第0章_高效太阳电池.ppt

提高太阳电池转换效率的五种方法 4.4 热载流子利用 多激子产生 提高太阳电池转换效率的五种方法 4.4 热载流子利用 多激子产生 硅纳米晶 提高太阳电池转换效率的五种方法 4.5 光子上转换 提高太阳电池转换效率的五种方法 4.5 光子下转换 380nm激发 451nm激发 提高太阳电池转换效率的五种方法 叠层 最成熟，目前最实用，但成本高 聚光 中间带吸收 研究最多，突破可能大 热载流子利用 难度大 光子上下转换 目前效率相当低，电池应用上受其它限制多 五种方法研究现状总结 六、展望 全光谱响应的实现，Si基太阳电池有望在10年内达到50%的光电转换效率，部分替代常规的电力供应，大范围地满足社会的需求。 50%的转换效率 1mm的薄膜结构 无尽丰富的Si资源(地球上含量27%) 成熟的Si微电子工艺 尽可能采用无排放的物理工艺 10年后的供电单价可以现在的煤炭和石油的价费 是一种有保障、廉价的绿色的能源。 * 最高电池效率图 Si材料太阳辐射光谱利用图 * 单晶硅有效响应光谱：500-1000nm Breakthrough 全光谱吸收； 多重吸收路径； 多能级电池； 多重温度电池； 高效太阳能电池 * 内容提纲 一、动机与背景 二、Si基太阳电池的效率现状与提高途径 三、提高太阳电池效率的几种方法 四、展望 * 一、动机与背景 能源枯竭的严重性 寻求新能源的主要途径 自然能-风力、热力、水力 生物能-储能植物的开发 光学能-集光技术 光化学能-光分解与光合成 光电能-光电池 * Si基光伏电池的重要性 光电能的优势 环保、绿色安全，直接使用 占地面积小，不受地理位置限制 可借用微电子成熟的半导体工艺 品类丰富，效率不一，最高的III-V族叠层效率已到41.6%，c-Si 25%。 Si基光伏电池的重要性：低成本、绿色化、资源丰富 资源丰富：地壳中含量27%，居第二位（CIGS中In属稀缺资源） 绿色化：本身无毒无害，环境友好（CdTe薄膜中Cd有毒） 低成本：Si的器件制作工艺相当成熟 问题：每度电实际成本约1元，为常规煤电（0.6-0.7元）的2倍 解决途径 提高效率：解决紫外、红外 约2/3光能的利用。 降低Si的消耗：薄膜化、柔性化 * 太阳电池基本原理 UNSW PERL晶硅太阳电池， 效率25%，面积20×20mm2 电子、空穴输运：没有pn结！电子传输靠光阳极（纳米网络电极）和电解质，空穴留在染料上不动。 人工制造的“树叶” 模拟叶绿体的光合作用，dream into reality 敏化剂（叶绿素） +纳米半导体网络结构（类囊体，磷酸类酯膜）+氧化－还原电解质 光合作用 模拟光合作用 人工制造的“树叶” 传统材料三位一体:集光吸收、光生载流子分离、输运于一体。 DSC材料三权分立，单载流子输运： 光吸收（染料） 电子、空穴分离与电子传输（纳米晶半导体网络电极）：电子注入到纳米晶中，空穴留在染料表面，晶界阻挡电子与空穴的复合 电子传输通道（固体电解质，氧化还原反应） 阳光驱动的“电子泵” 敏化剂分子吸收可见光，跃迁到激发态 激发态不稳定性，敏化剂分子与TiO2表面相互作用，电子注入到TiO2导带，随后进入导电膜，输出光电流。 （带有空穴）处于氧化态的染料分子被电解质中的碘离子I-还原回到基态，而I-被氧化为I-3 I-3被从阴极进入的电子还原成I-，得到再生，构成了一个循环。 整个过程：表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能 不同颜色的染料敏化电池 柔性衬底上的染料敏化电池 （Graetzel的结果） 最好的单个DSC电池结果 二、Si基太阳电池的效率现状与提高途径 Si太阳电池的能带图，物理过程 * 2. 三类Si基太阳能电池：c-Si，poly-Si，a-Si * 1.吸收的光子 2.低能光子：无法吸收 3.高能光子：热电子弛豫损失 类型 研究水平 产业水平 文献出处 C-Si 25% 14-17% Solar Cell Efficiency Tables (Version 34)，2009 Poly-Si 18% 13-15% a-Si 15.39%初始，13%稳定 a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H 4-9% Shockley-Queisser效率极限 Efficiency and cost projections for first-, second- and third generation photovoltaic technology (wafers, thin-films, and advanced thin-films, respectively) Source: Un