二氧化钛在太能能电池上的应用.pdf

二氧化钛在太能能电池上的应用一、太阳能电池分类及原理太阳能电池的工作原理是利用 光电材料吸收太阳光光能后发生光电转换反应这种光电 转换装置称为光电池或太阳能电池光电池可分为固体光 电池和液体光电池前者如硅太阳能电池; 后者如半导体电 解质太阳能电池制作太阳能电池主要是以半导体材料为 基础根据所用材料的不同, 太阳能电池又可分为: (1) 硅太阳能电池 ; (2) 无机化合物太阳能电池如砷化镓、硫化镉、铜铟硒电池; (3) 有机 / 聚合物太阳能电池; (4) 纳米晶太阳能电池等尽管制作电池的材料不同, 但其材料一般应满足以下几个要求: (1) 半导体材料的禁带不能太宽；(2) 要有较高的光电转换效率; (3) 对环境不造成污染; (4) 便于工业化生产且性能稳定第一个现代太阳能电池是由贝尔实验室于1954 年制造 的, 是单晶硅太阳能电池随着科学技术的发展, 多晶硅太 阳能电池和非晶硅太阳能电池也已经广泛应用于人们的日 常生活当中虽然硅太阳能电池转换效率高, 但其制作工艺 苛刻 , 材料价格昂贵 , 因而难以普及自上世纪九十年代发 展起来的纳米晶体太阳能电池, 由于具有许多硅太阳能电池 所不具有的优点, 从而迅速成为太阳能电池领域的研究热点。

二、硅系太阳能电池硅太阳能电池根据不同硅晶体材料又可分成单晶硅太阳能 电池 , 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池1、单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中, 单晶硅太阳能电池转换效率最高, 技术也最为成熟单晶硅电池是由高质量的单晶硅材料制 成的现在单晶硅电池的制作工艺己近成熟, 在电池制作中, 一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术, 开 发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电 池提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区 掺杂工艺2、多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池的研制从上世纪70 年代中期就 开始了目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法, 包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积 (PECVD)工艺此外 , 液相外延法 (LPPE)和溅射沉积法也可 用来制备多晶硅薄膜太阳能电池3、 多元化合物薄膜太阳能电池作为硅电池的替代产品化合物薄膜太阳能电池具有成 本低且较非晶硅薄膜太阳能电池效率高的优点, 如砷化镓、 硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等但在硫化镉、碲化 镉电池中 , 镉有剧毒 , 会对环境造成严重的污染, 不利于广泛 应用。

只有砷化镓(GaAs) 及铜铟硒 (CuInSe2) 薄膜电池由于 具有较高的转换效率而受到人们的重视4、有机 / 聚合物太阳能电池有机/ 聚合物太阳能电池的原理是利用不同氧化还原型 聚合物的不同氧化还原电势, 在导电材料 ( 电极 ) 表面进行多 层复合 , 制成类似无机P-N 结的单向导电装置其中一个电 极的内层由还原电位较低的聚合物修饰, 外层聚合物的还原 电位较高 , 电子转移方向只能由内层向外层转移; 另一个电 极的修饰正好相反, 并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位当两个修饰电极 放入含有光敏化剂的电解质中时, 光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上, 还原电位较低电极上积累 的电子不能向外层聚合物转移, 只能通过外电路通过还原电 位较高的电极回到电解液, 因此外电路中有光电流产生5、 纳米晶化学太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是: 提高转换效率和 降低成本由于目前市场上的太阳能电池产品硅太阳能电 池制造成本过高 , 不利于广泛应用而九十年代发展起来的 纳米晶二氧化钛 (TiO2) 太阳能电池的优点在于它廉价的成 本和简单的工艺及稳定的性能, 已成为传统太阳能电池的有 力竞争对手。

其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳 能电池的 1/5~1/10 寿命能达到2O年以上因此自瑞士科 学家 Gratzel教授研制成功纳米TiO2 化学太阳能电池以来, 纳米二氧化钛太阳能电池一直是太阳能电池研究的一个热 点课题 , 因为其机理如内电阻和电子迁移率等影响其转换效 率的因素一直存在争论5.1 染料敏化剂染料是染料敏化纳米晶太阳能电池中的重要组成部分 敏化剂与半导体表面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固的 吸附到表面上, 而且还可以增强电子耦合及改变表面态能量, 有利于电荷的转移研究结果表明通过优化染料敏化剂, 如 配位体和前趋体及其制备工艺, 可以提高二氧化钛太阳能电 池的光电转化效率如利用铷系列配合物敏化剂, 其光电转 化效率可超过10% 5.2 电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质溶液中的氧化还 原对一般为I3-/I-,其作用是还原被氧化的染料分子溶剂 和金属离子的种类变化对电池的电流输出影响较大另外 对电极的影响也不可忽略电解质中I3- 需要在对电极上得到电子以便再生成I- 一般的对电极是一层金属铂但铂 的成本太高 , 不利于电池的广泛应用由于碳高的导电性能和对 I3- 高的催化性能 , 因此也可利用多孔碳电极作为对电 极, 同样可达到理想的效果。

5.3 电池封装及结构致密是影响电池性能和使用寿命的关键, 因此封装材料 要求比较高 , 不仅要抗温度变化和太阳光爆晒, 还要有对抗 电解质腐蚀的长期稳定性电池组是由多个单电池组成的, 可以提高其输出功率它可以串联或/ 和并联的方式把多个 单电池组合在一起三、优点与硅太阳能电池相比, 纳米二氧化钛太阳能电池除成本 大大降低这一优点外还具有以下五个方面的优势: 1. 可以制成透明的产品; 2. 可以在各种光照条件下使用; 3. 对光线的入射角度不敏感, 可充分利用折射光和反射光; 4. 可在柔性基底上制备, 扩大了应用范围; 5. 工作温度宽 , 可高达 70 摄氏度我国目前市场上主要太阳能电池的商品价格为: 单晶硅 50 元/ 瓦, 多晶硅 30 元/ 瓦, 而纳米晶二氧化钛太阳能电池估 计价格低于10 元/ 瓦而且我国很多偏远地区普遍缺乏电 能, 特别是沙漠 , 那儿太阳充足 , 开辟廉价的太阳能电池是解 决这一问题的理想途径另外纳米而氧化钛电池也可为各 种小型电子产品提供电源。