薄膜材料与技术小论文

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1、北京科技大学薄膜材料与技术小论文题目：太阳能电池中的薄膜材料课程名称：薄膜材料与技术学院：材料科学与工程学院班级：学生姓名：学生学号：评分：日期：摘要薄膜材料在提高太阳能电池的转换效率方面有着很大的作用。随着薄膜材料种类和制备工艺的发展，现在已经有很多种基于不同薄膜材料和工艺的太阳能电池，包括硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池等等。关键词太阳能电池薄膜材料染料敏化应用一、太阳能电池简介太阳能在地球上分布非常广泛，储量巨大、稳定、持久、清洁无污染。太阳每秒向外太空辐射的能量约为3.8x1020兆瓦，而每年

2、投射到地面上的太阳能约为1.05x1018千瓦时，相当于1.3x1015吨标准煤。按照目前太阳质量的消耗速率计，太阳内部的热核反应足以维持6x1010年，因此，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的。[1]太阳能电池是将太阳能转换为电能的一种装置，是太阳能光伏发电的基础，是利用光生伏打效应将光能转变为电能的器件。[2]目前，太阳能电池的种类很多，按照晶体结构可分为单晶、多晶、非晶及纳米晶系太阳能电池；按照结型分为PN结、MS结、MIS结太阳能电池；按照材料种类可分为晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池和光电化学太

3、阳能电池等。二、薄膜材料在太阳能电池中的应用多元化合物薄膜太阳能电池（即硅基薄膜太阳能电池）是第二代太阳能电池，包括碲化铬（CdTe）、铜铟硒（CIS）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）等。这类电池的转化效率较高，达到18-20%，其成本较单晶硅低，易于大规模生产。但是，它含有的镉元素有毒且会污染环境，铟和硒等又均属于稀有元素，原料来源受限。以有机化合物和纳米技术为基础的新型薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、有机聚合物太阳能电池等。这类太阳能电池具有工艺简单、成本较低、材料来源广泛、理论光电转换效率较高

4、等优势，因此受到了广泛的关注，是太阳能电池的又一发展方向。但是，它仍然存在一些问题，如转换效率仍不够高、材料的长期耐久性问题、大面积工艺技术等。2.1硅基薄膜太阳能电池2.1.1多结叠层硅基薄膜太阳能电池它是一种结构新颖的硅基薄膜太阳能电池，以纳米晶柱薄膜为核心技术。将不同光学带隙的纳米晶柱薄膜组成叠层薄膜电池，不但扩展了太阳光谱响应的范围，而且比a-Si：H（氢化非晶硅）和uc-Si：H有更高的光电转换效率。研究表明，由三个子电池硅构成的硅基薄膜太阳能电池采用陷光结构和最佳光学带隙匹配和厚度匹配，其效率可达到22.7%。更多结的叠层

5、电池不但会增加生产成本，而且进一步提高光电转换效率将变得困难。[3]转换效率的制约因素主要来自于光生载流子的复合，包括膜层界面复合、掺杂层杂质电离复合、晶粒间界复合等。膜层界面复合是指组合电池中共有十余层界面，存在着很高的界面态密度，它们对光生载流子起复合中心的作用。发生复合的光生载流子对光电转换没有贡献。因此，叠层越多，复合率越高；掺杂层杂质电离复合是指掺杂层是光激发的“死区”，此处光生载流子复合率很高；晶粒间界复合是指晶界原子相对无序排列，其悬挂键如果不被氢原子饱和，也将成为光生载流子的复合中心。2.1.2大晶粒多晶硅薄膜太阳能电

6、池为了提高光生载流子的激发和传输效率，要尽量做大晶粒尺寸、降低晶粒间界，以减少晶界复合损失。现在薄膜太阳能电池与多晶硅太阳能电池性能的差距来源于半导体材料的结晶品质。如果能获得接近多晶硅片结晶品质的多晶硅薄膜，制备光电转换效率达20%的多晶硅薄膜太阳能电池是很有希望的。2.1.3量子点太阳能电池这是更新一代的高效率太阳能电池。它的尺度介于宏观固体与微观原子、分子之间，典型尺寸为1nm-10nm，包含几个到几十个原子。由于荷电载流子的运动在量子点上受到三维限制，能量发生量子化。量子点具有很多新特性，例如具有高电导、可变化带隙、可变化光谱

7、吸收特性等。量子点太阳能电池大大提高了光电转换效率，约为30%-40%，生产耗能比多晶硅电池减少20%。但是，目前尚有一些理论问题和工程技术难题需要解决。2.2新型薄膜太阳能电池新型薄膜太阳能电池是基于光电化学反应体系（光电化学电池）、利用光电化学原理设计的能量转化装置，包括染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池等。该类太阳能电池具有很多优点：对半导体材料的缺陷不敏感；液/固结易于形成；实现直接的光能-化学能转换，提高了能量转换效率等。2.2.1染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池（DSCs）主要由三部分构成：染料敏化的纳米晶多孔光

8、阳极，载有催化剂的对电极和氧化还原电解液。其中，光阳极和对电极的载体可以为氟掺杂二氧化锡导电玻璃（FTO），柔性氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二酯/聚萘二甲酸乙二醇酯（PET/PEN）塑料薄膜，或者金属钛箔和不锈钢基板等。