《新能源材料与器件》课件-任务3 薄膜太阳能电池

模块二

太阳能电池材料与器件任务3薄膜太阳能电池知识目标:1.熟悉化合物半导体材料（如GaAs、CdTe等）的特性及其光电转换原理。2.理解有机薄膜太阳能电池的基本构成和工作原理。3.理解染料敏化太阳能电池的基本概念及其工作原理。能力目标:1.能够分析并比较不同类型化合物半导体太阳能电池的效率和成本。2.能够分析各种太阳能电池的优缺点，并提出改进方案。

素质目标：

培养科学探究精神和创新意识。

任务3薄膜太阳能电池化合物半导体太阳能电池化合物半导体太阳能电池突破了由硅原料—硅锭—硅片—太阳能电池的工艺路线，采用直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，发展了薄膜太阳能技术，这适应了太阳能电池的高效率、低成本、大规模生产化发展的要求。目前，薄膜光伏材料发展前景极为广阔，主要有CdTe、CuInSe2、CdS、GaAs和InP等材料。化合物半导体薄膜太阳能电池的主要类型有CdTe系太阳能电池、CuInSe2系列太阳能电池、CdS/CuInSe2太阳能电池、GaAs系列太阳能电池和InP系列太阳能电池。CdTe系薄膜太阳能电池CdTe系薄膜太阳能电池CdTe系薄膜太阳能电池是发展较快的一种化合物半导体薄膜太阳能电池，美国第一太阳能（FirstSolar）在量产此类太阳能电池，截至2016年2月，按直流计算累计产量达到了6GW。该公司研发的产品转换效率最近迅速提高，2013年4月模块效率达到16.1%。2014年3月模块效率达到17.0%，电池单元转换效率达到20.4%。2015年6月模块效率达到18.2%（仅开口部为18.6%），2016年2月23日更是宣布电池单元转换效率达到了22.1%。CdTe是公认的高效廉价的薄膜电池材料。CdTe是ⅡＢ、ⅥＡ族化合物，是直接带隙材料，其带隙结合能为1.45eV。CdTe的光谱响应与太阳光谱十分吻合，CdTe膜的光吸收系数大，厚度为1μm的薄膜可以吸收大于99%的CdTe禁带辐射能量，因而降低了对材料扩散长度的要求。

CdTe结构与Si、Ge有相似之处，晶体主要靠共价键结合，但有一定的离子性。与同一周期的ⅥＡ族半导体相比，CdTe的结合强度很大，电子摆脱共价键所需能量更高，因此常温下CdTe的导电性主要由掺杂决定，薄膜组分、结构、沉积条件、热处理过程对薄膜的电阻率和导电类型有很大影响。

以CdTe作吸收层、CdS作窗口层的n-CdS/p-CdTe半导体异质结电池的典型结构为：减反射膜(MgF2)/玻璃/(SnO2,F)/CdS/p-CdTe／背电极。CdTe光伏技术的一大障碍是材料中含元素Cd，而Cd和Cd的化合物均有毒性，其尘埃对人和动物的危害很大。对破损玻璃片上的Cd和Te应去除并回收。损坏或废弃的组件必须妥善处理或用60%H2SO4＋1.5%H2O2的溶液（体积分数）处理。CuInGaSe2(CIGS)薄膜太阳能电池CuInGaSe2(CIGS)薄膜太阳能电池

铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点，光电转换效率居各种薄膜太阳电池之首，接近于晶体硅太阳电池，而成本只是它的三分之一，被称为非常有前途的新型薄膜太阳电池，是近几年研究开发的热点。

铜铟镓硒电池作为薄膜太阳能电池之一，由四种元素铜、铟、镓、硒作为功能层，同时在柔性衬底沉积其他功能层制备而成。铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有多层膜结构，包括金属栅状电极、减反射膜、窗口层（ZnO）、过渡层（CdS）、光吸收层（CIGS）、金属背电极（Mo）、玻璃衬底等。其中，吸收层CIGS是（化学式CuInGaSe₂）由四种元素组成的具有黄铜矿结构的化合物半导体，是薄膜电池的关键材料。GaAs(砷化镓）太阳能电池GaAs(砷化镓）太阳能电池砷化镓电池与硅光电池的比较1、光电转化率:砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。单结的砷化镓电池理论效率达到30%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。2、耐温性：常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。3、机械强度和比重：砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，常把其制成薄膜，并使用衬底(常为Ge[锗])，来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能。有机薄膜太阳能电池

有机薄膜太阳电池源于植物、细菌的光合成系的模型研究，植物、光合成细菌利用太阳的能量将二氧化碳和水合成糖等有机物。光合作用过程中，叶绿素等色素吸收太阳光所激发的能量产生电子、正孔，导致电荷向同一方向移动而产生电能。有机太阳电池是一种新型的太阳电池，它可分成湿式色素增感太阳电池以及干式有机薄膜太阳电池。

色素增感太阳电池就是在光激励状态下伴随化学反应产生光电流的光化学电池。它可分成三种：光异化型、光酸化还原型以及半导体增感型。色素增感太阳电池的构造如下图所示，由透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物或增感色素以及电解质溶液等材料构成。有机薄膜太阳能电池

有机薄膜太阳电池由色素或高分子材料构成。这种太阳能电池的成本低，对环境无影响、制造方法简单、能耗较少。转换效率为10%左右。由于这种太阳能电池柔软性较好，因此可使用简单的方法制成各种形状的低成本太阳能电池。有机薄膜太阳能电池

近年来，由于有机太阳能电池的转换效率大幅度提高，人们已认识了光合成系的高效率转换原理，再加上地球升温的加速，有机太阳能电池的研究、开发已成为一大亮点，对它的研究、开发正加速进行。有机薄膜太阳能电池染料敏化太阳能电池

染料敏化纳米晶太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜构成光阳极，最常用的是TiO2纳米晶多孔膜，ZnO、SnO2、Nb2O5等也被广泛研究。纳米多孔半导体薄膜起到了吸附染料、分离电荷及传输光生载流子的功能，而吸收光能的作用则由其表面吸附的敏化染料承担。电池的对电极一般用铂来修饰，除了具有收集电子的用外，还可以起到催化作用，加速电解质中氧化还原电对的转换。染料敏化太阳能电池

纳晶TiO2多孔薄膜具有吸附染料、分离电荷、传输光生载流子、使电解质充分渗透到纳晶薄膜网络内部有效还原染料正离子等功能。因此制备的纳晶TiO2多孔薄膜的性能好坏直接关系到电池的光电转换效率及使用性能。

纳米TiO2通常采用溶胶-凝胶法、水热合成法、电化学法和模板法等制备，结合刮涂、浸渍、旋转、提拉、溅射、沉积和丝网印刷等技术制成TiO2薄膜。TiO2薄膜在DSCs中兼具多重作用，因此具有以下特征：足够大的比表面积；多孔结构；薄膜材料的禁带宽度与太阳光谱相匹配。为此可通过改性TiO2薄膜满足上述要求，常采用表面修饰、离子掺杂、量子点敏化、多手段共改性以及制备复合薄膜和微观有序空间结构、核壳结构薄膜等手段改性DSCs中的TiO2薄膜。染料敏化太阳能电池的组成1.光阳极

从晶型方面来看，(101)面是锐钛矿型TiO2的最低能势面，暴露更多的(101)面有利于染料的吸附，这是薄膜电极选择锐钛矿型TiO2的重要原因之一。Park等比较了由金红石和锐钛矿2种不同晶型TiO2组成的电池，在相同膜厚(12µm)情况下，得出单位体积的金红石比锐钛矿型TiO2薄膜表面积小25％，同时少吸附35％的染料分子，但金红石型比锐钛矿型TiO2如粒子具有更好的光散射性能，有利于光的吸收。

大量研究表明较大的TiO2颗粒(100-400nm)具有较强的散射光能力，光的散射使光在薄膜内的路程增长，造成染料分子吸收光的几率增大。

在DSC中，光阳极膜通过其大的表面积，吸附大量的单分子层染料分子，提高了太阳光的收集效率。半导体电极的巨大表面积也增加了电极表面的电荷复合，降低太阳电池的光电转换效率。为了改善电池的光伏性能，人们开发了多种物理化学修饰技术来改善纳米TiO2电极的特性。这些技术包括TiCl4表面处理，表面包覆、掺杂等。（1）表面处理

纯度不高的TiO2核外面包覆一层高纯的TiO2，增加电子注入效率，在半导体、电解质界面形成阻挡层；在纳米TiO2薄膜之间形成新的纳米TiO2颗粒，增强了纳米TiO2颗粒间连接接，从而改善了电池的光伏性能。（2）表面包覆

利用表面包覆具有较高导带位置的半导体或绝缘层形成所谓核-壳结构的阻挡层来减少复合。（3）掺杂

单一的光阳极膜光电性能并不是很理想，在纳米TiO2的制备过程中，进行适当的离子掺杂，在一定程度上影响TiO2电极材料的能带结构，可以减少电子-空穴对的复合，延长电荷在光阳极膜中的寿命，增强其光电性能从而提高电池的光电流。

对电极又称为阴极，在染料敏化太阳能电池中起着收集外电路电子，并且将电子传递给电解液的作用。因此这就要求对电极必须导电性好，传输电子快；比表面积大，催化活性高；能够将未被染料吸收的太阳光反射回光阳极，使染料重新吸收。目前广泛使用的对电极可分为三种：Pt对电极、非Pt金属对电极和碳对电极。2.对电极

与自然界光合作用相比，基于TiO2纳米晶膜的太阳能电池也是一个由太阳光驱动的分子泵。DSC就像人工台成的树叶，多孔纳米TiO2膜取代了植物中的磷酸类脂膜，而敏化染料则代替了叶绿素，所以被称为“人工光合”。“叶绿素”敏化染料在DSC中起着举足轻重的作用，通常要符合以下条件：

(1)在纳米TiO2膜上有良好的吸附，不易脱附；

(2)在可见光响应范围广，吸收强；

(3)激发态寿命较长，且具有高的电荷传输效率；

(4)氧化态和还原态都较稳定；

(5)能级分布与半导体相匹配，其LUMO要高于半导体导带底，便于电子传输；

(6)氧化还原电位要高于电解质体系中的氧化还原对，以利于染料通过氧化还原反应从氧化态回到还原态。3.染料

4.电解质DSC的工作原理类似于自然界中植物的光合作用，通过有效的光吸收和电荷分离把光能转变为电能。