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新型薄膜太陽能電池 版權信息
- ISBN：9787030735645
- 條形碼：9787030735645 ; 978-7-03-073564-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
新型薄膜太陽能電池 內容簡介
正基于有機鹵化鉛鈣鈦礦薄膜太陽能電池(PSCs)具有結構簡單、制備成本低廉等優點,特別是電池效率在5年內從3.8%迅速提高到20%以上,展示了誘人的應用前景。進一步提升效率及穩定性是鈣鈦礦型太陽電池研究重點。我們課題組從PSCs電池工作機理出發,在材料制備、電池結構和界面調控等方面開展了深入研究。如,首次利用ALD技術在無HTM鈣鈦礦電池CH_3NH_3Pbl_3/Au界面引入超薄Al_2O_3層,構建M-I-S結構(metal-insulator-semiconductor),有效抑制復合,提高長波段光生載流子收集效率和電池性能。
新型薄膜太陽能電池 目錄
目錄
叢書序
序一
序二
前言
**章 導論 1
1.1 薄膜太陽能電池的概述 2
1.2 新型薄膜太陽能電池簡介 8
1.3 新型薄膜太陽能電池工作原理 9
1.4 新型薄膜太陽能電池研究的發展與現狀 15
參考文獻 17
第二章 鈣鈦礦太陽能電池 19
2.1 鈣鈦礦太陽能電池結構與工作原理 20
2.2 鈣鈦礦結構光伏材料 25
2.3 鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層 62
2.4 鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層 71
2.5 鈣鈦礦太陽能電池界面修飾材料 85
2.6 鈣鈦礦太陽能電池背電極 89
2.7 柔性鈣鈦礦太陽能電池簡介 91
參考文獻 97
第三章 銅鋅錫硫太陽能電池 115
3.1 銅鋅錫硫太陽能電池結構及工作原理 116
3.2 銅鋅錫硫(硒)半導體材料物理化學性質 127
3.3 銅鋅錫硫(硒)吸收層 149
3.4 緩沖和窗口層 178
3.5 銅鋅錫硫(硒)薄膜電池的器件物理 181
3.6 總結與展望 189
參考文獻 190
第四章 染料敏化太陽能電池 199
4.1 染料敏化太陽能電池基礎與機理研究 199
4.2 染料敏化太陽能電池吸光材料——敏化劑 204
4.3 染料敏化太陽能電池光陽極材料 222
4.4 染料敏化太陽能電池對電極材料 229
4.5 染料敏化太陽能電池電解質材料 244
4.6 柔性染料敏化太陽能電池簡介 255
參考文獻 259
第五章 量子點太陽能電池 282
5.1 量子點基礎知識 282
5.2 量子點電池結構與工作原理 293
5.3 量子點電池的研究發展 299
參考文獻 352
第六章 薄膜太陽能電池材料與器件表征 371
6.1 結構形貌表征 371
6.2 光學表征 381
6.3 X射線光電子能譜(XPS)394
6.4 電學表征 397
參考文獻 412
第七章 結語與展望 416
叢書序
序一
序二
前言
**章 導論 1
1.1 薄膜太陽能電池的概述 2
1.2 新型薄膜太陽能電池簡介 8
1.3 新型薄膜太陽能電池工作原理 9
1.4 新型薄膜太陽能電池研究的發展與現狀 15
參考文獻 17
第二章 鈣鈦礦太陽能電池 19
2.1 鈣鈦礦太陽能電池結構與工作原理 20
2.2 鈣鈦礦結構光伏材料 25
2.3 鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層 62
2.4 鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層 71
2.5 鈣鈦礦太陽能電池界面修飾材料 85
2.6 鈣鈦礦太陽能電池背電極 89
2.7 柔性鈣鈦礦太陽能電池簡介 91
參考文獻 97
第三章 銅鋅錫硫太陽能電池 115
3.1 銅鋅錫硫太陽能電池結構及工作原理 116
3.2 銅鋅錫硫(硒)半導體材料物理化學性質 127
3.3 銅鋅錫硫(硒)吸收層 149
3.4 緩沖和窗口層 178
3.5 銅鋅錫硫(硒)薄膜電池的器件物理 181
3.6 總結與展望 189
參考文獻 190
第四章 染料敏化太陽能電池 199
4.1 染料敏化太陽能電池基礎與機理研究 199
4.2 染料敏化太陽能電池吸光材料——敏化劑 204
4.3 染料敏化太陽能電池光陽極材料 222
4.4 染料敏化太陽能電池對電極材料 229
4.5 染料敏化太陽能電池電解質材料 244
4.6 柔性染料敏化太陽能電池簡介 255
參考文獻 259
第五章 量子點太陽能電池 282
5.1 量子點基礎知識 282
5.2 量子點電池結構與工作原理 293
5.3 量子點電池的研究發展 299
參考文獻 352
第六章 薄膜太陽能電池材料與器件表征 371
6.1 結構形貌表征 371
6.2 光學表征 381
6.3 X射線光電子能譜(XPS)394
6.4 電學表征 397
參考文獻 412
第七章 結語與展望 416
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新型薄膜太陽能電池 節選
**章 導論 隨著人類社會的發展和進步，對能源的需求越來越多。而煤炭、石油、天然氣等傳統化石能源一方面儲量有限，另一方面其過量消耗對環境產生了嚴重污染。因此迫切需要發展新的能源獲取方式，為人類社會的可持續發展提供動力。在諸多新能源中，太陽能具有資源豐富、清潔無污染、分布廣泛等優點，其開發利用前景廣闊。將太陽能轉化為電能的太陽能電池是目前主要的新能源技術之一，受到世界各國的普遍關注。太陽能電池是利用半導體材料受到太陽能光照而產生的光伏效應，將太陽能轉換成電能的器件。經過半個多世紀的發展，太陽能電池的種類繁多，各類電池效率對比見圖1.1。總的來講，太陽能電池主要包括傳統晶硅電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅電池)、高效率砷化鎵電池(多結及聚光電池)，被稱作**代太陽能電池；傳統碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等薄膜太陽能電池，被稱作第二代太陽能電池；各類新型薄膜太陽能電池，如鈣鈦礦電池(perovskite solar cell)、有機太陽能電池(organic/polymer solar cell)、染料敏化太陽能電池(dyesensitized solar cell)、量子點太陽能電池(quantum dot solar cell)及銅鋅錫硫(硒)太陽能電池(Kesterite Cu2ZnSnSxSe4-x solar cell)等，被稱作第三代太陽能電池。 圖1.1 各類電池效率對比 經過了40余年的發展，各類太陽能電池的研發都取得了長足的進步。目前，晶硅太陽能電池以其高性價比占據了太陽能電池發電市場90%以上的份額。為太陽能電池的大規模利用做出了重要貢獻。然而，由于晶硅材料的消光系數低及晶硅太陽能電池的生產工藝限制，通過繼續降低晶硅材料的使用量，進一步提升晶硅太陽能電池的性價比將變得越來越困難。 薄膜太陽能電池，一方面在降低成本方面具有巨大潛力，另一方面，可以實現柔性化，適用于便攜式設備、建筑光伏一體化等場景。首先，薄膜太陽電池薄膜厚度僅需數微米(μm)甚至數百納米(nm)，較傳統硅基太陽能電池能大幅度減少原料的用量。其次，薄膜太陽能電池可以采用一些低成本材料當基板，也可以進一步降低電池制備成本。此外，當太陽能電池大規模應用時，所采用的半導體材料還必須具備含量豐富、環境友好、能大規模生產并且性能穩定的特點，這也促進了新型薄膜太陽能電池的快速發展。未來光伏發展，必將是硅基太陽能電池與薄膜太陽能電池優勢互補、攜手發展的趨勢。 本書將著重介紹四種新型薄膜太陽電池(鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、量子點電池和銅鋅錫硫硒電池)，包括電池基本結構和工作原理、關鍵電池材料及相應器件的特性、發展現狀，并簡要分析其發展前景。 1.1 薄膜太陽能電池的概述 1.1 薄膜太陽能電池的概述近年來， 薄膜太陽能電池受到越來越多的關注。一方面其實驗室轉換效率不斷取得突破性進展；另一方面，薄膜太陽能電池的吸光材料能夠以微米級甚至百納米級薄膜的形式制備器件，所采用的襯底材料也有更大的選擇空間(如玻璃、塑料等)，可進一步降低成本，并且便于大面積連續生產。特別是，薄膜太陽能電池不僅可以制成傳統的平面結構，還可以制成柔性等非平面結構，用于設備、建筑物等表面，大大增加了其應用范圍。薄膜太陽能電池已經成為未來太陽能電池的重要發展方向。 目前，從薄膜太陽能電池的發展現狀來看，銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)、非晶硅薄膜太陽能電池發展比較成熟，已經實現產業化；而新型薄膜太陽能電池處于研究階段，雖應用潛力巨大，但離實用化還有一定的距離。在新型薄膜太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、量子點太陽能電池、銅鋅錫硫(硒)太陽能電池近年來發展速度較快，效率均已超過10%，甚至更高。 我們首先對薄膜太陽能電池進行簡單概述，便于讀者對整個薄膜太陽能電池有一個較為全面的了解。 1.1.1 碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池 CdTe是ⅡⅥ族化合物半導體，直接帶隙半導體，帶隙為1.45 eV，與太陽光譜匹配得非常好，是*適合于光電轉換的一種光伏材料。CdTe電池的理論效率為28%。此外，CdTe性能穩定，具有很好的抗輻射能力，且CdTe太陽能電池在較高環境溫度下也能正常工作，強弱光均能發電，且具有溫度越高、電池性能越好的特點。 CdTe太陽能電池是在玻璃或其他柔性襯底上依次沉積多層薄膜而實現的，它的典型結構為: 減反射膜/玻璃/SnO2: F/CdS/pCdTe/背電極。具體來講，CdTe電池由以下五部分構成: ① 玻璃襯底，對電池起透光支撐作用；② 透明導電層(TCO層)，主要起透光和導電作用；③ CdS(n型)窗口層；④ CdTe光吸收層，電池主體吸光層，與CdS形成pn結，是整個電池*核心部分；⑤ 背接觸層和背電極，為了降低CdTe和金屬電極的接觸勢壘，引出電流，實現金屬電極與CdTe的歐姆接觸，見圖1.2。 圖1.2 CdTe電池節本結構和組件 CdTe太陽能電池的工作原理: CdTe層是主體吸光層，與n型CdS窗口層形成pn結，在光照下產生電子空穴對；電子在內建電場驅動下依次進入CdS層、TCO層，到達外電路，而空穴聚集在CdTe層，經由背電極離開電池，*終產生電流。CdTe薄膜太陽能電池以CdS/CdTe異質結為基礎，雖然CdS和CdTe的晶格常數相差10%，但它們組成的異質結電學性能優良，因此，所制備的CdTe太陽能電池填充因子高，*高可達到 0.794。 目前，多種CdTe多晶薄膜制備工藝和技術被開發出來，如近空間升華、電沉積(electrodeposition，ED)、物理氣相沉積(physical vapor deposition， PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition， CVD)、化學浴沉積(chemical bath deposition， CBD)、絲網印刷、濺射、真空蒸發等。真空蒸發法和濺射法制備薄膜質量好，但是成本相對較高，在大規模生產中一般采用近空間升華法和電沉積法。 近空間升華法: 將高純CdTe原料粉末或固體顆粒在約700℃真空中加熱升華，冷凝在400~600℃襯底上，沉積速率10 μm/min。近空間升華法具有沉積速率高、設備簡單、薄膜質量好、成本低等優點，適用于真空度不高的系統進行流水線生產。沉積速率取決于源溫度和反應室氣壓，*高沉積速率可達75 μm/min。 電沉積法: 將CdSO4水溶液與Te2O3在90℃左右反應，先形成n型CdTe薄膜: n型CdTe薄膜在氯化物存在的條件下退火、摻雜轉變為p型，這一過程中CdTe晶粒變大且薄膜電導率也得到提高。這種沉積工藝電流密度小，沉積速率較低。 CdTe太陽能電池的實驗室效率已達到22.1%，并且這種電池被認為是制備工藝*簡單的一種太陽能電池，因此，它也是技術上發展較快的一種薄膜電池，商品化發展速度很快。20世紀90年代初，CdTe太陽能電池已實現了規模化生產，但市場發展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。目前，商業化組件效率為19.0%±0.9%[1]。 CdTe太陽能電池的優點在于: ① CdTe是直接帶隙材料，有理想的禁帶寬度，其禁帶寬度為1.45 eV，因此，光譜響應和太陽光譜非常匹配；② 高吸光系數，CdTe的吸收系數在可見光范圍達到104cm-1以上，95%的光子在1μm厚吸收層內均可被吸收；③ 轉換效率高；④ 電池性能穩定，由于CdTe具有很強的離子性(72%)，Cd2+和Te2-的離子結合能大，保證了CdTe具有很好的化學穩定性和熱穩定性，降低了電池性能衰減和Cd釋放的風險，CdTe電池的設計使用年限為20年；⑤ 電池結構簡單，制造成本低，易實現規模化生產。 但是，CdTe電池存在的主要問題在于Cd對人體有害。要認真評估其生產和使用過程中的潛在環境風險。 1.1.2 CIGS薄膜太陽能電池 銅銦鎵硒(CIGS)是ⅠⅢⅥ多元化合物半導體，直接帶隙半導體。通過用Ga替代部分In并調控Ga/Ga+In比，CIGS帶隙可在1.04~1.68 eV范圍內任意調控，具有較寬的太陽光譜響應范圍。CIGS的*佳禁帶寬度為1.3 eV，理論效率為33%。CIGS性能穩定，可直接通過調節化學組成就能得到p型或n型CIGS半導體材料，無需進一步摻雜。更重要的是，CIGS太陽能電池在襯底的選擇上有較大的空間，柔性CIGS太陽能電池是其重要的發展方向。目前，日本Solar Frontier公司保持著CIGS電池光電轉換效率的世界*高紀錄，轉換效率為23.35%±0.5%[1]。CIGS太陽能電池性能穩定、抗輻射能力強，無論是在地面上還是作為空間微小衛星動力電源的應用上具有廣闊的市場前景。 CIGS太陽能電池由多層薄膜組成的，典型結構為AlNi/MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/襯底，包括以下七層薄膜材料: ① 底電極，Mo電極；② CIGS吸收層；③ CdS緩沖層(或無鎘材料)；④ iZnO窗口層(本征氧化鋅，高電阻)；⑤ AlZnO窗口層(鋁摻雜氧化鋅，低電阻)；⑥ MgF2減反層；⑦ 頂電極(NiAl)，見圖1.3。 圖1.3(a) CIGS電池結構；(b) 漢能公司發布的效率為21%的CIGS薄膜太陽能電池組件；(c) CIGS異質結能帶圖 CIGS電池的工作原理是: n型CdS緩沖層與p型CIGS光吸收層形成pn結，在光照下產生電子空穴對；電子在內建電場驅動下依次進入CdS層、ZnO層、AlZnO層到達外電路，而空穴聚集在CIGS層，經由Mo背電極與外電路中的電子復合，*終產生電流。此外，在CIGS薄膜中Ga的引入會產生一個有利于電子空穴分離及光生電子收集的背表面場(BSF)，BSF的存在能有效降低CIGS/Mo界面少數載流子復合。高效率的CIGS電池吸收層表面都是貧銅的，它的元素配比與本體材料不同的。 CIGS異質結的能帶圖見圖1.3，從圖中看出: ① CIGS吸收層的頂部有一個表面缺陷層，厚度為10~30 nm，禁帶寬度為1.3 eV；② 一個CIGS同質pn結深入到CIGS內部，但遠離CdS/CIGS界面；③ CIGS吸收層價帶(VB)位置從1.3eV下降至1.12 eV，形成空穴傳輸勢壘，能夠降低界面處空穴濃度，減少了界面復合。能帶偏移(band offset)是一個非常重要的物理量。當兩種不同半導體材料形成異質結時，界面處導帶(CB)和價帶(VB)發生連續或不連續突變，這種能帶邊的不連續產生了能帶偏移，用ΔEc表示。而界面處導帶和價帶的這種突變是由這兩種材料不同的電子親和能引起的，例如，CdS/CIGS的導帶邊失調值為0.2~0.3 eV，失配率很低。 CIGS薄膜的制備主要采取以下工藝: 1) 磁控濺射法制備CuIn薄膜: 采用共濺射方法，通過精確控制Cu/In元素比制備CuIn薄膜。富In型薄膜晶粒較小，硒化過程能夠提高薄膜結晶性，獲得形貌平整的CIS和CIGS薄膜，因此所制備的前驅膜都是富In薄膜。 2) 磁控濺射法制備CuInGa薄膜: 在CuInSe2薄膜中引入一定量的Ga來取代In，用來改變合金半導體薄膜的禁帶寬度。隨著Ga引入量的增加，禁帶寬度在1.04~1.68 eV可調。但是Ga的引入容易使薄膜出現劈裂現象，當Ga取代In的比例在30%左右，電池性能*佳。 3) 化學氣相沉積(CVD)法制備CIGS薄膜: 采用CVD法對CuInGa薄膜進行兩步硒化處理制備CIGS薄膜。由于H2Se氣體劇毒且成本高，實驗室通常采用固態硒粉代替傳統的氣體硒源。兩步硒化包括固態硒源充分氣化，達到較高的硒化蒸氣，再對CIG合金薄膜進行硒化制備CIGS吸收層，溫度對硒化的影響尤為重要。
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