Slow reductionrate

10、eslowEnergy transferITOdyeantennaR:NOOO ORuNNOOOONS C NNCTiTiO2eeSDye molecularITODyed TiO2Particleshuload纳晶多孔电极大比表面多孔性相互连接Pt Countersolution高转换效率:小面积DSC效率的最高记录Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2019) 314:DSC的特点的特点 光吸收，电荷传递由不同组分构成，可以分别优化 有机染料设计灵活 制作成本低:最大输出电功率 （I p V p ) ma

11、xW pI SC VOC ff决定光电转换效率的因素W p入射光功率光电流光电压填充因子=:影响短路光电流的因素 对于液态电解质可以不用考虑离子的扩散影响，主要是光吸收 对于固态电池，离子扩散将成为影响光电流的重要因素:DSC的的IPCE与理论效率与理论效率理论效率20%实验效率 10.4%N719染料带边：750nmEg：1.65-1.7evblack染料带边：900nmEg：1.3-1.4ev理论效率30%实验效率 10.4%:染料设计重点 高消光系数 高注入效率 陡吸收边 合适的能及位置 高红外吸收 宽光谱响应廉价:kT ) ln(ncbketI3- )Voc=VFB-Vred2e-cb(TiO2)+I3-KetI3-3I-Voc=( eIinj级与染料匹配不好动力学：复合反应太快影响光电压的主要因素热力学：碘能:S+/SS+/S*e-e-SCEVI-/I3-1010-1012s-1106s-1108s-1Pt/SnO2ECJ0=10-10A/cm2EF103-100s-1Kineticparameter of Nanocrystalline solar cell光电压极限驱动力复合动力学:提高光电压的途径 驱动力减到最小，参照无机电池0.45V 复合速度降低 难点 涉及半导体、染料、电解液三者，互相干扰:填充因子的影响 电池放大