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高效太陽(yáng)能電池1內(nèi)容提綱一、動(dòng)機(jī)與背景二、Si基太陽(yáng)電池的效率現(xiàn)狀與提高途徑三、提高太陽(yáng)電池效率的幾種方法四、展望2一、動(dòng)機(jī)與背景能源枯竭的嚴(yán)重性尋求新能源的主要途徑自然能-風(fēng)力、熱力、水力生物能-儲(chǔ)能植物的開(kāi)發(fā)光學(xué)能-集光技術(shù)光化學(xué)能-光分解與光合成光電能-光電池3Si基光伏電池的重要性光電能的優(yōu)勢(shì)環(huán)保、綠色安全,直接使用占地面積小,不受地理位置限制可借用微電子成熟的半導(dǎo)體工藝品類豐富,效率不一,最高的III-V族疊層效率已到41.6%,c-Si
25%。Si基光伏電池的重要性:低成本、綠色化、資源豐富資源豐富:地殼中含量27%,居第二位(CIGS中In屬稀缺資源)綠色化:本身無(wú)毒無(wú)害,環(huán)境友好(CdTe薄膜中Cd有毒)低成本:Si的器件制作工藝相當(dāng)成熟問(wèn)題:每度電實(shí)際成本約1元,為常規(guī)煤電(0.6-0.7元)的2倍解決途徑提高效率:解決紫外、紅外約2/3光能的利用。降低Si的消耗:薄膜化、柔性化4太陽(yáng)電池基本原理
UNSWPERL晶硅太陽(yáng)電池,效率25%,面積20×20mm2電子、空穴輸運(yùn):沒(méi)有pn結(jié)!電子傳輸靠光陽(yáng)極(納米網(wǎng)絡(luò)電極)和電解質(zhì),空穴留在染料上不動(dòng)。人工制造的“樹(shù)葉”模擬葉綠體的光合作用,dreamintoreality敏化劑(葉綠素)+納米半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(類囊體,磷酸類酯膜)+氧化-還原電解質(zhì)光合作用模擬光合作用人工制造的“樹(shù)葉”傳統(tǒng)材料三位一體:集光吸收、光生載流子分離、輸運(yùn)于一體。DSC材料三權(quán)分立,單載流子輸運(yùn):光吸收(染料)電子、空穴分離與電子傳輸(納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)電極):電子注入到納米晶中,空穴留在染料表面,晶界阻擋電子與空穴的復(fù)合電子傳輸通道(固體電解質(zhì),氧化還原反應(yīng))陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的“電子泵”敏化劑分子吸收可見(jiàn)光,躍遷到激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定性,敏化劑分子與TiO2表面相互作用,電子注入到TiO2導(dǎo)帶,隨后進(jìn)入導(dǎo)電膜,輸出光電流。(帶有空穴)處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)中的碘離子I-還原回到基態(tài),而I-被氧化為I-3I-3被從陰極進(jìn)入的電子還原成I-,得到再生,構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。整個(gè)過(guò)程:表觀上化學(xué)物質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化,而光能轉(zhuǎn)化成了電能不同顏色的染料敏化電池柔性襯底上的染料敏化電池(Graetzel的結(jié)果)最好的單個(gè)DSC電池結(jié)果二、Si基太陽(yáng)電池的效率現(xiàn)狀與提高途徑Si太陽(yáng)電池的能帶圖,物理過(guò)程132.三類Si基太陽(yáng)能電池:c-Si,poly-Si,a-Si141.吸收的光子2.低能光子:無(wú)法吸收3.高能光子:熱電子弛豫損失類型研究水平產(chǎn)業(yè)水平文獻(xiàn)出處C-Si25%14-17%SolarCellEfficiencyTables(Version34),2009Poly-Si18%13-15%a-Si15.39%初始,13%穩(wěn)定a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H4-9%Shockley-Queisser效率極限
Efficiencyandcostprojectionsforfirst-,second-andthirdgenerationphotovoltaictechnology(wafers,thin-films,andadvancedthin-films,respectively)Source:UniversityofNewSouthWalesFirstgenerationPVtechnology–SiWaferSecondgenerationPVtechnology-ThinfilmsThirdgenerationofPVtechnology–Advancedthinfilms&Nanotech.高效率,低成本4.1疊層提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.1疊層日本Sharp35.8%(2009年10月)提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.1疊層硅量子點(diǎn)疊層4.1疊層疊層的變形-分光提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光聚光的優(yōu)點(diǎn):1節(jié)省電池2性能提高提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光疊層數(shù)量1234∞1個(gè)太陽(yáng)31.0%42.5%48.6%52.5%68.2%聚光40.8%55.5%63.2%67.9%86.8%提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.2聚光需求:跟蹤,散熱,高性能電池4.2聚光41.6%240個(gè)太陽(yáng)美國(guó)波音Spectrolab實(shí)驗(yàn)室2009年8月提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收A摻雜提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.3中間帶吸收B量子阱量子點(diǎn)4.3中間帶吸收C高失配合金提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用熱載流子電池(理論高效86%)提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生單結(jié)理論效率44%提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.4熱載流子利用多激子產(chǎn)生硅納米晶提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.5光子上轉(zhuǎn)換提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法4.5光子下轉(zhuǎn)換380nm激發(fā)451nm激發(fā)提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的五種方法疊層最成熟,目前最實(shí)用,但成本高聚光中間帶吸收研究最多,突破可能大熱載流子利用難度大光子上下轉(zhuǎn)換目前效率相當(dāng)?shù)?,電池?yīng)用上受其它限制多五種方法研究現(xiàn)狀總結(jié)六、展望全光譜響應(yīng)的實(shí)現(xiàn),Si基太陽(yáng)電池有望在10年內(nèi)達(dá)到50%的光電轉(zhuǎn)換效率,部分替代常規(guī)的電力供應(yīng),大范圍地滿足社會(huì)的需求。>50%的轉(zhuǎn)換效率<1mm的薄膜結(jié)構(gòu)
無(wú)盡豐富的Si資源(地球上含量>27%)
成熟的Si微電子工藝盡可能采用無(wú)排放的物理工藝
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