多酸在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

1、多酸在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用第1頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二一、背 景二、太陽(yáng)能電池的基本原理三、太陽(yáng)能電池的應(yīng)用四、太陽(yáng)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2頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二一、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(lái)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(wàn)桶來(lái)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

2、能源危機(jī)。因此，尋求高效清潔的可再生能源是世界各國(guó)的共同目標(biāo)。第3頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二太陽(yáng)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31024焦耳的太陽(yáng)能，如果開發(fā)地球表面所接收太陽(yáng)能的0.013%就足夠滿足當(dāng)前人類的能量需求了。太陽(yáng)能電池的歷史起源于1839年 法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光伏效應(yīng)” 。美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年首次成功地研制出單晶硅太陽(yáng)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(yáng)電池研究的熱潮，此后太陽(yáng)能電池被廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星、航天、軍事等領(lǐng)域。第4頁(yè)

3、，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二二、太陽(yáng)能電池的基本原理太陽(yáng)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(chǎng)，成為電荷運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘。第5頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二 當(dāng)太陽(yáng)光入射到太陽(yáng)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(chǎng)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6頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二三、太陽(yáng)

4、能電池的應(yīng)用第7頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二交通設(shè)施交通/鐵路信號(hào)燈交通警示/標(biāo)志燈高空障礙燈第8頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二通信方面光纜維護(hù)站小型通信機(jī)信號(hào)發(fā)射塔第9頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二建筑設(shè)施第10頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二航空航天衛(wèi)星供電電池航天飛機(jī)供電探測(cè)器電池第11頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二家電方面手提燈節(jié)能燈充電器第12頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二太陽(yáng)能汽車第13頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月

5、20日，23點(diǎn)19分，星期二四、太陽(yáng)能電池的分類根據(jù)所用的半導(dǎo)體材料，太陽(yáng)能電池可分為:硅基太陽(yáng)能電池；化合物薄膜太陽(yáng)能電池；染料敏化太陽(yáng)能電池；聚合物太陽(yáng)能電池四大類。第一代：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч鑳煞N，大約占太陽(yáng)能電池產(chǎn)品市場(chǎng)的89.9。其中，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)到1820，但生產(chǎn)成本高。第14頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二第二代太陽(yáng)能電池。即：非晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜硅太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池以及多結(jié)太陽(yáng)能電池。極大的降低電池原材料生產(chǎn)的成本。第三代太陽(yáng)能電池。即：染料敏化太陽(yáng)能電池、聚合物（有機(jī)）太陽(yáng)能電池，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)電池的原材料

6、成本，同時(shí)，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電池的生產(chǎn)工藝。第15頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二各類太陽(yáng)能性能的比較第16頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二種類材料太陽(yáng)能單電池效率太陽(yáng)能電池模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)硅基太陽(yáng)能電池單晶硅1524%1320%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1017%1015%化學(xué)氣相沉積法液相外延法濺射沉積法無(wú)效率衰退問(wèn)題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅813%510%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17頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星

7、期二種類材料 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(yáng)能電池砷化鎵19 32%2330%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1015%710%銅銦硒1012%810%真空蒸鍍法和硒化法價(jià)格低廉性能良好工藝簡(jiǎn)單原材料來(lái)源比較有限染料敏化太陽(yáng)能電池811%58%溶膠凝膠法水熱反應(yīng)濺射法成本低廉工藝簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池35%處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短第18頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar cells，簡(jiǎn)稱DSSC

8、) ，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(guò)染料來(lái)實(shí)現(xiàn)，再通過(guò)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率來(lái)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(yáng)能電池的1/5-1/10左右,為人類推廣利用太陽(yáng)能電池提供了方便。第19頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二染料敏化太陽(yáng)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20頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二(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

9、 FTO（摻氟的 SnO2）、ITO(氧化銦錫)等。(2)光陽(yáng)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(wú)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21頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二(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(lái)作為對(duì)電極。（1）單色光轉(zhuǎn)化效率（incident photonelectron conve

10、rsion，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(cè)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(cè)出的電流密度。染料敏化太陽(yáng)能電池的重要參數(shù)第22頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二（4）填充因子FF：最大輸出功率Pm與極限輸出功率（JscVoc）的比值。（5）效率 ：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23頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二五、多酸/半導(dǎo)體光伏電池的構(gòu)建及性能研究(1)多酸/T

11、iO2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24頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二第25頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二1991年，瑞士格雷策爾 (Grtzel)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(yáng)能電池，在AM1.5的太陽(yáng)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 (Grtzel)教授課題組將此類電池的光電轉(zhuǎn)

12、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?gòu)?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(lái)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26頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二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(yáng)能電池的新型界面層。圖1第27頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二經(jīng)過(guò)煅燒，多酸的特征峰并沒(méi)有消失，說(shuō)明煅燒后PW12仍

13、然穩(wěn)定存在。圖2第28頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二圖3(PW12)-TiO2薄膜在240 nm處的吸光度隨著層數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，說(shuō)明PW12和TiO2被均勻的吸附到復(fù)合膜中。圖1第29頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二圖4與空的FTO相比,(PW12/TiO2)n/FTO的透過(guò)率更好，這是由于LBL之后玻璃表面更平滑。第30頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二可以看到粒子的分布均勻沒(méi)有聚集顯現(xiàn)，估算出膜大約厚度為 35 nm。圖5第31頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二表1由表可知，性能最

14、好的是帶有(PW12/TiO2)3界面層的DSSC。第32頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二開路電壓衰減法（OCVD）是測(cè)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 0.20.65 V范圍內(nèi)，帶有界面層(PW12/TiO2)3的電池顯示出了最長(zhǎng)的電子壽命。這說(shuō)明(PW12/TiO2)3界面層有著可以接受電子，減小復(fù)合的作用。 第33頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二圖7圖7為單色光轉(zhuǎn)化效率曲線。在波長(zhǎng)短波長(zhǎng)400520 nm范圍內(nèi)和中波長(zhǎng) 600650nm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

15、度的提高。第34頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二圖8在連續(xù) 300 小時(shí)的測(cè)試下電池的Jsc、Voc、FF、 參數(shù)都沒(méi)發(fā)生明顯的變化，表明電池的穩(wěn)定性良好。第35頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二圖7第36頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二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37頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)1

16、9分，星期二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(yáng)能電池領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但是單純的ZnO薄膜對(duì)太陽(yáng)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(kù)”，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(lái)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38頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑熱方法, 首次合成了含有多酸(H3PW12O40)的ZnO

17、納米粒子，并將其作為染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極。王恩波老師課題組ZnOOW第39頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二在 700-1200 cm-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(guò)靜電引力被吸附在氧化鋅納米粒子表面。第40頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二XRD圖與ZnO的JCPDS 卡片 no.361451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41頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二由圖b可知，化合物1的的平均粒徑為60 nm，由圖d可知，空白組的平均粒徑為

18、40 nm，由此可以證明(H3PW12O40)的存在。4第42頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二第43頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二第44頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二第45頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二測(cè)得的光電轉(zhuǎn)換效率比不含多酸的ZnO納米粒子光陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池方面會(huì)有更大的發(fā)展。第46頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)19分，星期二參考文獻(xiàn)1 王詩(shī)銘.多金屬氧酸鹽-TiO2復(fù)合膜在光伏器件和電致變色器件上的應(yīng)用 研究D. 東北師范大學(xué).2013.2 孫志霞.多酸/半導(dǎo)體復(fù)合膜的制備及其光電性能研究D. 東北師范