納米太陽能材料.ppt

1、納米太陽能材料,林碧玉 2110110220,1.概述 1.1太陽能電池的概況 1.2概述三代太陽能電池 2.納米材料的應用 2.1聚合物薄膜太陽能電池 2.2染料敏化納米晶太陽能電池,1.1太陽能電池的概況,太陽能電池是以光生伏特效應為原理，將太陽能轉換為電能。 光生伏特效應，即當某種結構的半導體器件受到光照射時產生直流電壓(或電流);當光照停止后，電壓(或電流)立即消失的現象 太陽能電池的發(fā)電原理基本相同, 現已晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P 型晶體硅經過摻雜磷可得 N型硅, 形成 P- N結。當光線照射太陽能電池表面時, 一部分光子被硅材料吸收; 光子的能量傳遞給了硅原子, 使電子發(fā)生了躍

2、遷, 成為自由電子在 P- N 結兩側集聚形成了電位差, 當外部接通電路時, 在該電壓的作用下, 將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的的實質是: 光子能量轉換成電能的過程。,太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：,當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：,摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖：,太陽能電池的基本結構如圖所示，自上至下為玻璃蓋板及透明膠粘劑層、減反射層、正面電極

3、、N型材料層、P型材料層、背電極(又稱基片電極)、襯底(又稱基底)，其中核心結構為P一N單結結構。光照射電池時，正電極與背電極之間產生光生電壓，接上負載后可以對外做電功。,依據太陽能電池材料的發(fā)展歷程，可以將太陽能電池的發(fā)展劃分為3個階段。 第一代為單晶硅和多晶硅太陽能電池; 第二代太陽能電池發(fā)展為非晶硅薄膜太陽能電池和多晶硅薄膜太陽能電池等; 第三代太陽能電池為疊層太陽能電池、多帶隙太陽能電池以及熱載流子太陽能電池等。,第一代 晶體硅太陽能電池,包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。 單晶硅太陽能電池是當前開發(fā)得最快的一種太陽能電池,以高純的單晶硅棒為原料, 純度要求 99. 999%,

4、其結構和生產工藝已定型, 產品已廣泛用于空間和地面。目前硅基太陽電池的能量轉換效率最高可達24.7% 多晶硅太陽能電池材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體,或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。預計多晶硅太陽能電池在未來仍然會很快的發(fā)展。 局限：單晶硅太陽能電池轉換效率最高,但對硅的純度要求高, 且復雜工藝和材料價格等因素致使成本較高。多晶硅太陽能電池在結晶的質量及純度等方面較低,所以效率也較低。,第二代 薄膜太陽能電池,非晶硅薄膜太陽能電池。 20 世紀 70 年代 就已開始對非晶硅電池的研制, 相對于單晶硅太陽能電池, 材料消耗少、 電耗低、 成本低。非晶薄膜太陽電池是目前技術最成熟

5、商業(yè)化水平也最高的薄膜太陽電池 。成本大大降低，但轉換效率只有6 % -8 %。 多晶硅薄膜太陽能電池。多晶硅薄膜在長波段具有高光敏性, 能有效吸收可見光且光照穩(wěn)定性強, 是目前公認的高效 率、 低能耗 的理想材料。多晶硅薄膜太陽能電池的發(fā)展很快,將來可望使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競爭。,化合物薄膜太陽能電池。包含有碲化鎘太陽能電池，砷化鎵太陽能電池，銅銦硒太陽能電池等。 碲化鎘(CdTe)材料成本低、效率高,且光譜響應與太陽光譜十分吻合。碲化鎘半導體光伏材料理論轉換效率為 30%。CdTe 電池實驗室效率16.4%,大規(guī)模生產的商業(yè)化電池平均效率8%10%。 目前研究的砷化鎵系列太陽

6、能電池有單晶砷化鎵、多晶砷化鎵、鎵鋁砷-砷化鎵異質結、金屬-半導體砷化鎵、金屬-絕緣體-半導體砷化鎵等。 局限是其所用的材料中大多有毒,且有的是稀有元素,所以其發(fā)展已受到很大限制。,聚合物薄膜太陽能電池。以聚合物為材料的太陽能電池是近些年開始的研究方向,具有分子結構自行設計合成、易加工、毒性小、成本低等特點。有科學家發(fā)現, 聚乙炔用 I2、 AsF5 摻雜后電導率明顯增高。目 前 P3HT/ PCBM 體系最高的光電轉化效率為4 .0%。 雖然聚合物電池有著眾多優(yōu)點, 但性能無法與傳統太陽能電池相比。需要解決的問題: 遷移率低、吸光率低,給體與受體材料界面的合適度等。未來研究應該是: 提高材料

7、的電導率,提高成膜技術、器件制作工藝水平和開發(fā)新型的材料等。,染料敏化納米晶太陽能電池。利用具有高比表面積多孔特性的薄膜來吸附染料敏化劑, 吸收未被半導體吸收的光而產生電動勢, 進而對半導體電極的光電動勢顯示敏化作用。目前, 大多采用液態(tài)電解質, 但會出現溶劑的泄漏和揮發(fā)等問題,因此準固態(tài)或固態(tài)電解質已成為研究熱點。 染料敏化太陽能電池具有較高的轉化效率,制作成本僅為硅太陽能電池的 1/ 51/ 10,壽命能達到 20 年以上。今后的改進方向為新型、合適敏化劑的探索及制備工藝的改進與薄膜化的研究。,第三代太陽能電池,為進一步提高效率，同樣基于薄膜技術的第三代太陽能電池的轉換效率將是第一 第二代

8、太陽能電池的數倍。 第三代光伏電池突破了第一 二代的基本原理，運用低維納米微結構材料的特殊性能以及半導體的雜質工程和能帶工程，可以制作出高效、低價、實用的光伏材料及器件。,目前第三代太陽能電池研究主要有以下幾個方向： （1）并聯疊層電池：主要通過把高能隙的電池放在最上層，疊層電池的性能隨著層疊電池數量的增加而提高，硅-硅串聯結構太陽能電池通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉換效率的良好途徑。 （2）雜質的光伏響應：能量低于能隙的光子也能對產生電流有貢獻，被激發(fā)電子經由一個雜質能態(tài)到達導帶，電子和空穴可以經過這些雜質能態(tài)復合。 （3）量子阱和超晶格 ：主要是

9、通過利用納米材料的量子限制在太陽能電池表面形成光阱，從而達到提高電池轉化效率的目的。,隨著科學技術的不斷發(fā)展, 新材料制成的太陽能電池層出不窮,其中雖然多元化合物所制備的太陽能電池轉換率高,但因材料制備加工要求苛刻, 工藝復雜、有些是稀有元素、有毒、 缺乏柔性等,導致其不適合在民用市場廣泛發(fā)展。而聚合物和染料敏化太陽能電池起步均較晚,技術還不成熟, 距離大規(guī)模的工業(yè)化生產仍有距離。 在后續(xù)研究中, 應將減少材料消耗與能耗、降低成本、提高轉換效率和穩(wěn)定性等作為太陽能電池研究及制備工藝的重點?；谌祟悓π履茉床牧系男枨蠛涂萍嫉牟粩噙M步, 太陽能電池在替代常規(guī)能源方面將顯示出愈來愈強的優(yōu)勢。,2.納

10、米材料的應用,聚合物薄膜太陽能電池 染料敏化納米晶太陽能電池,聚合物薄膜太陽能電池,又叫有機太陽能電池。與無機材料相比，有機材料以其原料易得、廉價、制備工藝簡單、環(huán)境穩(wěn)定性高、可以在卷曲的襯底上柔韌加工等優(yōu)點，日益被人們重視，成為了新一代太陽能電池研究的一大熱點。 目前有機太陽能電池材料主要是一些具有大的共軛結構的有機小分子化合物，有機大分子化合物，盤狀液晶材料，富勒烯及其共軛多聚物。受電池結構及材料特性的影響，有機太陽能電池光譜吸收范圍窄，能量轉換效率低，因此如何提高有機太陽能電池的效率成為當今研究的重點。,有機太陽能電池等效電路,太陽能電池的等效電路是理解太陽能電池的有效方式。理想的太陽能

11、電池等效電路可表示為:一個恒流發(fā)生器、一個二極管(如圖所示)。其中恒流器表示了器件受到光照時產生光電流IL的能力，二極管顯示了器件的二極管特性，ID為通過p一n結的電流,工作原理,電池中光電響應在光敏層中發(fā)生，光敏層至少由電子給體材料和電子受體材料構成。與傳統的無機硅光伏電池的工作原理不同，聚合物薄膜太陽能電池的光敏層吸收入射太陽光后并不能直接產生可以自由移動的電子和空穴，而是產生具有正負偶極的激子。 整體電池的光電轉換過程可以概括為以下四步:(l)光敏層吸收太陽光產生激子;(2)激子分散到電子給體/電子受體(D/A)界面;(3)激子分裂成電子和空穴;(4)電子和空穴傳輸到相應的電極被收集。,

12、有機太陽能電池器件結構,有機半導體材料在光照條件下產生的光生激子具有很強的束縛能，這使其不能夠直接在內建電場的作用下分離產生自由電子和空穴。有機半導體同金屬接面或者給體材料和受體材料的分界面，不同材料造成的能極差給激子的有效分離提供了條件。 為了更好的實現激子的遷移和電荷的分離及有效傳輸，在過去的十幾年中，人們對有機太陽能電池電池的器件結構的探索一一從單質結結構，雙層異質結結構，到體異質結結構，擴散雙層體異質結結構，從未停止。,有機材料的特點與分類,具有不同于無機材料的幾大特點: (l)光照條件下，不能直接產生自由電子和自由空穴，而是產生光生激子，激子在特定的條件下才能分離出自由電子和自由空穴

13、; (2)分子間力微弱，分子中價電子的最高已占軌道(HoMO)和最低未占軌道(LUMO)不足以相互作用形成整個材料的導帶和價帶，所以電荷以跳躍的方式在定域狀態(tài)形式的分子之間傳輸，而不是能帶內傳輸，所以其遷移率較低; (3)具有較高的光吸收系數和較窄的光波長吸收范圍; (4)大多數有機光伏材料在水氧存在的條件下具有不穩(wěn)定性。,有機太陽能電池材料選擇中最重要的三個因素： 1.與太陽能輻射能譜盡可能匹配的吸收光譜 2.較高的載流子遷移速率 3.匹配的材料分子能級 按照材料的機械性能和加工性能，有機光伏材料可以分為不溶性、可溶性以及液晶分子材料，其中包括:有機小分子材料，共軛聚合物材料和盤狀液晶材料。

14、,有機小分子材料多為一些含共軌體系的染料分子，其中包括:酞菁類衍生物、卟啉、苝菁及其衍生物等; 共軛聚合物材料具有大的共軛體系，可以通過摻雜或者化學分子修飾來實現材料電導性的調整，降低帶隙，從而提高對可見光的吸收范圍。常用的共轆聚合物材料包括以下幾種:聚苯撐乙烯撐(PPV)衍生物，聚對苯(PPP)衍生物;聚乙烯基咔哇(PVK)類、聚噻吩(PTH)衍生物、聚苯胺(PANI)等等。 盤狀液晶材料以較高的電荷遷移率和較長的激子擴張長度(約10Onm)，近些年逐漸得到了有機光伏領域的認可。其在一定的溫度范圍內分子容易重排或者自組裝成柱狀結構，這種特性非常有利于其在光伏器件中的研究和應用。典型的可成盤狀

15、液晶向的材料包括六苯并冠類、苯并菲等,影響有機太陽能電池效率的因素,(1)有機薄膜微結構。給體和受體材料混合薄膜中，能否形成雙連續(xù)的交叉網絡微觀結構，很大程度上決定了器件的電荷遷移率，從而影響了電極收集到電荷的多少。對電池的性能具有非常重要的影響。 (2)電極功函數以及電極與有機薄膜的歐姆接觸。器件陽極和陰極金屬材料的功函數分別同給體的HOMO能級和受體的LUMO能力相匹配，金屬電極與有機薄膜之間能否形成歐姆接觸，關系到電極收集電荷的能力大小。,(3)有機材料的吸收光譜范圍。有機材料的吸收光譜范圍，表征了材料對不同波段的光吸收的能力。與太陽能光譜相匹配的吸收光譜有利于更多的入射太陽光，提高其能

16、量轉換效率。吸收光譜范圍窄是目前限制有機太陽能電池效率提高的一大因素。尋找、制備吸收光譜范圍更寬的有機材料是有機太陽能電池材料方面研究的熱點。 (4)有機材料的電荷遷移率。較低的電荷遷移率，將導致電荷在光敏層中復合的幾率增大，從而降低材料的能量轉換效率。目前有機材料的遷移率遠遠低于無機材料。,納米材料在光伏器件中的應用發(fā)展,納米顆粒的特殊光電特性使其據有了在太陽能電池上應用的巨大潛力: 在一定條件下，量子點能吸收激發(fā)光，產生光激子，激子分裂成為電子和空穴。結合其吸收光譜和熒光光譜范圍隨著顆粒尺寸大小能夠得以調節(jié)的特性，這使量子點具有了擴展電池吸收光譜效應的潛能; 碳納米管的高電荷傳輸率以及良好

17、的光學透過率使其能很好的提高電池的電荷傳導能力，與量子點等材料結合，可以很大程度上碎滅量子點的熒光，加快其電子、空穴的分離和傳輸; 納米金顆粒的等離子共振作用使其在光照下能產生很強的近場電磁場和遠場電磁波，這種對電磁場的束縛增強作用使其具有增強有機太陽能電池光能吸收效率的潛力。,染料敏化納米晶太陽能電池,納米晶化學太陽能電池(簡稱NPC電池),是由一種窄禁帶半導體材料修飾組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的,窄禁帶半導體材料采用過渡金屬Ru,以及Os等的有機化合物敏化染料,大能隙半導體材料為納米多晶TiO2,并制成電極,此外電池還選用適當的氧化-還原電解質 。 電池結構主要包括由：透明導電玻璃

18、、多孔納米TiO2薄膜光陽極、敏化劑（染料）、電解質溶液或固態(tài)p型材料和對電極組成。 為了防止電池短路，同時改善多孔二氧化鈦薄膜和導電玻璃之間的接觸，一般會在導電玻璃和多孔二氧化鈦薄膜之間旋涂上一層致密的二氧化鈦層進行保護。,圖所示為電池的基本結構,主要包括透明導電基片(導電玻璃) ,多孔納米TiO2 薄膜、染料敏化劑、電解液和透明對電極幾個部分。,工作原理,電子能級的相對位置決定光生電荷的產生和傳輸特征。 當能量低于半導體納米TiO2 禁帶寬度但等于染料分子特征吸收波長的入射光照射在電極上時, 吸附于TiO2 表面的染料分子中的電子受激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)染料分子向 TiO2 納米晶導

19、帶中注入電子, 電子在TiO2 納米晶導帶中靠濃度擴散流向基底傳向外電路。由于納米粒子摻雜濃度低,因而減少了復合機會,而染料分子失去電子后變?yōu)檠趸瘧B(tài),此時氧化態(tài)的染料分子再由對電極提供電子而變?yōu)樵瓲顟B(tài),從而完成一個光電化學反應循環(huán),形成光電流。,染料的種類,理想染料敏化劑應滿足以下條件： （1）染料的吸收光譜要和太陽光光譜相匹配，即應能在盡可能寬的范圍內吸收可見太陽光，同時具有高的光電量子轉化效率； （2）染料的能級要和半導體氧化物的能級相匹配，同時應可以與氧化物半導體表面牢固地結合，并以高的傳輸效率將電子注入到其導帶中； （3）光熱穩(wěn)定性強，可經歷108次氧化還原過程，即相當于在太陽光下工作

20、 20 年； （4）具有較高的氧化還原電勢，可以快速結合電解質溶液的氧化還原物質對或空穴導體中的電子給體而再生。 常見的用作敏化劑的染料主要有羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多核聯吡啶釕及純有機染料等。,羧酸多吡啶釕。這是用得最多的一類染料,屬金屬有機染料 ,它們具有特殊的化學穩(wěn)定性、突出的氧化還原性質和良好的激發(fā)態(tài)反應活性.另外 ,它們的激發(fā)態(tài)壽命長 ,發(fā)光性能好 ,對能量傳輸和電子傳輸都具有很強的光敏化作用.目前 ,使用效果最好的染料為 RuL2 (SCN) 2 (L 代表 4,4 二羧基2,2 聯吡啶),結構如圖 所示.,磷酸多吡啶釕。羧酸多吡啶釕染料雖然具有眾多優(yōu)點 ,但是在pH5 的水溶

21、液中容易脫附. 后來發(fā)現 ,磷酸基團的附著能力比羧基更強 ,暴露在水中(pH=09)也不會脫附.缺點是激發(fā)態(tài)的壽命較短. 多核聯吡啶釕染料。它的一個極為重要的性質是 ,可以通過選擇具有不同接受電子和給出電子能力的配體來逐漸改變基態(tài)和激發(fā)態(tài)的性質.因此可以通過橋鍵將不同的聯吡啶配合物連接起來 ,形成多核配體 ,使得吸收光譜與太陽光譜更好地匹配 ,從而增加吸光效率.這類多核配合物的一些配體可以把能量轉移給其它配體 ,被稱為具有能量天線功能。 純有機染料不含中心金屬離子 ,包括聚甲川染料、氧雜蒽類染料、以及一些天然染料 ,如花青素、紫檀色素、類胡蘿卜素等.純有機染料種類繁多 ,吸光系數高 ,成本低

22、,電池循環(huán)易于操作.使用純有機染料還可以節(jié)約稀有金屬.但純有機染料敏化太陽能電池的 IPCE和sun (總光電轉換效率)比較低.,液態(tài)電解質的缺陷,長期以來,這個領域的研究一直都是利用液態(tài)電解質作為空穴傳輸材料,它雖然有著來源廣泛, 易于調節(jié)等優(yōu)點,但在實踐中它卻同時存在許多無法改進的缺陷: 1) 由于密封工藝復雜, 長期放置造成電解液泄露,且電池中還存在密封劑與電解液的反應; 2) 在液體電解質中,電極有光腐蝕現象,且敏化染料易脫附; 3) 高溫下溶劑揮發(fā)會導致其與染料作用使染料降解; 4)電解液內存在氧化-還原反應以外的反應,會使離子反向遷移導致光生電荷復合機會增加,降低光電轉換率; 5) 光生電荷在光陽極的遷移靠擴散控制,這使光電流不穩(wěn)定; 6) 電池形狀設計受到限制。 為了解決液態(tài)電解質帶來的這一系列問題, 學者們以固態(tài)空穴傳輸材料取而代之制備出全固態(tài)納米太陽能電池。,全固態(tài)納米太陽能電池,目前,全固態(tài)納米太陽能電池已成為一個重要的研究方向,其研究中心是尋求更好的空穴傳輸材料。 最初出現的是p-型半導體, 另外,還有導電聚合物、高分子凝膠電解質等。 P型半導體材料。一般應符合以下條件：在可見光區(qū)(