32008203231收稿,2008205214修稿;国家自然科学基金(基金号50433030)和科技部国家重点基础研究发展规划(973项目,项目号
2002CB613404
)资助项目;33通讯联系人,E 2mail:poycao@https://www.doczj.com/doc/81426957.html, 以C 70衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池
3
王 藜 徐 苗 应 磊 刘 烽 曹 镛
33
(华南理工大学高分子光电材料与器件研究所特种功能材料教育部重点实验室 广州 510640)
摘 要 以PC[70]BM (phenylC 712butyricacidmethylester )取代PC[60]BM (phenylC 612butyricacidmethylester )作
为电子受体材料,以MEH 2PPV (poly[22methoxy 252(2′2ethylhexyloxy
)21,42phenylenevinylene])为电子给体材料,制成了本体异质结(bulkheterojunction,BHJ )聚合物太阳能电池.MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件在AM115G (80mW Πcm 2
)模拟太阳光的光照条件下得到了3142%的能量转换效率,短路电流值达到了6107mA Πcm 2,开路电压0185V,填
充因子为53%.通过紫外可见吸收光谱和外量子效率的研究,发现PC[70]BM 作为电子受体,对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用.同时比较了不同溶剂对该体系器件性能的影响.通过原子力
显微镜(AFM )、光暗导I 2V 曲线等研究,分析了1,22二氯苯有利于给体相和受体相的微相分离和载流子的传
输的原因.
关键词 聚合物,太阳能电池,电子受体材料
太阳能被认为是二十一世纪最重要的新能源.在太阳能的有效利用中,太阳能光伏转换是近些年来发展最快、最具活力的研究领域.聚合物太阳能电池具有低成本、易于加工、适于制备大面积柔性器件等优点,正受到业界的广泛关注.有机共混体系中光诱导电荷转移现象的发现及本体异质
结结构的提出[1]
,使得有机太阳能电池性能大幅度提高.目前文献报道的聚合物太阳能电池的最
高能量转换效率已经达到了5%以上[2,3]
,但离实际应用还有一段距离.目前聚合物太阳能电池主
要存在材料自身载流子迁移率较低[4]
、光谱主要
集中遮可见区与太阳光谱匹配较差等问题[5,6]
.在众多聚合物材料中,由于聚[22甲氧基252(2′2乙基己氧基)21,42亚苯基亚乙烯基](poly[22methoxy 252(2′2ethylhexyloxy
)21,42phenylenevinylene],MEH 2PPV )的能隙与太阳能及受体材料苯基C 612丁酸甲酯(phenylC 612butyricacidmethylester,PC[60]BM
)
的能级较好地匹配,并能与PC[60]BM 互溶于有机溶剂中而备受关注[7]
.
聚合物太阳能电池的给体材料由于研究较多
可以有较多选择[3,8]
,而优异的电子受体则的研究
却比较少[9]
,目前使用最普遍的电子受体是PC [60]BM.但最近有一些报道苯基C 712丁酸甲酯(phenylC 712butyricacidmethylester,PC[70]BM
)与
一些给体复合时也能得到较好的效果.本文将研究以PC[70]BM 取代PC[60]BM 作为电子受体,与聚合物MEH 2PPV 共混制得的器件的光伏性能.我们发现PC[70]BM 作为电子受体与MEH 2PPV 作为电子给体的太阳能电池性能优于PC[60]BM ΠMEH 2PPV 电池.通过对比两种共混体系的吸收光谱、光电流响应曲线、AFM 等研究我们得出PC [70]BM ΠMEH 2PPV 电池有较宽的光谱吸收范围.最佳的MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件在AM115G (80
mW Πcm 2
)模拟太阳光的光照条件下得到了3142%的能量转换效率,短路电流值达到了6107mA Πcm 2
,开路电压0185V,填充因子为53%.
1 实验部分
111 实验材料
本实验选取高分子量MEH 2PPV 为电子给体材料,及PCBM (PC[60]BM 或PC[70]BM )(Nano 2C 公司)为电子受体材料.PCBM 是富勒烯的衍生物,是通过在富勒烯的球形链上接一长支链而得到,由于长支链的存在,使得PCBM 的溶解性有了很大的改善,并增加了MEH 2PPV 与PCBM 之间的
互溶性,易于形成良好的互穿网络结构[9]
.PCBM 由于具有较大的电子亲和势和良好的溶解性,使其成为优良的受体材料.它们的结构如图1所示.
第10期
2008年10月
高 分 子 学 报
ACTAPOLYMERICASINICA
No.10
Oct.,2008
993
Fig.1 Structuresof (a )poly[22methoxy 252(2′2ethylhexyloxy )21,42phenylenevinylene]MEH 2PPV,(b )phenylC 612butyricacid methylester (PC[60]BM ),and (c )phenylC 712butyricacidmethylester (PC[70]BM )
112 聚合物固体薄膜太阳能电池的制备器件结构为ITO ΠPEDOT ∶PSS Π活性层ΠAl,如图
2所示.配制用于旋涂活性层的溶液的步骤是将MEH 2PPV 与PCBM 以5mg ΠmL 和20mg ΠmL 的浓度分别溶于有机溶剂中,置于氮气手套箱中的磁力搅拌台上在常温搅拌24h 后,再将溶解的MEH 2
PPV 与PCBM 溶液按质量比1∶4(该比例为优化后的最佳比例)共混,共混溶液搅拌10h.制备器件首先分别用丙酮、碱性洗液、去离子水(重复两遍)、异丙醇超声ITO 玻璃各10min,放入烘箱80℃烘干,然后将ITO 表面氧气等离子处理4min,再在处理过的ITO 表面旋涂一层40nm 厚的PEDOT ∶PSS (聚3,42二氧乙基噻吩∶聚对苯乙烯磺酸的质量比为1∶215,购自H.C.Stack,型号为PH500)的阳极缓冲层以达到修饰ITO 表面和提高功函数的目的,经过120℃的温度烘干后,再将涂有PEDOT ∶PSS 的ITO 放入氮气手套箱中,用配置好的溶液旋涂100nm 厚的MEH 2PPV ∶PCBM 活性层,膜的厚度用匀胶机的转速进行控制,用表面轮
廓测厚仪测定膜厚,最后在真空度为3×10-4
Pa 的气压下蒸镀100nm 厚的金属Al 作为阴极.在氮气保护的手套箱中对器件进行包封后,然后在室温大气环境下进行测定.
Fig.2 Structureofpolymersolarcells
113 测试仪器
UV 2Vis 吸收光谱由HP8453紫外可见光谱仪
测得;表面轮廓测厚仪是美国Tencor 公司的Alpha 2500型号;薄膜形貌用原子力显微镜(NanoScopeNS3A )测得;AM115G 的模拟太阳光源采用Oriel 公司的的太阳光模拟器(型号91192);器件的I 2V 特性采用Keithley 公司的236电压2电流源测试;光电灵敏度由Oriel 公司的Merlin 装置测得.
2 结果与讨论
211 薄膜的吸收光谱与器件的光谱响应
我们分别用PC[60]BM 或PC[70]BM 与聚合物MEH 2PPV 以优化后的质量比4∶1共混后的溶液在干净的玻璃片上旋涂成100nm 厚的薄膜,测出活性层薄膜的紫外2可见吸收光谱图.对比MEH 2PPV ΠPC[60]BM 和MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件的光谱响应图谱可以看出,薄膜的吸收与器件的光谱响应有着紧密的联系,如图3.在400～600nm 的区域,相比于MEH 2PPV ΠPC[60]BM 体系来说,MEH 2PPV ΠPC[70]BM 体系对可见光的吸收有将近30%～40%的增强,这无疑对于器件性能的提高是很有利的因素.MEH 2PPV ΠPC[70]BM 薄膜在400～500nm 波长区域内对太阳光吸收的增强,使得MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件的外量子效率有了超过20%幅度的增加.MEH 2PPV ΠPC[60]BM 在500nm 附近的外量子效率为40%左右,而MEH 2PPV ΠPC[70]BM 在的外量子效率到达了50%以上,而且光谱范围拓展得更宽,与太阳光谱的吸收更为匹配,有利于产生更大的光电流.C60的结构由于具有高度对称性而阻止了低能量的跃迁,因此PC[60]BM 在可见光区域的吸收系数是很低的.而对称程度稍低的富勒烯低能量跃迁得
以进行,对光的吸收也会大幅增加[10]
.一般认为,
499高 分 子 学 报2008年
聚合物异质结太阳能电池的开路电压取决于电子给体的HOMO 及电子受体的LUMO 的差值.我们
发现,MEH 2PPV ΠPC[60]BM 和MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件的开路电压都维持在0185V 的水平,可以看出PC[60]BM 或PC[70]BM 与MEH 2PPV 能级
均非常之匹配.我们的实验结果也说明了PC[70]BM 作为富勒烯的一种,取代PC[60]BM 作为电子
受体,对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用
.
Fig.3 Externalquantumefficiency (EQE )andabsorptionspectraofpurePC[70]BM,PC[60]BM,ablendofMEH 2PPV Π
PC[70]BMandMEH 2PPV Π
PC[60]BM,wheretheEQEshowssimilardifferencesastheabsorptionprofileforthetwoblends
Wienk 等用PC[70]BM 取代PC[60]BM 作为电子受体,与MDMO 2PPV 制成共混型有机固体薄膜太阳能电池,在AM115G 模拟太阳光的光照条件下得到了将近3%的能量转换效率,短路电流值达到了716mA Πcm 2
,但由于复合损失和体电阻的增大导致开路电压和填充因子有稍许降低
[11]
.
Brabec 等制备的PCPDTBT ΠPC[70]BM 体系的器件
的能量转换效率为3116%,比起PCPDTBT ΠPC[60]BM 体系2167%的效率也有所提高[8]
.用MEH 2PPV ΠPC[70]BM 体系制备的器件的最好性能达到3142%的能量转换效率(AM115G,80mW Πcm 2
模拟
太阳光),短路电流密度达到了6107mA Πcm 2
,开路电压0185V,填充因子为53%;而同时制备的MEH 2PPV ΠPC[60]BM
器件能量转换效率为
2128%,短路电流密度为4130mA Πcm 2
,开路电压0185V,填充因子50%.相比之下,用PC[70]BM
取代PC[60]BM 作为电子受体能大幅提高器件性能,PC[70]BM 的使用的确使得电流密度得以大幅度提高,从4130mA Πcm 2
提高到了6107mA Πcm 2
.这也是缘于MEH 2PPV ΠPC[70]BM 体系在400
～600nm 波长范围内有吸收的大幅增强,有利于器件的光电流的增加.212 溶剂对器件性能的影响
由于富勒烯的碳原子数目越多溶解性会变得
越差,尽管PC[70]BM 在常用的有机溶剂里都能
溶解,但不同的溶剂对薄膜的形貌及相分离会造成很大差别.薄膜的形貌很大程度上影响着异质结电池的性能,而高效的电荷分离和传输又与聚
合物与富勒烯的微观分散情况有密切的关系[12]
.Wienk 等发现对于MDMO 2PPV ΠPC[70]BM 体系,二氯苯导致的相分离程度最小,而氯苯和二甲苯都会造成较大程度的相分离和不完全的PL 淬灭[11]
.Yao 等在研究PF 2co 2DTB ΠPC[70]BM 体系[13]
的过程中,也得到了类似的结论.我们将PC[70]BM 分别溶解于甲苯(toluene )和邻二氯苯(ODCB ),与MEH 2PPV 制成了器件,器件的性能见表1.图4是不同器件在无光的黑暗状态和AM115G 模拟太阳光下测量的电流2电压特性曲线.
Table1 Deviceperformancesofdeviceswithdifferentsolvent Acceptor Voc
(V )Jsc (mA Πcm 2
)FF
(%)ECE (%)PC[70]BM (toluene )
0185511950112176PC[70]BM (ODCB
)0185
6107
5311
3142
Voc:open 2circuitvoltage;Jsc:short 2circuitcurrentdensity;FF:fill
factor;ECE:energyconversionefficiencyundersimulatedAM1
15Gsolar
conditionsat80mW Πcm 2
从表1的数据可以看出,与文献的结果类似,邻二氯苯溶的MEH 2PPV ΠPC[70]BM 器件得到的
599
10期王 藜等:以C 70衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池
结果要优于甲苯溶剂制备的器件,主要表现在短路电流的不同上.比较两者薄膜的AFM图片(图5)可以看出,甲苯薄膜的相分离尺寸达到了100～200nm左右,而邻二氯苯薄膜则有较平整的膜的表面,给体与受体相都有较小的尺寸,实现了良好的微相分离,显示了给体和受体材料良好的相溶性.由于有机材料中的激子扩散长度约为5～
20nm左右[14],均匀的共混形貌有利于激子的分离和高的光电流的产生.在甲苯器件中,当相分离的尺度远大于激子扩散长度时,大部分的激子都难以到达给体Π受体界面,实现载流子的分离.低的激子分离效率不利于光生激子的分离及电荷转移.因此,严重的相分离直接影响到激子分离效率及器件的性能.而邻二氯苯薄膜所产生的微相分离[12]能大大提高光生激子的分离效率,从而使它们之间形成良好的互穿导电网络,
有利于分离电荷的传输,减少光生自由电荷的复合,从而提高器件性能.另外,很多研究表明高沸点的溶剂能延长活性层薄膜的成膜时间,有利于提高迁移率,使得电荷传输平衡,从而提高器件性能[15,16].本实验中1,22二氯苯沸点为180℃,甲苯沸点为110℃.在图 4中,在暗态条件下邻二氯苯溶的MEH2PPVΠPC [70]BM器件比甲苯的器件具有更好的载流子注入,因此在光照情况下,邻二氯苯溶的MEH2PPVΠPC[70]BM器件的短路电流更大.我们推测,高沸点的溶剂1,22二氯苯溶液成膜时间长,也有利于聚合物MEH2PPV的晶向排列,从而提高空穴的迁移率,使得电荷传输平衡,提高器件的性能.
Fig.4 J2V characteristicsofMEH2PPVΠPC[70]BMdevices,spin
coatedfromtolueneandODCB,inthedarkandunderillumination
(AM115G,80mWΠcm2)inasemi2logarithmicplot
Fig.5 AFMtapping2modeheightimagesofMEH2PPV∶PC[70]BM(1∶4WΠW)blendsonPEDOT,spincoatedfrom toluene(left,z range=36nm,rmsroughness=414nm),andODCB(right,z range=314nm,rmsroughness=014 nm).Theareasizeis5μmby5μm
3 结论
我们以PC[70]BM取代PC[60]BM作为电子受体与聚合物MEHPPV共混制得了能量转换效率为3142%的聚合物薄膜太阳能电池.我们通过紫外2可见吸收光谱和器件的光谱响应研究,表明PC[70]BM对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用.同时比较了不同溶剂对MEH2PPVΠPC[70]BM器件性能的影响.薄膜的AFM形貌和J2V曲线的研究,发现1,22二氯苯由于对于PC[70]BM具有良好的溶解性及较高的沸点,有利于给体相和受体相的微相分离和载流子的传输.
699高 分 子 学 报2008年
REFERENCES
1 Yu G,GaoJ,HummelenJC,WudlF,HeegerAJ.Science,1995,270:1789～17912 MaW,YangC,GongX,LeeK,HeegerAJ.AdvFunctMater,2005,15:1617
～1622
3 PeetJ,KimJY,CoatesNEMaWL,MosesD,HeegerAJ,BazanGC.NatMater,2007,6:497～5004 BozanoL,CarterSA,ScottJC,MalliarasGG,BrockPJ.ApplPhysLett,1999,74:1132～1134
5 AlivisatosAP.JPhysChem,1996,100:13226
～13239
6 XiaYangjun (夏养君),DengXianyu (邓先宇),WangLi (王藜),LiXianzhen (李贤真),CaoYong (曹镛).ActaPolymericaSinaca (高分子学报),
2006,(5):697～702
7 DengXY,ZhengLP,YangCH,LiYF,YuG,CaoY.JPhysChemB,2004,108:3451～3456
8 M ühlbacherD,ScharberM,MoranaM,ZhuZG,WallerD,GaudianaR,BrabecCJ.AdvMater,2006,18:2884
～2889
9 ZhengLP,ZhouQM,DengXY,YuanM,YuG,CaoY.JPhysChemB,2004,108:11921～11926
10 ArbogastJW,FooteCS.JAmChemSoc,1991,113:8886～8889
11 WienkMM,KroonJM,VerheesWJH,KnolJ,HummelenJC,vanHalPA,JanssenRAJ.AngewChemIntEd,2003,42:3371
～3375
12 YangX,LoosJ.Macromolecules,2007,40:1353～1362
13 YaoY,ShiCJ,LiG,ShrotriyaV,PeiQB,YangY.ApplPhysLett,2006,89:15350721～3
14 HaugenederA,NegesM,KallingerC,SpirklW,LemmerU,FeldmannJ,ScherfU,HarthE,GugelA,MullenK.PhysRevB,1999,59:15346
～15351
15 LiG,YaoY,YangH,ShrotriyaV,YangG,YangY.AdvFunctMater,2007,17:1636～1644
16 LiQW,SunBQ,KinlochIA,ZhiD,SirringhausH,WindleAH.ChemMater,2006,18:164
～168
[70]FULLERENE 2BASEDEFFICIENTBULKHETEROJUNCTIONSOLARCELLS
WANGLi,XUMiao,YINGLei,LIUFeng,CAOYong
(Institute of PolymerOptoelectronic Materials and Devices ,KeyLab of Specially FunctionalMaterials ,
South China Universityof Technology ,Guangzhou 510640)
Abstract Abulkheterojunctionphotovoltaiccellinwhichanisomericmixtureoffullerenederivatives,PC[70]BM
isusedasanelectronacceptorincombinationwithpoly (22methoxy 252(2′2ethylhexyloxy )21,42phenylenevinylene )(MEH 2PPV )asanelectrondonorhasbeenreported.PC[70]BMisthehigherfullereneanalogueofPC[60]BM,and displaysimprovedlightabsorptioninthevisibleregion.ItisfoundoutwhenthismaterialisusedinsteadofPC[60]
BMinaphotovoltaiccellwithMEH 2PPVasdonor,avalueof6107mA Πcm 2
currentdensityforthePC[70]BM ∶
MEH 2PPVdevicesmeansanincreaseofover40%withrespecttoanoptimizedPC[60]BM ∶MEH 2PPVcell.The
open 2circuitvoltageVocof0185Vandafillfactor (FF )of0153forthePC[70]BM ∶MDMO 2PPVdevicesresulted
inanoverallpower 2conversionefficiencyof3142%,measuredunderAM115G,solarsimulater (80mW Πcm 2
).The influenceofdifferentsolventsusedforspin
2castingofactivelayerondeviceperformancewasstudied.Theresults showedthat1,22dichlorobenzenewasabestsolventforPC[70]BM ΠMEH 2PPVsystem.Themechanismofthesolvent
influenceonthedeviceperformancewasanalyzedbylightanddark
I 2V curve,AFM,andreasonableexplanations
weregiven.MorphologystudiesontheblendfilmsindicatedthatexcellentmiscibilitybetweenpolymerandPC[70]BMfavoredexcitonseparation.Becausetheexcitondiffusionlengthinorganicmaterialsistypicallysmall,the intimatemixturefavorsexcitonseparationandthereforehigherphotocurrent.Keywords Polymer,Solarcells,Acceptors
799
10期王 藜等:以C 70衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池
文献综述 ——GaAsSb热光伏电池开路电的优化仿真分析 1. 引言 1.1 热光伏技术 当前，能源问题已经越来越成为制约人类社会进步和发展的阻力，而现在大规模使用的化石能源，由于其不可再生和对环境的高污染性，使得开发可持续的绿色能源已经是迫在眉睫。作为一种新颖的能源利用方法，热光伏电池（thermophotovoltaic，TPV）的研究始于上世纪60年代，但是由于当时理论和工艺水平的限制，直到90年代末开始才又重新引起了人们的重视。 相比较于太阳能光伏电池，热光伏电池系统首先是具有较高的系统效率和输出能量密度，这主要因为热光伏电池后端的光伏电池的带宽能量要小一些，这样在同等的温度条件下，系统的效率和能量密度会比较高。另外，热光伏电池系统中热发射源离后端光伏电池的距离也相对于太阳能光伏电池离太阳的距离要近得多，所以这样就减少了能量在传播路径上的传递损失，而增大了能量利用的效率。另外，热光伏电池系统的噪音也比较低，并且没有移动的部件，因而可以便携使用。还有，热光伏电池系统的热源也很广泛，除过常规的太阳能外，各种工业废热、余热以及附加热等都可以作为热光伏电池系统的热量来源[1]，所以热光伏电池系统的性能受天气和环境的影响不大。近年来，随着微细加工技术的发展，人们有可能去制造微型的热光伏电池系统去取代传统的化学电池作为工业和科技界的能源，因而热光伏电池系统必将是未来微型电力系统研究的重点方向之一。 一般来讲，热光伏电池系统就是一种通过光伏电池把热辐射源辐射的热能转化成电能的静态能量转换器件[2]。典型的热光伏电池系统包括一个前端的热辐射源，一个后端的光伏电池和位于它们之间的光谱控制元件，如光谱滤波器等。 整个热光伏电池系统的工作原理是：首先是热源的热量直接加到热辐射源上，然后热辐射源辐射出的能量到达滤波片，接着滤波片过滤掉能量小于PV 电池带宽能量的低能光子，而使得大于PV电池带宽能量的高能光子到达PV电池，最后PV电池由于光生伏特效应产生光生电子，而电子以电流的方式输出到外电路作为电源使用[3]。由于滤波片不可能是理想的，所以那些到达PV电池的不能产生电子的低能光子的能量将作为热损耗损失掉。
3长江学者和创新团队发展计划资助项目(IR T0547) 徐慢:男,1964年生,博士研究生 E 2mail :opluse @https://www.doczj.com/doc/81426957.html, 薄膜太阳能电池3 徐 慢,夏冬林,杨 晟,赵修建 (武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室,武汉430070) 摘要 薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正在得到迅速的发展和进步,主要介绍了非晶硅、多晶硅薄膜太 阳能电池以及CIGS 薄膜太阳能电池,通过比较这几种薄膜太阳能电池各自的特点阐述了各种薄膜太阳能电池的发展状况。 关键词 光电功能薄膜 薄膜 太阳能电池 Thin Film Solar Cells XU Man ,XIA Donglin ,YAN G Sheng ,ZHAO Xiujian (Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education , Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070) Abstract Thin film solar cells are under study by many research group s.This paper makes an introduction of the application of photoelectric f unctional thin films in solar cells ,mainly in the application of a 2Si ∶H ,poly 2Si ∶H and CIGS thin film solar cells and also includes the introduction of their development and preparation techniques. K ey w ords photoelectric f unction thin films ,thin film ,solar cells 0 前言 随着社会的进步与发展,如今光电技术已经成为热门的学科,同时它与各种学科之间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。例如,薄膜技术与光电子学领域的互相渗透使得光电子薄膜技术不断迅速发展,涌现了各种新型的光电薄膜器件,并且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。对光电薄膜材料的研究和开发工作是非常活跃的,所涉及的光电薄膜材料也很丰富,这些材料主要包括:G e 和Si 单晶以及以它们为基的掺杂体;化合物半导体有:CdS 、CdSe 、Cd Te 、ZnSe 、HgSe 、Hg Te 、PbS 、PbSe 、InP 、InAs 、InSb 、G aAs 、G aSb 等[1]。 在光(包括不可见光)的照射下,物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变化,就称为光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。光电材料中光伏材料一直是研究的热点,利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转化元件,还可以制造光电池———薄膜太阳能电池。随着世界能源的紧缺,薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜,可以有效地解决能源短缺问题,而且它无污染,易于大面积推广。 1 薄膜太阳能电池 目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导 体薄膜型和有机薄膜型。化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(如a 2Si ∶H )、ⅢV 2族(如CaAs )、Ⅱ2Ⅵ族(CdS 系)和磷化锌 (Zn 3P 2)等[2,3] 。 以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始,已经获得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳能电 池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。为降低成本,非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展,它制备工艺相对简单,易实现自动化生产,已在1980年开始实现产业化生产[4],但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S 2W 效应),因而阻碍了它的进一步发展。多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点,且无光致衰减效应,因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。另外,CIGS 薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一,其光电转化效率高,性能稳定而且不会发生光致衰减效应。本文将着重介绍非晶硅(a 2Si )、多晶硅(Poly 2Si )、铜铟镓硒(CIGS )这几种薄膜太阳能电池。 1.1 a 2Si ∶H 薄膜 相对于单晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。(1)非晶硅的光吸收系数大,因而作为太阳能电池时,薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时,要小得多;(2)相对于单晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单,制造过程能量消耗少;(3)可实现大面积化及连续的生产;(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底,因而容易降低成本;(5)可以做成叠层结构,提高效率。自1976年美国的Carlson 和Wronski 制备出第一个非晶硅太阳能电池以来,非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高,成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中,非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件,且价格便宜,市场占有率逐年增加。它能应用在如计算器、手表等弱光电池市场,也能应用在微波中继站、光伏水泵等 ? 901?薄膜太阳能电池/徐 慢等
太阳能电池发展现状综述 摘要：随着社会的发展，传统能源消耗殆尽,能源越来越收到重视。其中发展前景最为广阔的莫过于太阳能。太阳能绿色环保，因此逐渐受到了人们的普遍重视。太阳能已成为新能源领域最具活力的部分，世界各国都致力于发展太阳能。本文主要阐述了太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类，太阳能电池的现状以及发展前景. 关键词：太阳能电池；太阳能电池种类；发展现状； Narration on the Current Situation of Solar Battery Abstract:With the development of society, traditional energy will be used up in a short time.Eneygy are being payed more and more attention.And the solar energy is the most promising.Because of its’environmental protection,it gets widespread attention. Solar energy has become the most vibrant part among the new energy field,and all countrise tried their best to develop solar energy.This article mainly explains the development of solar battery,the types of solar battery,curent situation of solar battery and its’ prospect. Key Words:solar battery; types of solar battery; curent situation of solar battery 1引言 随着经济的发展，能源的重要性日趋凸显。但是石油、煤等不可生起源消耗殆尽，人们开始探索新的能源。太阳能取之不尽用之不竭，因此受到了人们的亲睐。在太阳能电池领域中，太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域[1]．太阳能电池的研制和开发日益得到重视．制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础．其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转化反应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：①硅太阳能电池；②以无机盐如砷化镓Ⅲ一V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；③纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：①半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率；③材料本身对环境不造成污染；④材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料[2]．这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因. 本文简要地综述了太阳能电池发展进程，太阳能电池的种类，以及发展现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。 2太阳能电池现状及其前景
精品文档 钙钛矿太阳能电池 引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。 而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。 近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。 一钙钛矿太阳能电池的发展历程 人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以 CH3NH3PbBr和CHNHPbI为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发3333展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CHNHPbI为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料333组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。 精品文档． 精品文档 2012年，Snaith 等[7]利用CHNHPbICl作为光吸收剂，并且将结构中的233TiO层用AlO层进行替代，最终电池的效率增加到10.9%。钛矿太阳能电池逐322渐引起了科研人员的广泛关注，进入了高速发展阶段。 2013 年，钙钛矿太阳能电池在结构以及性能上，都得到了进一步的优化。Gratzel 等[8]制备了光电转化效率为15% 的钙钛矿太阳能电池，所采用的方法是两步连续沉积法。同年，Snaith 等[9]采用双源蒸镀法成功制备了平面异质结钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率为15. 4%。 2014 年，Han 等[10]采用全印刷的手段来制备无空穴传输层，同时用碳电极取代金属电极，成功制备了光电转化效率为11. 60%的钙钛矿太阳能电池。Kelly 等
化合物薄膜太阳能电池 陆宇衡171840741 南京大学数理科学类 一、摘要 能源短缺是21世纪面临的主要问题之一。寻找清洁、环保及廉价的可再生新能源迫在眉睫。太阳能光伏发电是公认的解决这一难题的方式之一。薄膜光伏电池具有制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产等优点，被公认为未来太阳电池发展的重要方向之一，半导体薄膜太阳电池也在一步步发展中，其中CdTe和CIGS是两大重要的研究方向，CdTe 和CIGS各具特点，而且分别已经发展出各自的制作工艺，在实验室中已经有较高的光电转换效率。未来光伏发电应用趋向多样性、灵活性，这位薄膜太阳电池尤其是化合物薄膜电池提供了良好的发展机遇，因为CIGS和CdTe薄膜太阳电池具有可与晶体硅电池竞争的成本、可靠性高、稳定性好、光电转换效率高、能量回收期短、组建应用多样性等优势。但同时它们也面临这很大的挑战，所以进一步的发展迫在眉睫。 二、关键词 太阳能，化合物，光伏电池，薄膜。 三、前言 薄膜太阳电池具有制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产等优点，同时它还可被制成柔性可卷曲形状，使其应用范围更加广泛。因此，薄膜太阳电池被公认为未来太阳电池发展的重要方向之一，并且受到国内外研究单位和产业界的持续广泛的关注。半导体化合物薄膜太阳电池主要包括碲化镉薄膜太阳电池（CdTe thin film solar cell）、铜铟镓硒薄膜太阳电池（CIGS thin film solar cell）等。在2013年6月，美国GE Global Research公布了CdTe太阳电池的最新世界纪录，光电转换效率达到了19.6%【1】，2012年9月瑞士EMPA 小组在柔性衬底上成功制备光电转换效率达到20.4%【1】的CIGS太阳电池。本文就将向大家介绍CdTe薄膜太阳电池和CIGS薄膜太阳电池。 四、CdTe薄膜太阳电池 1、简介 CdTe薄膜太阳电池是以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳电池，CdTe 是II-VI族化合物，具有和立方硫化锌类似的结构，是直接带隙化合物半导体材料，其禁带宽度约为1.45eV【2】，吸收的光谱范围相对较宽，比较接近光伏材料的理想禁带宽度1.5eV 【2】。CdTe有较高的光学吸收系数，在可见光范围，吸收系数可以高达105cm?1，所以理论上大约只要几微米厚的薄膜就足以吸收90%的光【2】，理论光电转换效率约为28%【3】。 2、结构与特点 CdTe薄膜太阳电池的结构从上至下依次为玻璃、TCO (Transparent Conducting Oxide)、CdS、CdTe、金属电极，光从玻璃那一侧进入。它的制作过程是先将透明导电氧化物膜，即TCO沉积在玻璃衬底上，然后分别依次制备n型CdS、p型CdTe与背接触金属电极，TCO 的制备方法通常为真空溅射、电子束蒸发、化学气相沉积法等【4】，常用的TCO材料为ITO, ZnO: Al, ZnO: B, SnO: F等【4】，显然，其中ZnO基的TCO膜占重要地位。CdS薄膜的厚度通常会小于10nm。CdTe吸收层的质量严重影响着电池转换效率，比较成熟的CdTe薄膜制备方法有近空间升华法（CSS）、电化学沉积法（ECD）、真空蒸发法等。通常CdTe薄膜需要在CdCl2中400℃进行30分钟的退火处理，从而提高CdTe薄膜的性能【5】。退火处理后的CdTe薄膜晶粒尺寸增大，同时促进了CdS/CdTe界面的混合晶化【5】。 3、CdTe薄膜制备工艺【6】 如上面所介绍的，制备工艺主要有近空间升华法、电化学沉积法、真空蒸发法等。
三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术
异质结太阳能电池研究现状 一、引言： 进入21世纪，传统的化石能源正面临枯竭，人们越来越认识到寻求可再生能源的迫切性。据《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书统计，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘，各种能源都只能用很短的时间，石油：42年，天然气：67年，煤：200年。而且，由于大量过度使用这些能源所造成的环境污染问题也日益严重，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，二氧化碳的过度排放是造成全球气候变暖的罪魁祸首；空气中大量二氧化碳、粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。正是因为这些问题的存在，人们需要一种储量丰富的洁净能源来代替石油等传统化石能源。而太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量就可达5.6×1012千瓦小
时。而我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1700亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的前景非常广阔。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。本文简要地综述了各种异质结太阳能电池的种类及其国内外的研究现状。 二、国外异质结太阳能电池 1、TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池 2005年5月份，Kohshin Takahashi等发表了TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池，电池结构如图1。 图1 ITO/PEDOT:PSS/CuPc/PTCBI/Al结构太阳能电池 简图 图2 TCO/TiO2/P3HT/Au电池结构示意图 同时采用了卟啉作为敏化剂吸收光子，产生的电子注入
薄膜太阳能电池分类 21世纪初之前，太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，但自2003年以来，晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨，因此，业内人士自热而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高可达13%以上。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其使用范围大，可和建筑物结合或是变成建筑体的一部份，使用非常广泛。 1.硅基薄膜电池 硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池，而目前市场主要是非晶硅薄膜电池产品。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或磷可得到p型或n型a-Si。为了提高效率和改善稳定性，还发展了p-i-n/p-i-n双层或多层结构式的叠层电池。 2.碲化镉（CdTe）薄膜电池 碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一，由于其工艺过程简单，制造成本低，实验室转换效率已超过16%，大规模效率超过12%，远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境造成污染，使用受到限制。近年来美国FirstSolar公司采取了独特的蒸气输运法沉积等特殊措施，解决了污染问题，开始大规模生产，并为德国建造世界最大的光伏电站提供40MW 碲化镉太阳电池组件。 3.铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率已接近20%，成品组件效率已达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。 4.砷化镓（GaAs）薄膜电池 砷化镓薄膜电池是在单晶硅基板上以化学气相沉积法生长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池，其直接带隙1.424eV，具有30%以上的高转换效率，很早就被使用于人造卫星的太阳电池板。然而砷化镓电池价格昂贵，且砷是有毒元素，所以极少在地面使用。 5.染料敏化薄膜电池 染料敏化太阳电池是太阳电池中相当新颖的技术产品，由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)纳米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。目前仍停留在实验室阶段，实验室最高效率在11%左右。 非晶硅薄膜电池 简介 非晶硅（amorphous silicon α-Si）又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅的化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等) 在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作pn结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。禁带宽度1.7～1.8eV，而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业使用，主要用于提炼纯硅，制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。 非晶硅薄膜电池的起源 非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20％左右，但由于非晶硅太阳能电池转化效率
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/81426957.html, 太阳能电池的发展历史 作者：张金晶 来源：《商情》2016年第26期 【摘要】相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源，太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点，成为最具有发展前景的能源之一。目前，随着太阳能电池制备技术的不断完善，其技术的开发应用已经走向商业化、大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。 【关键词】太阳能单晶硅薄膜电池 引言：随着社会的飞速发展，能源是影响当今社会进步的重要因素，但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡，并且不可再生，而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源，可以提供充足的能量供人类使用，因此开发新能源，是人类社会薪火相传，世代相传的重要保证。 此外，不可再生能源的过快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应，臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响，不仅阻碍了人类经济的飞速发展，而且还严重影响到社会的可持续发展。因此，发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。 1. 第一代太阳能电池 第一代太阳能电池是发展时间最久，制备工艺最为成熟的一代电池，一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多，商业前景最好。 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低，稳定性也比较好，这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高，它达到的最高的光电转换效率为21.9%，但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。 2.第二代太阳能电池
关于硅和砷化镓太阳能电池组件在热性能方面的综述 摘要： 本综述总结了近年来在结晶和非晶硅太阳能电池组件领域获得的温度性能。它给出了一个通用的结果分析和评论的应用程序构建集成光伏(PV)热系统,将光能转化成电能,热能等。空气冷却和水冷却以及“混合式”光伏热太阳能收集器也被提及到。本文还包括非晶硅太阳能模块在塑料薄膜,薄膜太阳能电池等方面的灵活应用以及对将来这方面的展望。其主要包括对光伏模块传热机制的实验结果的分析。 关键词：太阳能电池;光伏；太阳能;能量转换;混合系统 目录 1.介绍﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4０8 1．１．太阳能电池早期研究的回顾﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒408 １.2.半导体硅和砷化镓的温度上限﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41０ 2.高温太阳能电池和组件的影响：理论背景﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１1 2．1.热对硅太阳能电池的输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１
１ ２.2.硅太阳能电池的温度系数﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411 ２.2.1.短路电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１1 2.２.2.暗电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41２ 2．2.3.开路电压﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒412 2.2.４．输出功率﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒４１２ 2.3．照明光源对输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4 １3 3．光伏热电混合太阳能系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 4１3 ３．1．空气冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１4 3．2.水冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41４ ３.２.1.冷却组件中的输出温度﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒
太阳能电池发展现状及存在的主要问题 晨怡热管2008-10-17 23:05:45 一、2005年国际太阳能电池产业发展情况 2005年，世界太阳能电池总产量1656MW，其中日本仍居首位，762M W，占世界总产量的46％，欧洲为464M W，占总产量的28％，美国156M W，占总产量的9％，其他274MW，占总产量的17％。 2004年全球前14位太阳能电池公司总产量达到1055MW，占当年世界总产量的88.3％，近五年来，日本Sharp公司一直领先，2004年产量达到324MW，见表1。
以2004年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98％，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6％，多晶硅太阳能电池占总量的56％，见表2。
2005年，世界光伏市场安装量1460M W，比2004年增长34％，其中德国安装最多，为837MW，比2004年增长53％，占世界总安装量的57％；欧洲为920MW，占总世界安装量的63％，日本安装量292M W，增幅为14％，占世界总安装量的20％；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7％，其他安装量为146M W，占世界总安装量的10％。
至2005年全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10亿美元。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2005年全世界硅原材料供应增长了12％，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25％。持续的硅材料紧缺将对2006年太阳能电池生产产生较大的影响，预计2006年世界太阳能电池产量的增幅将不限制在10％左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5年以上的时间。 根据光伏市场需求预测，到2010年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G到3.9GW之间，而光伏工业年收入将达到186美元到231亿美元。 日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV发展路线图。 按日本的PV路线图（TV Roadmap 2030），到2030年PV电力将达到居民电力消耗的50％（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表3和表4。
非晶硅薄膜太阳能电池基础知识 一、优点： 1.光谱特性好（弱光性好、光谱吸收范围宽） 2.温度特性好（温度上升时电池效率下降很小） 3.成本能耗低（硅用量少:2um、生产温度底：200度） 4.生产效率高（连续，大面积，自动化生产） 5.使用方便（重量轻,厚度薄.可弯曲,易携带） 6.无毒无污染、美观大方 缺点： 二、非晶硅薄膜太阳能电池的四个效应： 1.光电效应 2.光致衰退效应（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,简称为S-W效应） 3.边缘效应（边缘效率比中心效率低） 4.面积效应（面积越大，效率越低） 三、结构 1.一般结构 2.非晶\微晶硅叠层结构
衬底：玻璃、不锈钢、特种塑料 TOC ：透明导电氧化膜（要求：透光性>80%、表面绒面度12~15% 面电阻R 9~13 Ω ） 四、原理 非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光层（i 层）能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb 的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P 边，电子漂移到N 边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb 相反，当VL = Vb 时，达到平衡; IL = 0, VL 达到最大值，称之为开路电压Voc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc ，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL 和光电流IL 。其I--V 特性曲线见图 3 SiO2(20~40nm) TCO(700~1000nm) a-si(~300nm) SiO2(100nm) μc-Si (~1.7μm ) AZO (~100nm) Ag (130~200nm)
薄膜硅太阳能电池的研究状况 摘要：薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。本文主要总结了提高薄膜硅太阳能电池效率的主要技术与进展，如TCO技术、窗口层技术、叠层电池技术和中间层技术等，这些技术用在产业化中将会进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。 一引言 在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。 当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。 但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本。本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电池的研究现状。 二、提高薄膜硅太阳能电池效率的措施 提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；提高电池的开压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（?c-Si）的开压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。我们将从这几个方面介绍提高薄膜硅电池效率的方法。 （一）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收 对于单结薄膜硅太阳能电池，提高其对光的吸收将提高电池的电流密度，对电池效率将产生直接的影响。Berginski等人通过实验结合模拟给出了提高电池对光的吸收途径，如图1所示：可以看出薄膜硅电池的前电极对光的吸收、折射率的错误匹配、窗口层对光的吸收、背反电极吸收损失以及玻璃反射都会减少电池对光的吸收，因此提高电池的光吸收可从这几个方面着手。
能源产业中的高分子之聚合物太阳能电池 刘大柯 摘要由于环境污染和能源危机日益加重，太阳能在能源产业中异军突起，成为能源领域的新星。太阳能是一种理想的新能源，清洁、干净、无污染，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，充满了诱人的前景。将太阳能转换为电能是解决环境污染和能源危机的重要途径之一，因此各类太阳能电池的研发和推广在世界各国备受关注。在目前商品化的太阳能电池市场中，尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位，但聚合物太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一。柔性聚合物太阳能电池具有质轻、制作工艺简单、成本低等特点，现已成为近年太阳能利用方面研究的热点。有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。文章综述了聚合物太阳能电池的基本原理,器件构型，电池材料及制备工艺，最后对柔性光伏器件的应用前景和商业化趋势进行了展望。 关键词能源聚合物太阳能电池工作原理给体受体 0.引言 新世纪以来，随着我国国民经济的快速发展，能源消费总量也在急速增长2011年我国能源消费总量已达34.8×108t标准煤[1]，与美国相当。。庞大的能源消费总量给我国的“能源安全供应体系”和“环境保护工作”带来了沉重的压力。一方面，由于自有能源不能满足消费需求，我国有大量能源需要从国外进口，据海关总署统计，2011年我国石油和煤炭的进口量分别达到2.53×108t和1.82×108t[2]，能源供应的整体“对外依存度”较高。另一方面，在我国能源消费结构中，近90%是传统化石能源[3]。这些化石能源在燃烧利用过程中向大气层及自然环境排放大量的温室气体、有毒有害物质和粉尘，严重影响了人们的生命安全和健康。当前，探索和开发其他新兴能源利用方式，解决日益严重的能源短缺和环境污染等问题，成为我国社会各界共同关注的话题。 在诸多新兴能源利用方式中，太阳能光伏发电被认为是最有前途的方式之一。然而目前占主导地位的光伏技术主要基于无机硅材料，其高昂的材料制备成本以及高能耗的加工工艺限制了它的广泛应用，并且其生产过程中的产生的大量副产物四氯化硅对于环境污染极大。聚合物太阳能电池制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好，可以利用先进的卷对卷以及喷涂打印技术进行大规模生产，并具有柔性，可以加工成为半透明器件，易于携带，生产过程中能耗低，环境污染少[4]，因此其具有更加广阔的应用前景。
《物理演示实验》结课论文题目：太阳能电池的发展与趋势 学生姓名： 学号： 专业班级： 2013年 5月25日
摘要：现代社会应是节约型的社会，而社会生活也应是节约能耗的生活。而太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国世界上能源探究工作中的一个重要课题。是我国在经济目前状况下采取的较为简单、经济、环保、可靠的节能办法。近些年，随着我国经济的飞速发展、科技水平的快速提升，太阳能技术已逐渐普及、应用到各个行业领域乃至人们的生活中，而市面上也涌现出了大量的太阳能热水器、太阳能发电设备、太阳能照明器具等产品。其中，太阳能电池的应用，不仅充分发挥了太阳能技术环保、节能、可再生的特点，同时也有效满足了当代社会发展、科技进步的需求。本文就太阳能电池新发展的新概念及新的方向作简要的分析、探讨。 关键字：太阳能新能源太阳能电池 一、引言 太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随时间、地理纬度、气候变化，实际可利用量较低，但可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗及2100年后规划的能源利用量?。地球上太阳能资源一般以全年总辐射量[kJ/(m^2·年)]和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量3．3×10^3～8．4×10^6 kJ/(m^2·年)之间，相当于2．4×10^4亿t标煤，属太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积2／3以上地区年日照时数大于2200h，日照在5×10^6kJ/(m^2·年)以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其他地区为资源较富和中等区，所以在我国太阳能有很大的发展前景。 随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。通过对太阳能电池的发展背景、现状进行分析，可将太阳能电池发展的新概念、新方向归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池。 二、太阳能电池概况 1、太阳能电池定义 太阳能电池就是把太阳光转化为电的一种器件，在一般的情况下（注意条件），太阳能电池 的效率随光强增加而增加的。再进一步说就是太阳能电池效率和安装地的综合气候条件有关系。2、太阳能电池的分类 不同的材料对光的吸收系数不同，禁带宽度也不同，量子效率自然也不同，电池效率自然也 不同了。一般来说，单晶硅/多晶硅对光的系数系数远小于非晶硅的，所以非晶硅太阳能电池厚度仅仅有单晶硅/多晶硅厚度的百分之一即可较好的吸收太阳光。另外理论上讲GaAs太阳能电池的极限效率要大于其他太阳能电池的极限效率，因为GaAs太阳电池的禁带宽度在1.4ev，和地面太阳光光谱能量的最值最为接近。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池3、功能高分子材料制备的太阳能电池4、纳米晶太阳能电池等。硅是最理想的太阳能电池材料，这是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。在以上电池中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，光电转化效率可达23.3%。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。目前国际成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、CdTe电池、CIS 电池的制造技术、III-V族化合物半导体高效光电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜光电池等方面。 三、太阳能电池发展综述 长期以来，世界各国在大力发展经济的同时，各行业领域的过度生产消耗了大量的能源，倘若继续按照此种趋势发展，在未来的五十年里，能源危机将是影响人类生活、阻碍社会进步的首要问题。目前，不同国家、地区、种类的全部能源中，能够使用的化石能源占90%以上，若是以现阶段世界各国的能源消耗状态发展到二十一世纪的中期，可供使用的能源储备、化石能源所占比例将减少近50%，之后的能源需求必将是以可再生能源、核能为主。基于此种趋势，预计到2100年，在人类所使用的能源中，可再生资源将占有30%以上。可供开发、使用的可再生能源主要有地热能、生
JACS 2009.9.29 星期三 出版 一种高效聚合物太阳能电池的平面共聚物 Ruiping Qin, Weiwei Li, Cuihong Li,Chun Du, Clemens Veit,Hans-Frieder Schleiermacher,Mattias Andersson, Zhishan Bo, Zhengping Liu, Olle Inganas, Uli Wuerfel, and Fengling Zhang, Institute of Chemistry CAS, Beijing 100190, China, Department of Physics, Chemistry and Biology, Linko¨ping Uni V ersity, SE-58183, Linko¨ping, Sweden, College of Chemistry, Beijing Normal Uni V ersity, Beijing 100875, China, and Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Heidenhofstrasse 2, 79110 Freiburg, Germany 最近，功率转换效率（PCE ）为6.1%已经被证实1了，这使得聚合物电池商业化更具有鼓舞性和希望了。在实现高效率的聚合物太阳能电池中聚合物的设计和加工设备都起到了重要作2用。值得注意的是聚合物的光学和电子性能可以通过调节来符合设备的要求。可吸收材料的设计：HOMO ，LUMO 的位置；以及聚合物的转移性，所有这一切都是基于吸收太阳能辐射光子,产生自由载流子,在相应的电极收集它们的。聚（3己基噻吩）（P3 HT ）已经被证实是在聚合物本体异质结太阳能电池中的最成功的电子给体之3一。P3 HT 的均一性在太阳能电池的性能中起着重要的作4用。均一性不好的P3HT 的功率转换效率4c 低。为了更好的与太阳能光谱匹配，许多低带隙聚合物合成并且用在聚合物太阳能电池5上；然而只有少数几种聚合能达到高于65%的功率转换效率。可能是由于聚合物的非平面结构而导致低效率的，这种结构在固态时对聚合物链的紧密堆积是不利的。 在这里，我们提出了一种方案来设计更好的链堆积平面聚合薄膜以促进用于光伏应用的载流子迁移。 一种共聚物，聚（2-（5-（5,6-二（辛氧基）-4 -（噻吩- 2 -基）苯并[C][1，2,5] 噻二唑-7-基）噻吩-2—基）-9-辛基-9H-咔唑）（HXS-1）已经被设计出来了，合成并且用于太阳能电池。把五个以和PC71BM 混合的聚合物太阳能电池取平均值，得出短路电流（Jsc ）为9.6mA/c ㎡，开路电压(Voc)为0.81 V,填充因子(FF)为0.69, 在AM1.5(100 mW /ｃ㎡)下 PCE 为5.4%。在 (Jsc)=9.6ｍＡ/ｃ㎡的条件下FF 为0.69时表明HXS-1:PC 71BM 有一个平衡的电荷迁移,使HXS-1成为一个在太阳能电池应用方面具有前景的聚合物。 高载流子迁移率要求共轭聚合物链紧密堆积形成膜。这是非常重要的设计和合成能在固态时紧密堆积并有很好的加工性能的聚合物。可溶性共轭聚合物通常情况下带有柔性侧链；然而，在许多情况下，侧链可以防止聚合物主链紧密堆积。为了实现平面聚合物构象，把HXS-1设计成在苯并噻唑环上有两个辛氧基链咔唑环上有一个辛基链。在高温下柔性的烷基链使聚合物溶于有机溶剂，同时聚合物链可以有一个平面构象。在方案1中已经指出了 HXS-1的合成。从4,7-二溴-5,6-二（辛氧基）苯并—2,1,3-噻二唑71（），与4,4,5,5-四甲基-2- （噻吩- 2 -基）-1,3,2-醇酯以钯（PPh 3）4作为催化剂，在NaHCO3水溶液、THF 中耦合反应生成化合物2的产率为41%。用NBS （N-溴代丁二酰亚胺）溴化2制得3的产率为88%。 3和2,7-二（4,4,5,5-四甲基—1,3,2-dioxaborolan-2-基）-9-辛基-9H-咔唑84（）以 [Pd]作为催化 剂前体在双相混合物四氢呋喃-甲苯（5 : 1）/碳酸氢钠溶液中发生Suzuki-Miyaura-Schluter 缩聚反应生成产量为69%黑色固体的聚合物HXS-1。 方案1 合成HXS-1