多酸在太陽能電池中的應(yīng)用

多酸在太陽能電池中的應(yīng)用第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、背景二、太陽能電池的基本原理三、太陽能電池的應(yīng)用四、太陽能電池的分類五、多酸/半導(dǎo)體光伏電池的構(gòu)建及性能研究目錄第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、背景隨著世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求量日益增大?，F(xiàn)在人類使用的80%多的能源來源于化石能源，其中石油36.4%、天然氣23.5%、煤炭27.8%。如果以現(xiàn)在日消耗原油8250萬桶來計(jì)算，現(xiàn)有的石油儲(chǔ)量將在40年后消耗殆盡，天然氣和煤炭分別為60年和150年。而這些化石能源是不可再生的，人類正面臨著化石能源枯竭的能源危機(jī)。因此，尋求高效清潔的可再生能源是世界各國的共同目標(biāo)。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源，是人類開發(fā)利用的最理想能源，也是人類發(fā)展最有潛力和應(yīng)用最廣的一種新能源。地球表面每年可接收3×1024焦耳的太陽能，如果開發(fā)地球表面所接收太陽能的0.013%就足夠滿足當(dāng)前人類的能量需求了。太陽能電池的歷史起源于1839年

法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光伏效應(yīng)”。美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年首次成功地研制出單晶硅太陽能電池，立刻在世界范圍內(nèi)引起了轟動(dòng)，從此引發(fā)了太陽電池研究的熱潮，此后太陽能電池被廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星、航天、軍事等領(lǐng)域。第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、太陽能電池的基本原理太陽能電池是由電性質(zhì)不同的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體連接合成，一邊是p區(qū),一邊是n區(qū)，兩個(gè)相互接觸的界面附近形成一個(gè)結(jié)叫p-n結(jié)，結(jié)區(qū)內(nèi)形成電場，成為電荷運(yùn)動(dòng)的勢壘。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)太陽光入射到太陽能電池表面上后,所吸收的能量大于禁帶寬度，在p-n結(jié)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場作用下，空穴向p區(qū)移動(dòng)，電子向n區(qū)移動(dòng)，從而在p區(qū)形成空穴積累，在n區(qū)形成電子積累，若電路閉合，就形成電流。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、太陽能電池的應(yīng)用第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日交通設(shè)施交通/鐵路信號(hào)燈交通警示/標(biāo)志燈高空障礙燈第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日通信方面光纜維護(hù)站小型通信機(jī)信號(hào)發(fā)射塔第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日建筑設(shè)施第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日航空航天衛(wèi)星供電電池航天飛機(jī)供電探測器電池第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日家電方面手提燈節(jié)能燈充電器第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日太陽能汽車第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日四、太陽能電池的分類根據(jù)所用的半導(dǎo)體材料，太陽能電池可分為:硅基太陽能電池；化合物薄膜太陽能電池；染料敏化太陽能電池；聚合物太陽能電池四大類。第一代：單晶硅和多晶硅兩種，大約占太陽能電池產(chǎn)品市場的89.9％。其中，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)到18－20％，但生產(chǎn)成本高。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二代太陽能電池。即：非晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、薄膜硅太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池以及多結(jié)太陽能電池。極大的降低電池原材料生產(chǎn)的成本。第三代太陽能電池。即：染料敏化太陽能電池、聚合物（有機(jī)）太陽能電池，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)電池的原材料成本，同時(shí)，也進(jìn)一步簡化了電池的生產(chǎn)工藝。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日各類太陽能性能的比較第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日種類材料太陽能單電池效率太陽能電池模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)硅基太陽能電池單晶硅15~24%13~20%表面結(jié)構(gòu)化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜效率最高技術(shù)成熟工藝繁瑣成本高多晶硅10~17%10~15%化學(xué)氣相沉積法液相外延法濺射沉積法無效率衰退問題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅8~13%5~10%反應(yīng)濺射法PECVD法LPCVD法成本較低轉(zhuǎn)換效率較高穩(wěn)定性不高第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日種類材料

單電池效率模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)化合物薄膜太陽能電池砷化鎵

19~32%23~30%MOVPE和LPPE技術(shù)效率較高成本較單晶硅低易于規(guī)模生產(chǎn)原材料有劇毒碲化鎘

10~15%7~10%銅銦硒

10~12%8~10%真空蒸鍍法和硒化法價(jià)格低廉性能良好工藝簡單原材料來源比較有限染料敏化太陽能電池8~11%5~8%溶膠凝膠法水熱反應(yīng)濺射法成本低廉工藝簡單性能穩(wěn)定

聚合物多層修飾電極型太陽能電池

3~5%

處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSolarcells，簡稱DSSC)

，其工作原理與傳統(tǒng)硅電池不同，它對(duì)光的吸收主要通過染料來實(shí)現(xiàn)，再通過動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率來控制電荷的分離傳輸。DSSC對(duì)材料純度和制備工藝的要求并不高,使得其成本低廉，僅為硅太陽能電池的1/5-1/10左右,為人類推廣利用太陽能電池提供了方便。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖，主要由導(dǎo)電基底材料、納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和對(duì)電極五部分組成。第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日(1)導(dǎo)電基底材料:最廣泛使用的是透明導(dǎo)電玻璃(TCO)，它是在一定厚度（1-3mm）的普通玻璃上鍍上導(dǎo)電膜制成的，有FTO（摻氟的SnO2）、ITO(氧化銦錫)等。(2)光陽極：半導(dǎo)體薄膜主要是TiO2多孔薄膜，另外還有ZnO、Nb2O5、WO3、Ta2O5、CdS、Fe2O3和SnO2等。(3)敏化劑：對(duì)于染料光敏化劑，有無機(jī)染料和有機(jī)染料。(4)電解質(zhì)：分為液體電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固體電解質(zhì)。目前使用最廣泛的是I-/I3-液態(tài)有機(jī)溶劑電解質(zhì)體系。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日(5)對(duì)電極：所使用的材料主要有鉑和碳等，目前應(yīng)用最廣泛的就是在導(dǎo)電玻璃上鍍上一層Pt來作為對(duì)電極。（1）單色光轉(zhuǎn)化效率（incidentphoton–electronconversion，IPCE）：它的定義是單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)與入射單色光光子數(shù)的比。（2）開路電壓Voc:當(dāng)電池的電流為0時(shí)測得的電壓。（3）短路電流密度Jsc：當(dāng)電池兩端的電壓為0V時(shí)測出的電流密度。染料敏化太陽能電池的重要參數(shù)第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（4）填充因子FF：最大輸出功率Pm與極限輸出功率（Jsc×Voc）的比值。（5）效率η：衡量電池光電轉(zhuǎn)化性能的指標(biāo)，定義為輸出最大功率與入射光強(qiáng)的比值。Pin為入射單色光的強(qiáng)度第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日五、多酸/半導(dǎo)體光伏電池的構(gòu)建及性能研究(1)多酸/TiO2復(fù)合膜根據(jù)量子化學(xué)的計(jì)算和安森(Anson)等的研究,認(rèn)為多酸陰離子中的M-O骨架具有儲(chǔ)存和傳輸電子的能力,因此,可在光電響應(yīng)中起傳輸電子的作用。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1991年，瑞士格雷策爾(Gr?tzel)實(shí)驗(yàn)室以納米多孔TiO2半導(dǎo)體膜作光電極，成功制備出染料敏化太陽能電池，在AM1.5的太陽光照射下光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.1%。隨著不斷深入的研究，到1997年，該類電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%-11%。到2011年，格雷策爾(Gr?tzel)教授課題組將此類電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到了12.3%。提高半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率的方法：增加半導(dǎo)體的光響應(yīng)范圍、提高光生載流子的轉(zhuǎn)移和減小載流子的復(fù)合。二氧化鈦納米管表面光生電子和空穴的快速復(fù)合限制了其在光電方面的應(yīng)用，利用多酸捕獲電子的能力來抑制二氧化鈦表面快速的電子和空穴的復(fù)合，從而提高二氧化鈦半導(dǎo)體光催化效率。第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日王恩波老師課題組利用LBL(層接層)法制備的H3PW12O40(PW12)-TiO2薄膜作為染料敏化太陽能電池的新型界面層。圖1第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日經(jīng)過煅燒，多酸的特征峰并沒有消失，說明煅燒后PW12仍然穩(wěn)定存在。圖2第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3(PW12)-TiO2薄膜在240nm處的吸光度隨著層數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性增長，說明PW12和TiO2被均勻的吸附到復(fù)合膜中。圖1第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖4與空的FTO相比,((PW12/TiO2)n/FTO的透過率更好，這是由于LBL之后玻璃表面更平滑。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日可以看到粒子的分布均勻沒有聚集顯現(xiàn)，估算出膜大約厚度為35nm。圖5第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日表1由表可知，性能最好的是帶有(PW12/TiO2)3界面層的DSSC。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日開路電壓衰減法（OCVD）是測量暗態(tài)條件下的電子復(fù)合的一個(gè)有效的手段。圖6在電壓0.2~0.65V范圍內(nèi)，帶有界面層(PW12/TiO2)3的電池顯示出了最長的電子壽命。這說明(PW12/TiO2)3界面層有著可以接受電子，減小復(fù)合的作用。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖7圖7為單色光轉(zhuǎn)化效率曲線。在波長短波長400~520nm范圍內(nèi)和中波長600~650nm范圍內(nèi)，帶有(PW12/TiO2)3界面層的DSSC的轉(zhuǎn)化效率比不做處理的電池有大幅度的提高。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖8在連續(xù)300小時(shí)的測試下電池的Jsc、Voc、FF、η

參數(shù)都沒發(fā)生明顯的變化，表明電池的穩(wěn)定性良好。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖7第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日PW12在界面層中可以有效地加速電子向外電路傳遞，并且可以抑制電子復(fù)合。帶有(PW12/TiO2)3界面層的DSSC的效率比不做任何處理的DSSC提高了53%。由此可以看出，多酸基的界面層為制作高性能的DSSC提供了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日ZnO是一種寬帶隙半導(dǎo)體氧化物，具有高的電子遷移率，已經(jīng)在太陽能電池領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但是單純的ZnO薄膜對(duì)太陽光的光電轉(zhuǎn)換效率并不高，主要是因?yàn)槠鋵?duì)光波響應(yīng)范圍較窄，另一個(gè)主要原因是ZnO材料的電子注入效率較低。多酸陰離子是一個(gè)“電子庫”，具有接受和存儲(chǔ)電子的能力。把多酸引入到ZnO薄膜中，使其作為電子接受體，來捕獲ZnO導(dǎo)帶的光生電子以提高光生電子遷移率，從而阻止光激發(fā)電子-空穴的復(fù)合，提高其光電轉(zhuǎn)換率。(2)多酸對(duì)ZnO光電轉(zhuǎn)換性能的促進(jìn)效應(yīng)第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日通過簡單的溶劑熱方法,首次合成了含有多酸(H3PW12O40)的ZnO納米粒子，并將其作為染料敏化太陽能電池的光陽極。王恩波老師課題組Zn–OO–W第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日在700-1200cm-1波數(shù)范圍內(nèi)展示了多酸的特征峰。這些結(jié)果表明，多酸通過靜電引力被吸附在氧化鋅納米粒子表面。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日XRD圖與ZnO的JCPDS卡片no.36–1451相對(duì)應(yīng)，POM的峰不明顯，這可能是由于POM的含量比較低，或者兩者的峰發(fā)生重疊所至。3第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日由圖b可知，化合物1的的平均粒徑為60nm，由圖d可知，空白組的平均粒徑為40nm，由此可以證明(H3PW12O40)的存在。4第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第四十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日測得的光電轉(zhuǎn)換效率比不含多酸的ZnO納米粒子光陽極提高了49.1%。一系列平行實(shí)驗(yàn)表明含W系列Keggin型多酸陽極性能高于含Mo系列的，其中含有多酸H3PW12O40的光電轉(zhuǎn)換效率最大可達(dá)2.7%。多酸的種類很多，其在太陽能電池方面的應(yīng)用目前還處于起步階段，相信以后多酸在太陽能電池方面會(huì)有更大的發(fā)展。第四十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日參考文獻(xiàn)[1]王詩銘.

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