資源描述:
《染料敏化納米晶太陽能電池》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、染料敏化納米晶太陽能電池第一章緒論1.1太陽能電池能源短缺與環(huán)境污染是目前人類面臨的兩大問題。傳統(tǒng)的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能維持五十至一百年。另外,由此所帶來的環(huán)境污染,也正在威脅著人類賴以生存的地球。而在人類可以預(yù)測的未來時(shí)間內(nèi),太陽能作為人類取之不盡用之不竭的潔凈能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染,且基本上不受地理?xiàng)l件的限制,因此太陽能利用技術(shù)研究引起了各國科學(xué)家的廣泛重視。太陽內(nèi)部每時(shí)每刻都在發(fā)生熱核聚變反應(yīng),進(jìn)行質(zhì)能轉(zhuǎn)換,向宇宙輻射的總功率約為3*1023kW,投射到地球大氣層之前的功率密度約為
2、1135kW/m2。太陽光進(jìn)入大氣層后,雖然大氣成分和塵埃顆粒的散射以及太陽光中的紫外線被臭氧,氧氣和水蒸氣吸收,但到達(dá)地表的功率密度仍有很大。如果太陽輻射維持不變,則太陽半衰期壽命還有7*1012年以上,可以說太陽能是取之不盡用之不竭的天賜能源。我國陸地2/3以上地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)大于2000h,太陽能相當(dāng)豐富。目前,太陽能的利用主要有太陽能電池發(fā)電和太陽能熱水器制熱。而在一些名勝古跡和公園已經(jīng)可以見到太陽能路燈了,為家庭住宅提供能源的太陽能發(fā)電系統(tǒng)(3kW)已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家作為示范工程而被推廣,用太陽能電池提
3、供動(dòng)力的汽車和游艇也已經(jīng)出現(xiàn)在人們的眼前。1.1.1太陽能電池的工作原理當(dāng)表面蒸發(fā)一層透光金屬薄膜的半導(dǎo)體薄片被光照射時(shí),在它的另一側(cè)和金屬膜之間將產(chǎn)生一定的電壓,這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng),簡稱光伏效應(yīng)。能將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電轉(zhuǎn)換器叫太陽能電池,在半導(dǎo)體P—N結(jié)上,這種光伏效應(yīng)更為明顯。因此,太陽能電池都是由半導(dǎo)體P—N結(jié)構(gòu)成的,最簡單的太陽能電池由一個(gè)大面積的P—N結(jié)構(gòu)成,例如P型半導(dǎo)體表面形成薄的N型層構(gòu)成一個(gè)P—N結(jié),見圖1.1.1。圖1.1.1P—N結(jié)太陽能電池原理示意圖太陽輻射光譜的波長是從0.3
4、μm的近紫外線到幾微米的紅外線,對(duì)應(yīng)的光子能量從4eV~0.3eV左右。由半導(dǎo)體能帶理論可知,只有能量高于半導(dǎo)體帶隙寬度(Eg)的光的照射,才能激發(fā)半導(dǎo)體中雜質(zhì)捕獲的電子通過帶間躍遷從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,生成自由電子和空穴對(duì),電子和空穴向左右極化而產(chǎn)生電勢差。因此,制造太陽能電池的半導(dǎo)體材料的帶隙寬度應(yīng)在1.1eV~1.7eV之間,由太陽光譜可知,最好是1.5eV左右。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上滿足Eg,在P型和N型兩區(qū)內(nèi),就會(huì)光激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。如果在一個(gè)擴(kuò)散長度的范圍內(nèi),這些被激發(fā)出來的電子或空穴,就都有可能在復(fù)合
5、之前通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)P—N結(jié)的強(qiáng)電場區(qū)。半導(dǎo)體P—N結(jié)的界面附近,電荷積累形成的阻擋層(耗盡層)中有一個(gè)強(qiáng)電場,場強(qiáng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。這樣,在強(qiáng)電場的作用下,空穴由N區(qū)漂移到P區(qū),而電子則由P區(qū)漂移到N區(qū)。這樣被激發(fā)的自由電子和空穴分別向左右漂移,將使P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電,從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢Vph,接上負(fù)載R就可產(chǎn)生光生電流Iph。1.1.2太陽能電池的種類和研究進(jìn)展太陽能電池可分為固體電池和液體電池。前者如硅太陽能電池,后者如半導(dǎo)體電解質(zhì)太陽能電池。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)。根據(jù)所用材料的
6、不同,太陽能電池又可分為:(1)硅太陽能電池;根據(jù)不同硅晶體材料可分成單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池有單晶硅(c-Si),多晶硅(ploy-Si),非晶硅(a-Si);(2)無機(jī)化合物太陽能電池如砷化鎵(GaAs),銅銦鎵硒(CuInGaSe),碲化鎘(CdTe)等;(3)有機(jī)/聚合物太陽能電池;(4)納米晶太陽能電池等。盡管制作電池的材料不同,但其材料一般應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求:(1)半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬;(2)要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率;(3)對(duì)環(huán)境不造成污染;(4)便于工業(yè)化生產(chǎn)且性能
7、穩(wěn)定。而開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是:提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于目前市場上的太陽能電池產(chǎn)品硅太陽能電池制造成本過高,不利于廣泛應(yīng)用。而九十年代發(fā)展起來的染料敏化納米晶二氧化鈦(TiO2)太陽能電池(DSSC)的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能,已成為傳統(tǒng)太陽能電池的有力競爭對(duì)手。其光電效率穩(wěn)定在10%,制作成本僅為硅太陽能電池的1/5~1/10,壽命能達(dá)到20年以上。1.2??DSSC的結(jié)構(gòu)和基本原理太陽能發(fā)電是太陽能利用的重要領(lǐng)域之一,它具有高效、清潔、低成本的優(yōu)勢。1991年瑞士學(xué)者Gr
8、atzel等[2]在Nature上發(fā)表文章,研制出了以過渡金屬Ru的配合物作為染料的納米晶膜TiO2太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.1%--7.9%,光電流密度大于12mA/cm2,引起了世人的廣泛關(guān)注.目前,染料敏化納米二氧化鈦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了11.18%[3,4,5].且成本比硅太陽能電池大為降低,性能穩(wěn)定,應(yīng)用前景十分誘人。1.2.1DSSC的結(jié)構(gòu)染料敏化太陽能電池是由透明導(dǎo)