太陽能電池研究進(jìn)展

1、太陽能電池材料的研究進(jìn)展,其,其,石油,煤,天然氣,其他,世界,中國(guó)和世界的能源結(jié)構(gòu),,能源枯竭 石油：42年，天然氣：67年，煤：200年 。 環(huán)境污染 每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸，并呈上升趨勢(shì)，造成 全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重 影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。,,中華人民共

2、和國(guó) 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì) 《中國(guó)新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》,中華人民共和國(guó) 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì) 《中國(guó)新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》,CxHy + O2 H2O + CO2 + SO2 + NOx,,石油短缺，對(duì)外依存度加大 1993年我國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)，2001年進(jìn)口依存度已經(jīng)達(dá)到34％，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，石油進(jìn)口量占整體石油需求量中的份額進(jìn)一步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)

3、到2020年將達(dá)到50％。太陽能風(fēng)能屬于本地資源，通過一定的工藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氫燃料，為各種移動(dòng)設(shè)備提供能源。,,可再生能源： 風(fēng)能；水能；地?zé)?；潮汐；太陽能?,潔凈能源： 與 石 油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì) 導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，也不會(huì)造成環(huán)境污染,資源豐富： 40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類

4、 一年的能量需求,使用方便： 同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。,太陽能電池已成為各國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要選擇,日本----93年實(shí)施“新陽光計(jì)劃”，涵蓋74年的“陽光計(jì)劃”、78年的“月光計(jì)劃”和89年的“地球環(huán)境技術(shù)開發(fā)計(jì)劃” ；97年宣布7萬太陽能光伏屋頂計(jì)劃，計(jì)劃到2010年安裝7600MWp太陽能電池,日本利用其電子技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)品，其產(chǎn)量已經(jīng)相當(dāng)于全

5、球產(chǎn)量的50%以上。英、荷、日、美等國(guó)企業(yè)基本壟斷了全球的光伏發(fā)電產(chǎn)品市場(chǎng)，其出口額占世界的貿(mào)易額的80%以上。,美國(guó)----提出了逐步提高綠色電力的發(fā)展計(jì)劃。主要是通過風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能源發(fā)電等來達(dá)到目標(biāo)，其中太陽光伏發(fā)電預(yù)計(jì)到2020年將占美國(guó)屆時(shí)發(fā)電裝機(jī)增量的15%左右，累計(jì)安裝量達(dá)到36GW，保持美國(guó)在光伏發(fā)電技術(shù)開發(fā)、制造水平的世界領(lǐng)先地位。,美國(guó)百萬屋頂計(jì)劃的內(nèi)容與目標(biāo),太陽能電池的發(fā)展,1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制

6、成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國(guó)的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星上。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場(chǎng)合進(jìn)入到地面應(yīng)用中?，F(xiàn)在太陽能電池的價(jià)格不到20世紀(jì)70年代的1%。預(yù)期10年內(nèi)太陽能電池能源在美國(guó)、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。目前，年均增長(zhǎng)率35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。,,,辦公樓與玻璃幕墻一體化的PV,太陽能屋頂系統(tǒng),無機(jī)太陽能電池,,,光生伏

7、特效應(yīng),光子入射：造成躍遷產(chǎn)生空穴－電子對(duì)。,電荷運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘：p-n結(jié)區(qū)內(nèi)形成的內(nèi)建電場(chǎng)。阻礙電子從n區(qū)向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴從p區(qū)向n區(qū)運(yùn)動(dòng)。,光電池：空穴、電子通過外電路復(fù)合，在電路中產(chǎn)生電流。,半導(dǎo)體中可以利用各種勢(shì)壘如pn結(jié)、肖特基勢(shì)壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù)電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過

8、金屬導(dǎo)線流向電負(fù)載。,太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖,轉(zhuǎn)換效率（h)＝,入射在電池表面的陽光的功率,負(fù)載中消耗的功率,,太陽能電池材料,主要材料,半導(dǎo)體表面涂層電極封裝,單晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有機(jī)半導(dǎo)體,金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物,金屬導(dǎo)體,玻璃、有機(jī)玻璃,,對(duì)材料的基本要求,,①能充分利用太陽能輻射，即半導(dǎo)體的禁帶不能太寬；②有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；③材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；④材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，材料的性能穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì),無機(jī)太陽能

9、電池的性能及應(yīng)用,硅材料,工業(yè)硅 （又稱：結(jié)晶硅或金屬硅）半導(dǎo)體用硅材料 含硅化合物（SiHCl3, SiH4） 太陽能用硅材料 半導(dǎo)體用多晶硅 太陽

10、能用多晶硅 （又稱：高純硅或超純硅） (Solar grade silicon)   單晶硅錠 單晶硅錠 多晶硅錠  

11、 各種硅片 單晶硅片 多晶硅片 各種半導(dǎo)體器件 單晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,各種太陽能電池的市場(chǎng)份額,2004年太陽能電池產(chǎn)量1,194.7MW，增長(zhǎng)60.6%，其中：,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝,1-1 單晶錠 1-1-1 CZ法 1-

12、1-2 FZ法1-2 多晶錠1-2-1 鑄造多晶硅1-2-1 EMC多晶硅1-3 非晶硅,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 CZ法,來源：CGS,,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 CZ法,1 熔化 2 穩(wěn)定 3 引晶 4 縮徑 5 放肩 6 等徑來源：CGS,,,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 FZ法,FZ 來源：CGS,,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝

13、 多晶澆注法,,,由于鑄錠中采用低成本的坩堝及脫模涂料， 對(duì)硅錠的材質(zhì)仍會(huì)造成影響。近年來電磁法（EMC）被用來進(jìn)行鑄錠試驗(yàn)，方法是投爐硅料從上部連續(xù)加到熔融硅處，而熔融硅與無底的冷坩堝通過電磁力保持接觸，同時(shí)固化的硅被連續(xù)地向下拉。目前該工藝已鑄出截面為220mmX220mm的長(zhǎng)硅錠，鑄錠的材質(zhì)純度比常規(guī)硅錠高。 我國(guó)可生產(chǎn)出220mmX220mmX140mm的硅錠。,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 多晶澆注設(shè)備

14、 HEM DSS,,,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 方法比較,太陽能用硅材料的生產(chǎn)工藝 硅片切割,,,常規(guī)的硅片切割采用內(nèi)圓切片機(jī)，其刀損為0.3一0.35mm，使晶體硅切割損失較大，且大硅片不易切得很薄。近幾年，多線切割機(jī)的使用對(duì)晶體硅片的成本下降具有明顯作用。多線切割機(jī)采用鋼絲帶動(dòng)碳化硅磨料來進(jìn)行切割硅片，切損只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的損傷小。,圓切割技術(shù)與線切

15、割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充而存在 　　（1）在新建硅圓片加工生產(chǎn)線上，規(guī)模在年產(chǎn)量達(dá)50噸以上硅單晶加工生產(chǎn)線，并且圓片品種主要針對(duì)較大數(shù)量集成電路用硅圓片時(shí)，切割設(shè)備選型可定位在線切割機(jī)上，同時(shí)大規(guī)模、單一硅圓片品種（主要指圓片的厚度規(guī)格品種）的太陽能級(jí)圓片加工，切割設(shè)備選型也可定位在線切割機(jī)上。厚度規(guī)格品種的多少，直接關(guān)系到線切割機(jī)排線導(dǎo)輪備件的多少。該排線導(dǎo)輪目前國(guó)內(nèi)無法配套，國(guó)外供應(yīng)商配套，價(jià)格較高。頻繁更換排線導(dǎo)輪增加了輔

16、助時(shí)間，還會(huì)增加線絲的浪費(fèi)。 （2）生產(chǎn)規(guī)模較小的生產(chǎn)單位或多品種硅圓片生產(chǎn)并具有較大規(guī)模的生產(chǎn)單位，在設(shè)備選型上，應(yīng)首先考慮選用內(nèi)圓切片機(jī)。,蘭州瑞德集團(tuán) X07 150-1型多線鋸切割機(jī),上海日進(jìn)下壓式NWS6X2多線鋼絲切割機(jī)下壓式NWS6X2多線鋼絲切割機(jī)可同時(shí)并列切割二支Φ6"×9"（φ152mm×230mm）硅晶棒，切割晶片最薄厚度為0.2mm。,技術(shù)進(jìn)展 直徑變化,,,技術(shù)

17、進(jìn)展 薄片技術(shù),,技術(shù)進(jìn)展 帶硅,用硅量 是常規(guī)工藝的½無須切片成本下降 >30%R&D同時(shí)拉制2條或4條帶硅厚度＜ 150 µm,,,,太陽能電池的分類 晶體硅太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)mc-Si 比例總體上升趨勢(shì)，但04年有所下降，從03年的61.3%下降至56%；sc-Si 比例止住了下降趨勢(shì)，由03年的26.9%上升至28.7%。而且同比增長(zhǎng)（71%），超過mc-S

18、i （46.8 % ）。如果包括a-Si/scSi ，則比例達(dá)到32.1%,同比增長(zhǎng)75%。Ribbon 比例由03年的0.9%,提高至3.4%，同比增長(zhǎng)502.9%； 晶體硅（包括mc-Si, sc-Si, a-Si/scSi和Ribbon）的比例近4年來變化不大，在91.1%—93.1%之間；,國(guó)內(nèi)太陽能電池用硅材料現(xiàn)狀 硅單晶產(chǎn)量,2004年單晶硅產(chǎn)量（噸）,近年來我國(guó)硅單晶產(chǎn)量,注：?jiǎn)尉Ч璁a(chǎn)量 及生產(chǎn)能力估算見附

19、件1,國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀趨勢(shì)及分析,和國(guó)外情況不同，我國(guó)太陽能用單晶硅的比例大大高于多晶硅。 形成的原因是：國(guó)內(nèi)廉價(jià)單晶爐設(shè)備優(yōu)勢(shì)；半導(dǎo)體硅單晶生產(chǎn)有一定基礎(chǔ)；技術(shù)門檻低。國(guó)內(nèi)太陽能硅材料產(chǎn)業(yè)存在的主要問題是：1 硅材料的發(fā)展偏重于單晶硅，而且是單晶硅錠。硅片加工能力嚴(yán)重不配套。企業(yè)價(jià)值鏈過短，缺乏企業(yè)發(fā)展所必需的獨(dú)立性和自主性，使企業(yè)的增值能力受到嚴(yán)重影響；多晶硅材料處于起步階段。2 產(chǎn)業(yè)價(jià)值

20、鏈仍存在嚴(yán)重脫節(jié)。單晶硅絕大部分出口；缺乏切片能力；電池片企業(yè)所需大量硅片幾乎都以賴進(jìn)口。作為一個(gè)企業(yè)其價(jià)值鏈的長(zhǎng)短雖然重要，但要根據(jù)企業(yè)的具體財(cái)力、技術(shù)能力和管理能力而定。而作為國(guó)家則必須考慮。,國(guó)內(nèi)太陽能硅片加工環(huán)節(jié)十分薄弱除保定英利新能源浙江精功光電配套多晶硅片加工外，太陽能單晶生產(chǎn)企業(yè)中只有晶龍有少量多線切割能力專業(yè)硅片加工企業(yè)目前僅一家，即鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技有限公司 。切割能力約為1000萬片/年,,我國(guó)多晶硅片 生產(chǎn)能力（M

21、W）,保定英利新能源有限公司垂直集成型，目前公司具有6MW 多晶硅片、10MW電池片、50MW電池組件的生產(chǎn)能力。 二期投資完成后,硅片的年生產(chǎn)能力將達(dá)到70MW，將新增DSS多晶硅鑄錠機(jī)20臺(tái),破錠機(jī)3臺(tái),多線切割機(jī)5臺(tái)。浙江精功光電有限公司（前身為浙江中意太陽能有限公司）原為中方與意大利ENITECHNOLOGIE 合資企業(yè)，多晶硅片生產(chǎn)能力2MW。有擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模至20MW 的計(jì)劃。,在建和籌建的多晶錠、片企業(yè)精功紹

22、興太陽能技術(shù)有限公司（籌建） 精功集團(tuán)與德國(guó)布萊斯-戴姆勒集團(tuán)(Preiss-Daimler)共同投資興建。引進(jìn)GT Sola設(shè)備和技術(shù)。一期10MW，二期將達(dá)20MW。力諾太陽能基地項(xiàng)目（濟(jì)南） 太陽能多晶硅片2500萬片，太陽能電池片50MW，太陽能電池組件50MW，太陽能電站10MW。 該項(xiàng)目第一期是利用現(xiàn)有土地和廠房，購(gòu)置多晶硅鑄錠爐5臺(tái)，1臺(tái)破錠機(jī)和1臺(tái)SD-B型線切割機(jī)等主要設(shè)備。年產(chǎn)量為多晶硅片500萬片

23、,第二期1000萬片，第三期2500萬片 （新疆新能源公司20MW硅片項(xiàng)目，資金籌措中）,非晶硅太陽電池,非晶硅太陽電池又稱“無定形硅太陽電池”，簡(jiǎn)稱“ a—Si太陽電池"。它是太陽電池發(fā)展中的后起之秀。非晶硅太陽電池的最大特點(diǎn)是薄，不同于單晶硅或多晶硅太極電池需要以硅片為底村，而是在玻璃或不銹鋼帶等材料的表面鍍上一層薄薄的硅膜，其厚度只有單晶硅片的1/300。因此，可以大量節(jié)省硅材料，加之可連續(xù)化大面積生產(chǎn)，能耗也低，成本

24、自然也低。由于電池本身是薄膜型的，太陽的光可以穿透，所以還可做成疊層式的電池，以提高電池的電壓。通常單晶硅太陽電池每個(gè)單體只有0．5伏左右的電壓，必須幾個(gè)單體串聯(lián)起來，才能獲得一定的電壓。非晶太陽硅電池一個(gè)就能做到幾伏電壓，使用比較方便。,非晶硅太陽能電池是最理想的一種廉價(jià)太陽電池。作為一種弱光微型電源使用，如小型計(jì)算器、電子手表等。非晶硅科技已轉(zhuǎn)化為一個(gè)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷售額在10億

25、美元以上。應(yīng)用范圍小到手表、計(jì)算器電源大到10Mw級(jí)的獨(dú)立電站。 其應(yīng)用涉及諸多品種的電子消費(fèi)品、照明和家用電源、農(nóng)牧業(yè)抽水、廣播通訊臺(tái)站電源及中小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a一Si太陽電池成了光伏能源中的一支生力軍，對(duì)整個(gè)潔凈可再生能源發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。,太陽能電池陣列轉(zhuǎn)換效率的提高對(duì)于空間系統(tǒng)有十分重要的意義‘它可以降低系統(tǒng)的重量，改善系統(tǒng)的搭載能力，減小軌道運(yùn)行的阻力。還可以降低系統(tǒng)的成本。,GaAs材料,CuInSe2材料,染料

26、敏化納米晶體太陽能電池,染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）（或稱Grätzel型光電化學(xué)太陽能電池）主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對(duì)電極以及電解質(zhì)等幾部分。,1991年，瑞士Grätzel M. 以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率。1998年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料的全固態(tài)DSSCs電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。目前，DSSCs的光

27、電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達(dá) 15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。,工作原理,,,,,Voc=1/q【（Ef）TiO2 －(E（R/R-）)】,當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，吸附在二氧化鈦光電極表面的染料分子受到激發(fā)由基態(tài)S躍遷到激發(fā)態(tài)S*,然后將一個(gè)電子注入到二氧化鈦導(dǎo)帶內(nèi)，此時(shí)染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)S+.注入到二氧化鈦層的電子富集到導(dǎo)電基底，并通過外電路流向?qū)﹄姌O,形成電流. 處于

28、氧化態(tài)的染料分子氧化溶液中的電子給體(此種在電解質(zhì)溶液中的電子給體),自身恢復(fù)為還原態(tài)，使染料分子得到再生。被氧化的電子給體擴(kuò)散至對(duì)電極,在電極表面被還原,從而完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。,影響電池光電轉(zhuǎn)化效率的因素,采光效率電子的注入收集效率,有機(jī)光敏染料的光吸收性能,有機(jī)光敏材料與納米微晶半導(dǎo)體材料的能級(jí)的匹配,電子在薄膜中的擴(kuò)散性能,研究進(jìn)展,敏化劑納米半導(dǎo)體材料電解質(zhì)其他方面……,敏化劑,吸收盡可能多的太陽光；

29、緊密吸附在納米晶網(wǎng)絡(luò)電極表面；（－COOH,-SO3H,－PO3H2等）與相應(yīng)的納米晶的能帶相匹配；激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)；具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性……,,敏化劑的種類,聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列聯(lián)吡啶釕系列（－COOH, -SO3H,－PO3H2，多核聯(lián)吡啶等）羧酸多吡啶酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列純有機(jī)染料系列無機(jī)化合物系列（窄帶隙半導(dǎo)體材料敏化）,N3,Black dye,,N

30、azeeruddin M.K, et al J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 6382.Nazeeruddin M.K, et al Chem. Commun., 1997, 1705-1706.,聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列,Hagfeldt A and Grätzel M, Acc. Chem. Res., 2000, 33, 269-277.,,Wavelength [nm],Black dye,N

31、azeeruddinM K and Gratzel M, J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 6382. Hagfeldt A and Grätzel M, Acc. Chem. Res., 2000, 33, 269.,N3和Black Dye 的性能比較,多核吡啶釕絡(luò)合物系列,Nazeeruddin M K and Gratzel M, J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 6382.

32、 Hagfeldt A and Grätzel M, Chim. Acta., 1990, 73, 778.,X = H, CH3, Ph, COOH, C6H4SO3-,,卟啉系列和酞菁系列,A. Kay and M. Gratzel, et al J. Phys. Chem., 1993, 97, 6272.M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech., 1998, 3, 39.,R =

33、 SO3-, OC5H11; M = H2, Zn, AlCl,Sayama K, et al Chem. Commun., 2000, 1173.,Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall η =4.2%,純有機(jī)染料系列（半菁染料衍生物）,Hara K, et al New J. Chem., 2003, 27, 783.,NKX-2311,NKX-2677,純有機(jī)染料系列（

34、香豆素衍生物）,,Capped semiconductor（殼合式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體）,Coupled semiconductor（偶合式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體）,無機(jī)化合物染料系列,目前，聯(lián)吡啶釕系配合物仍是性能最好的染料敏化劑，用得也最為廣泛。設(shè)計(jì)有特定結(jié)構(gòu)的、強(qiáng)吸收的、穩(wěn)定的染料分子，獲得高的電荷傳輸效率也是太陽能利用的一個(gè)方向。從微觀上認(rèn)識(shí)光伏太陽能電池及光催化反應(yīng)的本質(zhì)，開展原位表征和超快時(shí)間分辨技術(shù)研究光生電子的遷移傳輸規(guī)律，為人們?cè)O(shè)

35、計(jì)較高光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料及染料敏化劑提供理論指導(dǎo)。,納米半導(dǎo)體材料,金屬硫化物、金屬硒化物 、鈣鈦礦以及鈦、錫、鋅、鎢、鋯、鉿、鍶 、鐵 、鈰等的氧化物均可用作DSSCs的中的半導(dǎo)體材料. 1999 年,Guo報(bào)道了Nb2O5 染料敏化的太陽能電池. 2000 年,Poznyak 等人還報(bào)道了納米晶體In2O3 薄膜電極 的光電化學(xué)性質(zhì). 在國(guó)內(nèi),目前北京大學(xué)的研究者

36、們對(duì)各種染料敏化納米薄膜研 究得較多。在這些半導(dǎo)體材料中, TiO2 ,ZnO 和SnO2的性能較好.,納米TiO2 薄膜極材料,制備方法：溶膠凝膠法；水熱反應(yīng)法；濺射法；醇鹽水解法；濺射沉積法；等離子噴涂法；絲網(wǎng)印刷法等,微觀結(jié)構(gòu)（孔徑 氣孔率）,,,液態(tài)電解質(zhì)存在的缺點(diǎn),易導(dǎo)致敏化染料的脫附;溶劑易揮發(fā),與敏化染料作用導(dǎo)致染料降解;密封工藝復(fù)雜;載流子遷移速率很慢,在高強(qiáng)度光照時(shí)不穩(wěn)定;

37、存在其他氧化還原反應(yīng)……,固 態(tài) 空 穴 傳 輸 材 料,Grätzel 等人在1998 年用2 ,2’,7 ,7’-四(N ,N-二對(duì)甲氧基苯基氨基)- 9 ,9’-螺環(huán)二芴(OMeTAD ,如下圖所示) 作為空穴傳輸材料,得到了單色效率高達(dá)33 %的電池。,,Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583,面臨的主要問題,染料問題（現(xiàn)在公認(rèn)使用效果較好的N

38、3 制備過程較復(fù)雜,因而價(jià)格也比 較昂貴。因此,尋找低成本而性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)）納米材料（如何獲得制備方法簡(jiǎn)單、尺寸分布可控的納米材料？）電解質(zhì)及基體材料（為達(dá)到商業(yè)化的目標(biāo) 溶液電解質(zhì)要逐步用固體電解質(zhì)取代，以提高穩(wěn)定性和使用壽命）電池的串并聯(lián)問題……,第一步：二氧化鈦膜的制備,把二氧化鈦膠體涂敷在透明導(dǎo)電玻璃上。就象二氧化鈦膜一樣，透明導(dǎo)電玻璃上已經(jīng)事先鍍有一層透明導(dǎo)電膜（SnO2）,一調(diào)制

39、納米二氧化鈦漿料,二、在導(dǎo)電玻璃片上涂膜,三、用酒精燈烤干,第二步：利用天然染料把二氧化鈦膜著色,把新鮮的或冰凍的黑莓、山莓石榴籽或紅茶，用一大湯匙的水進(jìn)行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進(jìn)去進(jìn)行著色，大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進(jìn)去浸泡5分鐘，最后用乙醇沖洗，并用柔軟的紙輕輕地擦干。,第三步：制作反電極,電池既需要光陽極，又要一個(gè)對(duì)電極才能工作。對(duì)電極又叫反電極，是由涂有導(dǎo)電的Sn

40、O2膜層組成的，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的萬用表就可以判斷玻璃的哪一面是導(dǎo)電的，利用手指也可以作出判斷，導(dǎo)電面較為粗糙。把非導(dǎo)電面標(biāo)上‘+’，然后用鉛筆在導(dǎo)電面上均勻地涂上一層石墨。,第四步：注入電解質(zhì),注入含碘和碘離子的溶液作為太陽電池的電解質(zhì)，它主要用于還原和再生染料。,第五步：組裝電池,把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質(zhì)，然后把反電極的導(dǎo)電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯(cuò)開，以便利用暴露在外面的

41、部分作為電極的測(cè)試用。利用兩個(gè)夾子把電池夾住，這樣，你的太陽能電池就作成了。在室外太陽光下，可以獲得開路電壓0.43V ，短路電流1mA/cm2 。,樣 機(jī),我國(guó)染料敏化太陽電池的研究歷史,1、我國(guó)科研研究小組在九十年代中后期開始跟蹤研究該項(xiàng)技術(shù)，中科院和北大等高校率先在該項(xiàng)研究上取得較好的成績(jī)。 2、其中中科院等離子體所、化學(xué)所和理化所的研究小組在中科院院長(zhǎng)特別基金的支持下，開展了前期的跟蹤研究，同時(shí)于2000年6月，該項(xiàng)研究被中

42、科院列入中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目，并獲得相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)支持，中科院等離子體物理研究所和王孔嘉研究員分別為項(xiàng)目承擔(dān)單位和首席科學(xué)家，化學(xué)所和理化所為項(xiàng)目參加單位。 3、2000年10月，“低價(jià)、長(zhǎng)壽新型光伏電池的基礎(chǔ)研究” 項(xiàng)目列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃），中科院等離子體物理研究所和南開大學(xué)為項(xiàng)目承擔(dān)單位，王孔嘉研究員和耿新華教授為項(xiàng)目首席科學(xué)家，化學(xué)所、理化所、中科院研究生院、北工大等七個(gè)單位為項(xiàng)目參加單位，染料敏化納米薄膜太陽

43、電池作為項(xiàng)目研究的主要方向之一。,中國(guó)首個(gè)染料敏化太陽電池示范電站,建立在等離子體所內(nèi)的５００瓦規(guī)模的小型示范電站,有機(jī)太陽能電池,工作原理: 有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。 研究進(jìn)展: 美國(guó)加州伯克利分校科學(xué)家在2002年利用塑料納米技

44、術(shù)研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供0．7V的電壓。特點(diǎn)：價(jià)格低、易成型，通過化學(xué)修飾調(diào)控性能。,高分子光電轉(zhuǎn)換材料,?倍受關(guān)注的高分子材料為聚對(duì)苯乙撐（PPV）,光電池結(jié)構(gòu)： ITO/PPV/MgVoc=1.2V η =1％。,高分子光電轉(zhuǎn)換材料,基團(tuán)修飾：PPV MEH-PPVCa/MEH-PPV/ITOVoc =1.6V J

45、sc ＝6μA·cm－2 η= 1％,,高分子光電轉(zhuǎn)換材料,材料復(fù)合——功能耦合美國(guó)加州大學(xué) 俞剛博士 Heeger教授 電子給體（D）——MEH-PPV電子受體（A） —— C60Voc＝0.8VJsc＝1.53mA·cm－2,,高分子光電轉(zhuǎn)換材料,? MEH-PPV與另一個(gè)PPV的衍生物CN-PPV配合使用，組成D-A網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的光電池,Acceptor ——Donor,高分子光電轉(zhuǎn)換材料,ITO/ME