硅基薄膜等离子太阳能电池

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3/17/2014,#,等离子体硅基薄膜太阳能电池,1,、背景,2,、原理,3,、研究成果,4,、现状与趋势,背景一：,1,、化石燃料日益匮乏,2,、环境日益恶化,3,、太阳能资源未得到充分利用,40min,VS,一年,背景二：,1,、使用原材料少、环境友好、工艺成熟 度高及柔性可弯曲等特性。,电池对光谱吸收不足 降低了光电转化效率,2,、降低生产成本、减少载流子复合率,原理：,光电池原理：,消逝波：,等离子波,硅基薄膜对太阳光谱的吸收,纳米线、纳米光柱 表面缺陷、非共形沉积,金属等离子体提高薄膜太阳能电池转换效率,1,、散射,2,、局域等离子共振效应,3,、表面等离子体,波,研究成果：,2008,年,K.R.Catchpole,和,A.Polman,K.Ostrikov,2009,年,S.Mokkapati,等人通过在硅薄膜太阳能电池底面设计一层方形的,Ag,纳米颗粒，通过改变粒子的大小和周期，可以有效的提高红外部分的光吸收。,2009,年,Ragip A.Pala,等人通过在,Si,薄膜上表面的,SiO2,设计一层一维周期,Ag,光栅结构，通过计算，这种结构相对于单层硅薄膜太阳能电池的短路电流可以提高,43%,。,2011,年,Spinelli,等人仿真计算了通过在,Si,基底上的,Si3N4,减反层上设计一层周期,Ag,纳米颗粒使得在,300-1100nm,波段的光吸收相对于无纳米颗粒的情况下提高了,50%,。,现状与趋势,几种太阳能电池简介,多晶硅薄膜太阳能电池,德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在,FZsi,衬底上制得的多晶硅电池的转换效率为,19,，日本三菱公司用该法制备电池，效率达,16.42,。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。,碲化镉,(CdTe),薄膜太阳能电池,碲化镉,(CdTe),材料成本低、效率高，且光谱响应与太阳光谱吻合。碲化镉半导体光伏材料理论转换效为,30,。如同其它镉化合物，碲化镉被认为是有毒物质，但只要不经口服或呼吸方式进入人体，碲化镉对人体的危害有限。美国能源部指出，碲化镉太阳能模块只要经过适当回收程序处理，并不会对环境产生危害，其对环境的影响与镉金属完全不同。,非晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜电池以较低的成本、简单的生产工艺以及灵活的应用方式，一直处于重要地位。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到,13,，创下新盼记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达,5MW,。美国联合太阳能公司,(vssc),制得的单结太阳能电池最高转换效率为,9.3,，三带隙三叠层电池最高转换效率为,13,。,铜铟镓硒,(CIGS),薄膜太阳能电池,CIS,是,CuInSe,的缩写，是一种,I-,族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。以,P,型铜铟硒,(CuInSe),和,N,型硫化镉,(CdS),做成的异质结薄膜太阳能电池具有低成本，高转换效率和近于单晶硅太阳能电池的稳定性。近年研究将,Ga,替代,CIS,材料中的部分,In,，形成,CulnlxGaxSe,：,(,简称,CIGS),四元化合物。由,ZnO,CdS,CIGS,结构制作的太阳电池有较高的开路电压，转换效率也相应地提高了许多。,CIGS,电池在实验室已经达到,19.9,的转换率，远高于其他薄膜电池。,有机薄膜太阳能电池,有机薄膜太阳能电池为使用有机半导体的,p-n,接合型太阳能电池。使用,n,型和,p,型的有机半导体，利用光照射,p-n,接合带隙产生电位差。与利用碘的氧化还原反应现象不同，色素增感型太阳能电池的原理与硅类太阳能电池相似。特点是材料和制造的成本较低，使用塑料底板就能制成柔性太阳能电池等。有机薄膜太阳能电池使用的有机半导体既有高分子类又有低分子类，制膜方法有蒸镀法和涂布法。其中，可行性最高的是使用高分子有机半导体的涂布法。硅半导体可以使用蒸镀法，但成本较高且工艺时间较长。涂布法可采用卷对卷等大量生产方式，有利于降低成本和缩短加工时间。日本国内的研究非常活跃。,染料敏化太阳能电池,1991,年瑞士洛桑联邦高等工业学院,(EPFL)Gr tzel,教授,1,在,Nature,上首次报导了染料敏化纳米薄膜太阳电池,(,以下简称为,DSSC),在,AM 1.5,模拟太阳光下获得了,7.1%,的总光电转换效率。,2004,年实验室,DSSC,的最高光电转换效率已达到,11.04%(AM1.5,100 mWcm-2)2,。它是一种高效、价廉的新型薄膜太阳电池。这种薄膜电池最吸引人的特点是其廉价的原材料和简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少，具有远大的应用前景。,量子点太阳能电池,量子点（,QuantumDots,QDs,）是准零维,(quasi-zerodimensional),纳米材料。粗略地说，量子点,3,个维度的尺寸均小于块体材料激子的德布罗意波长。从外观上看，量子点恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，即量子局限效应,(quantumconfinementeffect),特别显著。量子点有很多的优点：吸光范围可以通过调节颗粒的组分和尺寸来获得，并且可以从可见光到红外光；化学稳定性好；合成过程简单，是低成本的吸光材料；具有高消光系数和本征偶极矩，电池的吸光层可以制备得极薄，因此可进一步降低电池成本；相对于体相半导体材料，采用量子点可以更容易实现电子给体和受体材料的能级匹配，这对于获得高效太阳能电池十分关键。更重要的是，量子点可以吸收高能光子并且一个光子可以产生多个电子,-,空穴对（多激子效应），理论上预测的量子点电池效率可以达到,44%,。因此，量子点太阳能电池常常被称作第,3,代太阳能电池，具有巨大的发展前景。,Thank you,