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柔性太阳能电池

时间:2017-12-15 [] 浏览次数:

  柔性太阳能电池,是薄膜太阳能电池的一种,而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是BIPV(Building Integrated Photovoltaic,光伏建筑一体化),它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。

  太阳能电池原理

  在金属表面照射紫外光,可以发生光电效应。如爱因斯坦结束的那样,由于入射光的光子能量大于电子的束缚能,所以产生自由电子。太阳能电池的功能是把太阳光转换为电压和电流,是一种光电转换。光伏效应比光电效应的效率高得多。因为在发生光伏效应的太阳能电池中,2 种极性相反的半导体组成了p-n 结(p-n Junction),形成内建电场,驱动电子进入电路,在电路中形成电压和电流。如下图1 所示。

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  图1

  太阳能电池的基本机构,如图2 所示。P-n 结由两种极性相反的半导体组成。n 型半导体,是掺P 的Si 晶体,易于给出电子,是施主(donor)材料。p 型半导体,是掺B 的Si 晶体,易于获得电子,是受主(acceptor)材料。它们独立存在时,都是电中性的。当两种半导体连接在一起,电子从n 型半导体扩散到p 型半导体.在p型半导体靠近边界附近,形成负电荷区,在n 型半导体靠近边界附近,形成正电荷区。出现从n 型半导体指向

  p 型半导体的内建电场。扩散(diffuse)到p 型半导体的部分电子,又在内建电场作用下漂移(drift)到n 型半导体,最终p-n 结中电子的扩散和漂移达到热平衡。

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  图2 太阳能电池的结构

  当太阳光照射到P-n 结,如果光子能量hv 超过带隙的能量阈值,电子吸收hv,进入导带,如图2.3 所示。当一个价带电子进入导带,在价带中就留下一个空穴( hole),形成电子-空穴对。P-n 结中电子的扩散,形成了内建电场。所以,不管光生电子在n 型半导体中生成,还是在p 型半导体中生成,都会沿着内建场方向进入n 型半导体。这样,光伏效应形成的光生电场减弱了内建电场,光生电场和内建电场达到平衡后形成稳定的光生电流。被激发的电子通过和n 型半导体链接的负电极进入电路,在电路中的负载重做功后,回到和p 型半导体链接的正电极,电子和价带中的空穴复合,完成了整个光伏效应的过程。

  无机柔性太阳能电池

  晶体硅电池应用广泛,可靠性高,而且人们对其特性和原理有透彻的认识,所以一直是太阳能产业的主流。

  非晶硅(amorphous silicon, a-Si)柔性电池的厚度是晶体硅电池的1/300,可以进一步地降低原材料成本。非晶硅柔性电池的一个突破时1997 年提出的三结叠层电池结构,提高了转换效率和稳定性,稳定后的转换效率达到8.0%-8.5%。以美国United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性电池为力,非晶硅三结叠层电池结构包含了三层不同带隙的p-n 结吸收层,如图3 所示。顶电池用1.8eV 带隙的非晶硅a-Si,吸收蓝光。中间电池用1.6eV带隙的硅锗合金a-SiGe,吸收绿光,Ge 的含量为10%-15%。底电池用1.4eV 带隙的硅锗合金a-SiGe,为40%-50%吸收红光和红外光,Ge 的含量较高。太阳光依次通过三层半导体吸收层后,还有一部分没有被吸收的光线,经过Al/ZnO 的背反射层反射后,回到三层半导体吸收层,再进行一次吸收过程,背反射层起到陷光作用。这样非晶硅柔性电池可以更有效地吸收入射光,提高了转换效率和输出功率,在低入射光和散射光的条件下,性能更好。

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  图3 非晶硅柔性电池的三结叠层结构的作用

  铜铟镓硒柔性电池

  20 世纪70 年代中期, 人们开始研究铜铟镓硒( copper indium galliumdiselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜电池。CIGS 薄膜属于黄铜矿结构(chalcopyrite)晶体,其带隙可以调节。由于太阳能电池对带隙的要求是1~1.7eV,通过改变III 族阳离子In、Ga、Al 和VI 族阴离子Se、S 的含量,可以按照需要调节CIGS 的带隙。和非晶硅相比,CIGS 晶体内部缺陷少,性能更稳定,组件寿命达25 年。在组件使用过程中,铜离子的移动可以修复缺陷,因此组件性能会不断地提高,这和非精贵的光致衰退效应或S-W 效应(Staebler-Wronskieflect)恰恰相反。CIGS 柔性电池和薄膜电池同DdTe 薄膜电池有相似的结构:衬底、背电极、半导体吸收层和窗口导电层,如图4 所示。

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  图4 CIGS 薄膜电池的结构

  有机柔性太阳能电池

  在有机太阳电池(organic photovoltaic, OPV)中,有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴,混合后具有正电性,共轭聚合物(conjugated polymer)是典型的施主材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴,混合后具有负电性,富勒烯(fullerene,C60)是典型的受主材料。激子(excition)是被束缚的电子-空穴对,是受激后的准离子(quasiparticle)。受激后,电子和空穴分离,但是电子-空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引,由于库伦束缚而不能彻底分离,形成激子。激子有两种,瓦尔尼-模特激子(Wannier-Mottexcition)和弗伦克尔激子(Frenkel exciton)。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半导体中,被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态,库伦力较弱,在0.01eV 左右。弗伦克尔激子存在于有机介质的施主材料中,之间的库伦力较强,在0.3eV 左右。

  (1) 施主材料吸收太阳光,产生单线态激子。

  (2) 激子从施主材料,扩散到施主材料和受主材料界面,即施主-受主的异质结。

  (3) 电子被受主材料分子吸收,空穴留在施主材料中,这就是从激子到载流子的分离过程。分离过程很

  快,共轭聚合物—富勒烯系统中,分离过程仅为100fs。

  (4) 虽然激子分离成载流子,但是电子和空穴之间仍然有库仑束缚。分离后的库仑束缚较弱,复合寿命

  在ms 或um 量级。而前面也提到,单线态激子的复合寿命在ns 量级。

  (5) 分离后的载流子分别进入正电极和负电极,驱动外电路。

    染料敏化柔性太阳能电池

  早在20 世纪70 年代,人们就希望通过模拟光和作用,开发出新型太阳能电池。那时,人们在半导体晶体材料二氧化钛(titanium dioxide, TiO2)表面,包裹一层叶绿素(chlorophyll)染料。虽然提出了染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSC)的概念,但是由于电子在叶绿素中输运困难,转换效率只有0.01%。直到1991 年,瑞士化学家Michael Gratzel 运用纳米技术,才推动了染料敏化电池的实质性发展。Gratzel 把大颗粒的TiO2 晶体,替换成直径20nm 的小颗粒海绵状TiO2,外层包裹染料薄层,形成10um厚的光学透明薄膜。第一次制成的染料敏化电池,其转换效率就已经达到了7.1%,电流密度达到12mA/cm2。而现在,染料敏化电池转换效率的世界纪录是11%。

  在燃料敏化电池的结构中,光敏剂(photosensitizer)通过羧基(crboxyl,-COOH)、磷酸基(phosphonicacid,-PO3H2)或硼酸基(boronic acid –B(OH)2)功能团,覆盖在TiO2 颗粒表面,形成电荷转移络合物(chargetransfer complex),再浸泡在氧化还原介体(redox mediator)溶液中,TCO 玻璃和金属衬底分别作为阴极和阳极,如图5.10 所示。光敏剂吸收入射光,基态中的So 中的电子被激发到高能态S*,在fs 到ps 时间内,光敏剂中的电子进入TiO2 的导带,光敏剂失去电子,被氧化,成为S+。氧化还原介体从金属阳极得到电子,再对光敏剂提供电子,使之还原,回到So.TiO2 导带上的自由电子,通过TCO 阴极和电路,来到金属阳极,2 个电极之间形成电流,驱动电路中的负载。TiO2 半导体材料成本低廉、无毒环保、供应丰富。锐钛矿相(antase phase) 的纳米晶TiO2,用Pluronic 嵌段共聚物P123 的胶束模板,由溶胶-凝胶法(sol-gel-hydrothermal process)制备。400-500 摄氏度的退火去除了残留的交替,加固了TiO2 的多孔结构。锐钛矿相纳米晶TiO2 薄膜厚度5-20um,孔隙率为50%-75%,TiO2 颗粒直径15-30nm,空隙平均直径15nm,如图7 所示。燃料和电解液在孔隙中流动,可以和TiO2 充分地接触。TiO2 的多孔结构的粗糙洗漱>1000,使孔隙中的燃料更好地吸收入射光。TiO2 是一种应用广泛的材料,在牙膏、

  防晒霜、白色油漆等日化产品的成分中,都有TiO2,其特点有:

  (1) 成本低廉;

  (2) 来源丰富;

  (3) 易于生产;

  (4) 工艺成熟;

  (5) 特性透明,适合做窗口曾。

  在全世界各高校和研究机构中,相当一部分科学技术都可能永远不会离开实验室,来到寻常人的生活中个,原因有二:第一,成本太高;第二,实用性不强。为什么柔性太阳能电池却是一个例外呢?因为柔性电池能够走出实验室,进入大规模商业化、普及化阶段,完全克服了以上两点大多数实验室科学技术的不足。它不但成本低廉,还有如下独特的应用优势:1、柔软;2、尺寸随意;3、轻薄;4、安全;5、环保。从制备工艺上说,柔性太阳能电池运用了成熟的高速报纸印刷卷对卷技术,将半导体材料印刷到覆盖在卷筒表面的导电塑料或不锈钢箔片上,印刷技术节约了昂贵的原材料,并可在常压环境下生产,降低了生产成本。今年来,全球对可再生能源和可持续发展问题非常关注,在这样的大背景下,太阳能产业经过多次技术革新浪潮,产品更多元化,应用更广泛,而柔性太阳能电池作为太阳能产业的前沿代表,通过全球各研究机构和企业的不断努力,正以更多、更好、更廉价的方式进入更广阔的太阳能电池市场。