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能源危机下的太阳能电池----研究与产业河北师范大学物理科学与信息工程学院侯登录2011年2月25日现代化社会人均消耗能源大幅增加能源危机、汽油连续涨价资源日渐枯竭中国资源枯竭城市达44个环境严重污染气候变化无常自然灾害频发人类何去何从？人类何去何从？手段与对策手段与对策倡导低碳生活减少CO2的排放量注意节能环保发展绿色产业可再生资源的重复利用风力发电光伏产业-太阳能电池主要常规能源储量预测主要常规能源储量预测我国几种可再生能源量和发电潜力太阳能是人类取之不尽用之不竭太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源的可再生清洁能源地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。太阳能电池发展瓶颈转换效率稳定性成本为了解决这些问题，我们从基本物理问题开始阐述…..太阳光谱图太阳光谱图UVVisibleInfrared48%48%太阳电池分类技术成熟程度（三代电池）：1)晶硅电池：单晶硅，多晶硅2)薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe，球形电池多晶硅薄膜，Grātzel，有机电池染料敏化电池3)新概念电池新概念电池（第三代电池）◆中间带隙(或亚带隙，或杂质带)电池◆带隙递变迭层电池◆上、下转换器电池◆偶极子天线电池◆量子点、量子阱电池◆热载流子电池有机太阳电池(第二代)工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0．7V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能染料敏化太阳电池（染料敏化太阳电池（DSSCDSSC））（第二代）（第二代）什么是染料敏化太阳电池？什么是染料敏化太阳电池？全称为“染料敏化纳米薄膜太阳电池”模拟自然界中的光合作用原理采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极，并选用适当的氧化－还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光阴极，只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断的开始发电了。染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理整个循环过程中，只要有太阳光，并且与外电路接通，就能持续不断地将太阳能转换成电荷运动的电能。工作原理：当染料分子吸收太阳光后，电子开始变得活跃，并脱离原先的基态，与二氧化钛发生氧化反应，电子很快跑到表面被电极收集，通向外电路；而从另一端电极返回的电子被电解质中的离子捕获，送还给被氧化的染料分子，使其重新回复到基态，这就完成电子的输运循环过程。染料敏化太阳电池（染料敏化太阳电池（DSSCDSSC））电池结构阳极：染料敏化半导体薄膜TiO2、染料阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理S+hν→S*S*→S++e-→CB(TiO2)A+e-(CE)→A-S++A-→S+A染料敏化太阳电池的研究历史1、1991年,M.Grätzel等提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池。2、1993年M.Grätzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳能电池。3、1997年,这种M.Grätzel电池已经应用于电致变色器件。4、1998年,M.Grätzel等人进一步研制出全固态电池,使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质,单色光光电转换效率昀大达到33%,从而引起了全世界的关注。1.对入射光的角度敏感度小，因此更适合散射和反射光源。由于钛膜表面的“光海绵”性质，电池可在大范围不同光源条件下工作，可用于非常弱的光源。2.晶体硅电池适合于充足阳光条件，而DSSC则特别适用于光间接照射，例如阴天或有临时或长期的部分遮挡的条件。3.由于DSSC的制备只需通常普遍使用的非真空设备，所以只需很少资金就可建立生产设备。染料敏化太阳电池的优点：教你制作染料敏化太阳电池教你制作染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池作为新型的绿色能源，您一定非常感兴趣吧？那么你是不是想自己动手制作一块自己的太阳能池呢？其实，做电池并不难，那就让老师手把手教你制作电池吧！Let’sgo!!Let’sgo!!第一步：二氧化钛膜的制备第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色第三步：制作反电极第四步：组装电池第五步：注入电解质染料敏化太阳电池的制作主要分为五个步骤：第一步：二氧化钛膜的制备第一步：二氧化钛膜的制备二氧化钛的制备有两种方法：一种方法是：称取适量二氧化钛粉(DegussaP25)放入研钵中，一边研磨，一边逐渐加入硝酸或乙酸(pH值为3—4)，研磨均匀。另一种方法是：取适量二氧化钛粉，加入乙酰丙酮水溶液，然后边研磨边逐渐加入水使之研磨均匀。二二氧氧化化钛钛浆浆料料制制备备取一定面积的导电玻璃，用万用表来检测判断其导电面。用透明胶带盖住电极的四边，其中3边约盖住1—2mm宽，而第四边约盖4—5mm宽。胶带的大部分与桌面相粘，有利于保护玻璃不动，这样形成一个约40—50μm深的沟，用于涂敷二氧化钛。在上面几滴TiO2溶液，然后用玻璃棒徐徐地滚动，使其涂敷均匀。二氧化钛涂敷待二氧化钛薄膜自然凉干后，再撕去胶带，放入炉中，在450℃下保温半小时。可选用电热枪或管式炉，也可用酒精灯或天然气灯在有支撑下加热10min。然后让其自然冷却至室温，储存备用。烧结后得到二氧化钛膜。其类似于类囊体膜，呈多孔状，多孔膜有利于吸收太阳光和收集电子。用用酒酒精精灯灯烤烤干干第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色在新鲜的或冰冻的黑莓、山莓和石榴籽上滴3—4滴水，再进行挤压、过滤，即可得到我们所需要的初始染料溶液；也可以把TiO2膜直接放在已滴过水并挤压过的浆果上，或在室温下把TiO2膜浸泡在红茶(木槿属植物)溶液中。有些水果和叶子也可以用于着色。如果着色后的电极不立即用，必须把它存放在丙酮和脱植基的叶绿素混合溶液中。二二氧氧化化钛钛薄薄膜膜着着色色第三步：制作反电极第三步：制作反电极电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极。取与正电极相同大小的导电玻璃，利用万用表判断玻璃的导电面（利用手指也可以作出判断，导电面较为粗糙）。把非导电面标上‘+’，然后石墨棒或软铅笔在整个反电极的导电面上涂上一层碳膜。这层碳膜主要对I-和I3-起催化剂的作用。整个面无需掩盖和贴胶带。因而整个面都可以涂上一层催化剂。可以通过把碳膜在450℃下烧结几分钟来延长电极的使用寿命。电极必须用乙醇清洗，并烘干。也可以利用化学方法沉积一层通明的、致密的铂层来代替碳层作为反电极。反反电电极极制制备备第四步：组装电池第四步：组装电池小心地把着色后的电极从溶液中取出，并用水清洗。烘干之前再用乙醇或异丙醇清洗一下，以确保将着色后的多孔TiO2膜中的水份除去。把烘干后的电极的着色膜面朝上放在桌上，再把涂有催化剂的反电极放在上面，把两片玻璃稍微错开，以便于利用未涂有TiO2的电极部分和反电极作为电池的测试用。电电池池的的封封装装第五步：注入电解质第五步：注入电解质用两个夹子把电池夹住，再滴入两滴含碘和碘离子的电解质溶液，由于毛细管原理，电解质很快在两个电极间均匀扩散。电电解解质质的的注注入入☺☺恭喜你恭喜你☺☺染料敏化太阳电池制作成功了！染料敏化太阳电池制作成功了！非晶硅薄膜太阳电池(第二代)非晶硅薄膜太阳电池结构非晶硅薄膜太阳电池三结结构实验室效率：初始稳定单结：12％6－8％双结：13％～10％三结：15.2%～13％商业化电池效率：单结：3％～4％双结：～6％三结：7％～8％太阳能用非晶硅和多晶硅薄膜的制备技术化学气相沉积反应溅射法离子镀法易实现制备大面积的硅膜；非晶硅与电池的制作同时完成；电池的制作成本较低。特点：电子束蒸发沉积镀膜镀膜制备方法低成本能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好(充电效率高)非晶硅薄膜太阳能电池的优点单结非晶硅太阳电池的厚度约1um。主要原材料是硅烷，这种气体可由化学工业大量供应，比较便宜，制造一瓦非晶硅太阳电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）。非晶硅薄膜太阳能电池的优点——低成本沉积温度低，衬底可选择：如玻璃等廉价衬底，不锈钢和塑料等柔性衬底。非晶硅薄膜太阳能电池的优点——衬底的灵活选择非晶硅薄膜太阳电池的优点——能量返回期短非晶硅薄膜太阳电池的优点——大面积自动化生产转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电后返回的时间约为1.5-2年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。非晶硅薄膜太阳电池的优点：短波响应优于晶体硅太阳电池电站的现场照片非晶硅太阳电池存在的问题——效率较低单晶硅太阳电池，单体效率为14%-17%而柔性基体非晶硅太阳电池组件的效率为10-12%。非晶硅太阳电池存在的问题——稳定性非晶硅太阳电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。a-Si∶H薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为Steabler-Wronski效应。光致衰退效应非晶硅太阳电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。非晶硅太阳电池存在的问题——设备成本多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池①高温技术路线——以RTCVD为代表优点；薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易作出高效率电池，缺点：工艺温度高～1000℃，衬底难解决。衬底材料：陶瓷，石墨，硅片等②低温技术路线－以PECVD为代表优点：工艺温度低，200～300℃，衬底容易获得：玻璃，不锈钢等；缺点：薄膜质量低，晶粒小，纳米极。日本Kaneka公司－PECVD－玻璃衬底pin结构的多晶硅薄膜电池，效率10％；南开大学结合“973”项目——PECVD实验室小面积电池正在研制(~6%)。化合物半导体薄膜电池化合物半导体薄膜电池GaAs等的禁带宽度在1～1.5eV，与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体对阳光的吸收系数大，只要达到微米厚就能吸收阳光的绝大部分，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。GaAs电池主要用于空间，被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。晶硅电池（第一代）晶硅电池的各种新技术向高效化方向发展向薄片化方向发展基本原理当光线照射太阳能电池表面时，能量大于禁带宽度的光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，从价带跃迁到导带，成为自由电子-空穴对。它们在P－N结内电场的作用下运动，在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。光子能量转换成电能的过程。向高效化方向发展1)单晶硅高效电池：◆斯坦福大学的背面点接触电池：η＝22％特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失单晶硅电池的效率进展多晶硅高效电池(第一代)◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅材料，能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg,◆制造过程简单、省电、节约硅材料，因此具有更大降低成本的潜力。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低。◆乔治亚(Geogia)工大－采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达到18.6％；◆新南威尔士大学－采用类似PERL电池技术，使电池的效率19.8％◆Fraunhofer研究所20.3%－世界记录多晶硅高效电池晶硅太阳电池向薄片化方向发展硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分硅是间接带隙半导体，理论上要求厚度大于100μm才可以吸收足够多的太阳光电池制造工艺－硅片厚度下限150μm降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要技术方向之一70年代－450～500μm80年代－40