柔性光伏材料与器件课程设计论文

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1、编号毕业设计（论文）题目二级学院（全称）专业（全称）班级（全称）学生姓名学号指导教师职称时间摘要在化石能源日益枯竭和全球气候持续变暖的环境背景下,以太阳能光伏技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。应对由于原料短缺所造成的光伏产业瓶颈的根本途径,就是以其他廉价易得的物质为原料,开发和研制新型太阳能电池。这其中,柔性非晶硅薄膜太阳能电池,柔性染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池作为新型太阳能电池的典型代表,正在引起越来越多的关注。电池制备工艺简单,具有制造面积大、廉价、简易、柔性

2、、实用性强等优点。一、柔性薄膜太阳能电池在薄膜电池中硅基技术相对成熟，但是柔性硅基电池在国内还缺乏卷对卷大规模生产的核心技术和设备。因此新技术的研发迫在眉睫。例如,中科院上海高等研究院利用一种廉价的图形化金属衬底，有效提高了非晶硅薄膜太阳能电池的能量转换效率：采用简单的阳极氧化法在该衬底形成尺寸可调的坑状纳米结构，有效激发了硅薄膜内的光波导模式和银背反层表面等离激元共振，使得电池的短路电流提高了31%,而能量转换效率提高了27%。研究结果对于制备廉价的薄膜太阳能电池具有一定的指导意义,并有望向产业化

3、转移进行大面积应用。1.1非晶硅基薄膜太阳电池作为一种光伏器件,非晶硅太阳电池载流子的产生机理具有特殊之处。非晶硅半导体具有比晶体硅高一个数量级的光吸收系数,一个微米厚的非晶硅就能将阳光中的90%的能量吸收,而晶体硅需要100-300微米,这一特性决定了柔性非晶硅太阳电池具有极大的质量比功率的可能性。非晶硅太阳电池是一种迁移型电流电池,光生载流子借助于本征层内强大的电场驱动(>104V/cm)作迁移运动到达n区或者p区,形成光电流。有多少载流子能成为光电流,即所谓的内量子效率,主要取决于结内电场强度

4、。这完全不同于晶体硅太阳电池,后者的光生载流子是依靠其扩散运动进入空间电荷区,形成光生电流,有多少光生载流子能成为光电流,主要取决于少子的扩散长度,因此,后者又可称为扩散型电流电池。由于产生电流机理的差异,使得非晶硅太阳电池在空间辐射环境下的使用十分有利,并在实际应用中显示出独特的优势[1-3]。1.2柔性染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池为第三代太阳能电池，以包覆染料的纳米氧化钛半导体为吸收层，其结构如图3所示，其生产成本有望比现有的晶体硅太阳能电池大幅降低［4-5］。染料敏化太阳能电池是一种薄

5、膜太阳能电池，目前以不锈钢、PET、PEN等为基底的染料敏化太阳能电池仍主要处于实验室研究阶段。柔性染料敏化以轻质的高分子膜或金属箔为基板，不但大大减轻了电池量，也降低了电池的制作成本。而且因其可弯曲变形，便于电池的卷轴式连续制造工艺，大大拓展了染料敏化的应用范围，增加了新用途。特别是现代社会对便携式电子设备需求急剧增多，如笔记本电脑和手机等，也需要这种可变形、体积小和重量轻的柔性太阳电池来补充电能。柔性染料敏化的结构主要包括柔性基板、导电膜、纳米多孔氧化物薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极等几部分

6、，如图1所示。其中光阳极是柔性染料敏化的主要组成部分，它要求半导体材料的禁带不能太宽、有较高的光电转换效率、材料性能稳定且本身对环境不造成污染、材料便于工业化生产等。因此通常选用TiO2作为半导体光阳极的薄膜材料，也可以使用其他半导体材料如ZnO或Nb2O5等。通常制备纳米多孔半导体光阳极时先在柔性基板上涂一层TiO2薄膜，然后在150℃或者低于150℃进行烧结，可以形成纳米TiO2粒子间的网状连接，有利于电子传递。图1柔性染料敏化太阳电池的结构（1柔性基板，2导电膜，3半导体多孔膜，4电解质，5染

7、料）1.3有机太阳能电池有机太阳能电池是以聚合物半导体材料作为吸收层的柔性太阳能电池，到目前为止聚合物半导体材料主要是P3HT:PCBM，因为它的化学稳定性、结晶度、吸光能力和载流子迁移性很适于制作太阳能电池。此种电池的结构一般是在涂覆透明导电电极ITO的PET上涂覆ZnO电子输运层，活性层为P3HT:PCBM，PEDOT:PS为空穴输运层，银作为背电极。P3HT:PCBM聚合物太阳能电池被认为是低成本获得太阳能电力的器件，它可以采用非真空全溶液制备法，在柔性衬底上大面积印刷电池，由此大幅度降低电池

8、的成本。尽管聚合物太阳电池的转换效率较低，但是具有发展潜力。Espinosa等[6]进行了全卷对卷制造工艺聚合物太阳能电池的生命周期分析，结果认为光电转换效率为2%的能量偿付时间为2.02a，如果转换效率提高到3%，那么能量偿付时间缩短为1.35a。作为比较，单晶硅太阳能电池产品光电转换效率为11.8%～14%，其能量偿付时间为4.12～2.68a。也就是说，尽管聚合物太阳能电池的转换效率低，但是大面积卷对卷的制造工艺具有成本优势。Ricczrdo等[7]综述了用于聚