薄膜材料与技术小论文.doc

北京科技大学薄膜材料与技术小论文题目： 太阳能电池中的薄膜材料 课程名称： 薄膜材料与技术 学 院：材料科学与工程学院班 级：学生姓名： 学生学号：评 分： 日期： 摘要薄膜材料在提高太阳能电池的转换效率方面有着很大的作用。随着薄膜材料种类和制备工艺的发展，现在已经有很多种基于不同薄膜材料和工艺的太阳能电池，包括硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池等等。关键词太阳能电池 薄膜材料 染料敏化 应用一、太阳能电池简介太阳能在地球上分布非常广泛，储量巨大、稳定、持久、清洁无污染。太阳每秒向外太空辐射的能量约为3.8x1020兆瓦，而每年投射到地面上的太阳能约为1.05x1018千瓦时，相当于1.3x1015吨标准煤。按照目前太阳质量的消耗速率计，太阳内部的热核反应足以维持6x1010年，因此，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的。1太阳能电池是将太阳能转换为电能的一种装置，是太阳能光伏发电的基础，是利用光生伏打效应将光能转变为电能的器件。2目前，太阳能电池的种类很多，按照晶体结构可分为单晶、多晶、非晶及纳米晶系太阳能电池；按照结型分为PN结、MS结、MIS结太阳能电池；按照材料种类可分为晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池和光电化学太阳能电池等。二、薄膜材料在太阳能电池中的应用多元化合物薄膜太阳能电池（即硅基薄膜太阳能电池）是第二代太阳能电池，包括碲化铬（CdTe）、铜铟硒（CIS）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）等。这类电池的转化效率较高，达到18-20%，其成本较单晶硅低，易于大规模生产。但是，它含有的镉元素有毒且会污染环境，铟和硒等又均属于稀有元素，原料来源受限。以有机化合物和纳米技术为基础的新型薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、有机聚合物太阳能电池等。这类太阳能电池具有工艺简单、成本较低、材料来源广泛、理论光电转换效率较高等优势，因此受到了广泛的关注，是太阳能电池的又一发展方向。但是，它仍然存在一些问题，如转换效率仍不够高、材料的长期耐久性问题、大面积工艺技术等。2.1硅基薄膜太阳能电池2.1.1多结叠层硅基薄膜太阳能电池它是一种结构新颖的硅基薄膜太阳能电池，以纳米晶柱薄膜为核心技术。将不同光学带隙的纳米晶柱薄膜组成叠层薄膜电池，不但扩展了太阳光谱响应的范围，而且比a-Si：H（氢化非晶硅）和u c-Si：H有更高的光电转换效率。研究表明，由三个子电池硅构成的硅基薄膜太阳能电池采用陷光结构和最佳光学带隙匹配和厚度匹配，其效率可达到22.7%。更多结的叠层电池不但会增加生产成本，而且进一步提高光电转换效率将变得困难。3转换效率的制约因素主要来自于光生载流子的复合，包括膜层界面复合、掺杂层杂质电离复合、晶粒间界复合等。膜层界面复合是指组合电池中共有十余层界面，存在着很高的界面态密度，它们对光生载流子起复合中心的作用。发生复合的光生载流子对光电转换没有贡献。因此，叠层越多，复合率越高；掺杂层杂质电离复合是指掺杂层是光激发的“死区”，此处光生载流子复合率很高；晶粒间界复合是指晶界原子相对无序排列，其悬挂键如果不被氢原子饱和，也将成为光生载流子的复合中心。2.1.2大晶粒多晶硅薄膜太阳能电池为了提高光生载流子的激发和传输效率，要尽量做大晶粒尺寸、降低晶粒间界，以减少晶界复合损失。现在薄膜太阳能电池与多晶硅太阳能电池性能的差距来源于半导体材料的结晶品质。如果能获得接近多晶硅片结晶品质的多晶硅薄膜，制备光电转换效率达20%的多晶硅薄膜太阳能电池是很有希望的。2.1.3量子点太阳能电池这是更新一代的高效率太阳能电池。它的尺度介于宏观固体与微观原子、分子之间，典型尺寸为1nm-10nm，包含几个到几十个原子。由于荷电载流子的运动在量子点上受到三维限制，能量发生量子化。量子点具有很多新特性，例如具有高电导、可变化带隙、可变化光谱吸收特性等。量子点太阳能电池大大提高了光电转换效率，约为30%-40%，生产耗能比多晶硅电池减少20%。但是，目前尚有一些理论问题和工程技术难题需要解决。2.2新型薄膜太阳能电池新型薄膜太阳能电池是基于光电化学反应体系（光电化学电池）、利用光电化学原理设计的能量转化装置，包括染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池等。该类太阳能电池具有很多优点：对半导体材料的缺陷不敏感；液/固结易于形成；实现直接的光能-化学能转换，提高了能量转换效率等。2.2.1染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池（DSCs）主要由三部分构成：染料敏化的纳米晶多孔光阳极，载有催化剂的对电极和氧化还原电解液。其中，光阳极和对电极的载体可以为氟掺杂二氧化锡导电玻璃（FTO），柔性氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二酯/聚萘二甲酸乙二醇酯（PET/PEN）塑料薄膜，或者金属钛箔和不锈钢基板等。纳米晶多孔光阳极一般由金属氧化物纳米半导体材料如Ti02，Sn02，ZnO等组成的薄膜（粒子尺寸10-30nm，厚度10-20um，孔隙度50-60%），这些纳米材料具有较大的比表面积、吸附染料量较大，既作为染料光敏剂的载体又同时传输光生电子，使光生电子的产生和传输分离为两个阶段，有效提高了电荷的分离和收集效率。染料光敏剂一般是钌系配合物（N749，N3，N719）和有机染料等，染料光敏剂受到光激发后由基态变为激发态，向金属氧化物半导体的导带中注入电子，染料自身转变为氧化态。常用的对电极催化剂为贵金属Pt，Au等，以及近年来开发的碳材料和过渡金属碳化物、氮化物和氧化物的类铀材料等。对电极催化剂的作用是催化辅助氧化还原电解液中的离子进行还原反应。目前最常用的氧化还原电对仍然是I-/I3-，它将被激发的氧化态染料还原为基态，而使染料继续进行光生电子的产生和循环。同时，被氧化的I3-从对电极得到电子而被还原成I-，完成自身的氧化还原反应。其工作原理可以用一下方程表示，染料电池的各组成部分需要满足一定的关系：染料的LUMO能级高于半导体导带，使电子注入在动力学上可以进行；氧化还原电对的氧化还原电势高于染料的HOMO能级，使染料能够顺利再生。DSCs的光生电压由染料敏化半导体导带的能级和氧化还原电对的电势差决定。此外，微纳加工技术的应用可以在一定程度上提高染料敏化太阳能电池的效率。借助双光束激光干涉、水热和化学转换合成三种技术，可以制备出大面积均匀、排列方式和密度精确可调的图案化ZnO-ZnS核壳结构纳米棒阵列，经过图案化处理的ZnO-ZnS核壳结构纳米棒阵列大大提高了染料敏化太阳能电池的效率。42.2.2无机半导体量子点敏化太阳能电池（QDSCs）无机半导体量子点敏化太阳能电池的结构与DSCs相似，二者的差别是由无机半导体敏化剂（包括CdS、CdSe、PbS等）代替了DSCs中的染料光敏剂。相比而言，无机半导体敏化剂具有很多优点：染料的吸收范围较窄，而半导体量子点可以吸收大于或等于其禁带宽度的光子，这就可以使用单独一种无机光敏剂来吸收整个太阳光谱；（2）无机量子点的摩尔消光系数较高，而且由于它还可以利用多重俘获机理（multiple trapping model）将电荷传递出由敏化剂组成的薄膜，因此可以应用于较薄的氧化物薄膜;量子点的禁带宽度随其尺寸变化，发生量子限域效应。也就是说，可以通过连续的调节量子点的尺寸制作得到彩虹式吸收的太阳能电池。三、结语多元化合物薄膜太阳能电池多由稀有元素所参与制备，虽然效率较高，但从材料来源来看，这类太阳能电池很难占据主导地位。而染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的研究刚刚起步，短时间内不太可能替代硅系太阳能电池，但具有很好的发展前景。从转换效率和材料的来源来看，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，且正在逐渐成为市场的主导产品。参考文献1新型薄膜铜铟硒（CuInSe2）太阳电池的制备与性能研究，中科院上海微系统与信息技术研究所，陈晓科，2006.62纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究，大连理工大学，郭薇，2013.43纳米晶硅薄膜材料的技术发展，广西紫焱星光伏科技有限公司，吴大维等，2012.14微纳加工技术及其应用，北京科技大学，闫小琴，2014.5