多酸在太阳能电池中的应用

多酸在太阳能电池中的应用第一页，共四十八页，2022年，8月28日一、背景二、太阳能电池的基本原理三、太阳能电池的应用四、太阳能电池的分类五、多酸/半导体光伏电池的构建及性能研究目录第二页，共四十八页，2022年，8月28日一、背景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80%多的能源来源于化石能源，其中石油36.4%、天然气23.5%、煤炭27.8%。如果以现在日消耗原油8250万桶来计算，现有的石油储量将在40年后消耗殆尽，天然气和煤炭分别为60年和150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。因此，寻求高效清洁的可再生能源是世界各国的共同目标。第三页，共四十八页，2022年，8月28日太阳能是取之不尽，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的一种新能源。地球表面每年可接收3×1024焦耳的太阳能，如果开发地球表面所接收太阳能的0.013%就足够满足当前人类的能量需求了。太阳能电池的历史起源于1839年

法国科学家贝克勒尔发现“光伏效应”。美国的贝尔实验室在1954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，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。第四页，共四十八页，2022年，8月28日二、太阳能电池的基本原理太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，一边是p区,一边是n区，两个相互接触的界面附近形成一个结叫p-n结，结区内形成电场，成为电荷运动的势垒。第五页，共四十八页，2022年，8月28日当太阳光入射到太阳能电池表面上后,所吸收的能量大于禁带宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下，空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在n区形成电子积累，若电路闭合，就形成电流。第六页，共四十八页，2022年，8月28日三、太阳能电池的应用第七页，共四十八页，2022年，8月28日交通设施交通/铁路信号灯交通警示/标志灯高空障碍灯第八页，共四十八页，2022年，8月28日通信方面光缆维护站小型通信机信号发射塔第九页，共四十八页，2022年，8月28日建筑设施第十页，共四十八页，2022年，8月28日航空航天卫星供电电池航天飞机供电探测器电池第十一页，共四十八页，2022年，8月28日家电方面手提灯节能灯充电器第十二页，共四十八页，2022年，8月28日太阳能汽车第十三页，共四十八页，2022年，8月28日四、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:硅基太阳能电池；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。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89.9％。其中，单晶硅电池转换效率最高，可达到18－20％，但生产成本高。第十四页，共四十八页，2022年，8月28日第二代太阳能电池。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阳能电池。极大的降低电池原材料生产的成本。第三代太阳能电池。即：染料敏化太阳能电池、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，同时，也进一步简化了电池的生产工艺。第十五页，共四十八页，2022年，8月28日各类太阳能性能的比较第十六页，共四十八页，2022年，8月28日种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅基太阳能电池单晶硅15~24%13~20%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅10~17%10~15%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅8~13%5~10%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高第十七页，共四十八页，2022年，8月28日种类材料

单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点化合物薄膜太阳能电池砷化镓

19~32%23~30%MOVPE和LPPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料有剧毒碲化镉

10~15%7~10%铜铟硒

10~12%8~10%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限染料敏化太阳能电池8~11%5~8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定

聚合物多层修饰电极型太阳能电池

3~5%

处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短第十八页，共四十八页，2022年，8月28日染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池(Dye-SensitizedSolarcells，简称DSSC)

，其工作原理与传统硅电池不同，它对光的吸收主要通过染料来实现，再通过动力学反应速率来控制电荷的分离传输。DSSC对材料纯度和制备工艺的要求并不高,使得其成本低廉，仅为硅太阳能电池的1/5-1/10左右,为人类推广利用太阳能电池提供了方便。第十九页，共四十八页，2022年，8月28日染料敏化太阳能电池的结构如图，主要由导电基底材料、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极五部分组成。第二十页，共四十八页，2022年，8月28日(1)导电基底材料:最广泛使用的是透明导电玻璃(TCO)，它是在一定厚度（1-3mm）的普通玻璃上镀上导电膜制成的，有FTO（掺氟的SnO2）、ITO(氧化铟锡)等。(2)光阳极：半导体薄膜主要是TiO2多孔薄膜，另外还有ZnO、Nb2O5、WO3、Ta2O5、CdS、Fe2O3和SnO2等。(3)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。目前使用最广泛的是I-/I3-液态有机溶剂电解质体系。第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日(5)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Pt来作为对电极。（1）单色光转化效率（incidentphoton–electronconversion，IPCE）：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。（2）开路电压Voc:当电池的电流为0时测得的电压。（3）短路电流密度Jsc：当电池两端的电压为0V时测出的电流密度。染料敏化太阳能电池的重要参数第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日（4）填充因子FF：最大输出功率Pm与极限输出功率（Jsc×Voc）的比值。（5）效率η：衡量电池光电转化性能的指标，定义为输出最大功率与入射光强的比值。Pin为入射单色光的强度第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日五、多酸/半导体光伏电池的构建及性能研究(1)多酸/TiO2复合膜根据量子化学的计算和安森(Anson)等的研究,认为多酸阴离子中的M-O骨架具有储存和传输电子的能力,因此,可在光电响应中起传输电子的作用。第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日1991年，瑞士格雷策尔(Grätzel)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，在AM1.5的太阳光照射下光电转换效率达7.1%。随着不断深入的研究，到1997年，该类电池的光电转换效率达到了10%-11%。到2011年，格雷策尔(Grätzel)教授课题组将此类电池的光电转化效率提高到了12.3%。提高半导体的光电转换效率的方法：增加半导体的光响应范围、提高光生载流子的转移和减小载流子的复合。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效率。第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日王恩波老师课题组利用LBL(层接层)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。图1第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日经过煅烧，多酸的特征峰并没有消失，说明煅烧后PW12仍然稳定存在。图2第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日图3(PW12)-TiO2薄膜在240nm处的吸光度随着层数的增加而呈现线性增长，说明PW12和TiO2被均匀的吸附到复合膜中。图1第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日图4与空的FTO相比,((PW12/TiO2)n/FTO的透过率更好，这是由于LBL之后玻璃表面更平滑。第三十页，共四十八页，2022年，8月28日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35nm。图5第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日表1由表可知，性能最好的是带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC。第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日开路电压衰减法（OCVD）是测量暗态条件下的电子复合的一个有效的手段。图6在电压0.2~0.65V范围内，带有界面层(PW12/TiO2)3的电池显示出了最长的电子寿命。这说明(PW12/TiO2)3界面层有着可以接受电子，减小复合的作用。第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日图7图7为单色光转化效率曲线。在波长短波长400~520nm范围内和中波长600~650nm范围内，带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC的转化效率比不做处理的电池有大幅度的提高。第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日图8在连续300小时的测试下电池的Jsc、Voc、FF、η

参数都没发生明显的变化，表明电池的稳定性良好。第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日图7第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日PW12在界面层中可以有效地加速电子向外电路传递，并且可以抑制电子复合。带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC的效率比不做任何处理的DSSC提高了53%。由此可以看出，多酸基的界面层为制作高性能的DSSC提供了一个不错的选择。第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日ZnO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ZnO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较窄，另一个主要原因是ZnO材料的电子注入效率较低。多酸阴离子是一个“电子库”，具有接受和存储电子的能力。把多酸引入到ZnO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，从而阻止光激发电子-空穴的复合，提高其光电转换率。(2)多酸对ZnO光电转换性能的促进效应第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日通过简单的溶剂热方法,首次合成了含有多酸(H3PW12O40)的ZnO纳米粒子，并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极。王恩波老师课题组Zn–OO–W第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日在700-1200cm-1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化锌纳米粒子表面。第四十页，共四十八页，2022年，8月28日XRD图与ZnO的JCPDS卡片no.36–1451相对应，POM的峰不明显，这可能是由于POM的含量比较低，或者两者的峰发生重叠所至。3第四十一页，共四十八页，2022年，8月28日由图b可知，化合物1的的平均粒径为60nm，由图d可知，空白组的平均粒径为40nm，由此可以证明(H3PW12O40)的存在。4第四十二页，共四十八页，2022年，8月28日第四十三页，共四十八页，2022年，8月28日第四十四页，共四十八页，2022年，8月28日第四十五页，共四十八页，2022年，8月28日测得的光电转换效率比不含多酸的ZnO纳米粒子光阳极提高了49.1%。一系列平行实验表明含W系列Keggin型多酸阳极性能高于含Mo系列的，其中含有多酸H3PW12O40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的应用目前还处于起步阶段，相信以后多酸在太阳能电池方面会有更大的发展。第四十六页，共四十八页，2022年，8月28日参考文献[1]王诗铭.

多金属氧酸盐-TiO2复合膜在光伏器件和电致变色器件上的应用

研究[D].东北师范大学.

2013.

[2]孙志霞.

多酸/半导体复合膜的制备及其光电性能研究[D].东北师范大学.

2013.

[3]罗新泽.

多酸/ZnO光伏电池的构建和性能研