塑料太阳能电池.ppt
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1、新型能源:新型能源:聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池或或塑料太阳能电池塑料太阳能电池王海侨王海侨充满危机的世界n能源问题能源问题n环境问题环境问题n粮食问题粮食问题n交通问题交通问题n健康问题健康问题n信息问题信息问题n中国的能源状况n现有探明技术可开发能源总资源量超过8230亿吨标准煤,探明经济可开发剩余可采总储量为1392亿吨标准煤,约占世界总量的10.1。n我国能源剩余可采总储量的结构为:原煤占58.8,原油占3.4,天然气占1.3,水能占36.5。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年,其中原煤仅为114.5年,原油仅为20.1年,天然气仅为49.3年。n能源是国
2、民经济的命脉,是影响各国领导人战略决策的重要因素,是许多国家制定全球战略的首要问题。n据国际货币基金组织估算,油价每上涨5美元,将是全球经济增长率下降约0.3百分点。n近几十年来,世界上发生的许多危机(如三次石油危机)、冲突都是围绕争夺能源引发的(如两伊战争,前苏联出兵阿富汗,海湾战争,科索沃战争,美国推翻塔利班,伊拉克战争等)。能源对国际的影响n美国、俄罗斯、日本、欧盟、中国等许多国家针对中东、里海等石油资源展开了激烈的较量和错综复杂的斗争。大国对能源的竞争大气污染温室效应传统能源的副产物通常,汽车消耗的汽油能量仅有用于驱动车辆,另有一半则通过车身和排气管变为热量散失。全球平均气温相对之前快
3、速攀升,海平面在过去的100年平均上升了10 25c m 一是节约使用能源;二是加强新能源技术的研究、开发和利用,不断扩大利用新能源的比重。解决能源危机的途径Solar PetroleumNatural Gas Coal Uranium worldChina太阳能的特点优点:n普遍 n无害n长久 太阳按照目前的功率辐射能量的时间大约可以持续1010年也就是100亿年。n巨大 地球每年接受来自太阳的能量为1.681024cal/年或为1.511018度/年的电力。这个能量比全世界每年所消耗的总能量还多3万倍。n14TW =14,000 Nuclear power station nSolar P
4、ower on earth 120,000TW太阳能的特点n缺点:n强度弱 n地球大气外每平方米垂直于太阳光线的面积上接收到的太阳能功率只有1353w。而垂直投射到地球表面每平方米面上的太阳辐射功率就只有136747643W,相当于在1m2的面积上放一只643w的电炉。太阳能的特点n缺点:n间歇性 n太阳能的一个最大弱点就是它的间歇性,夜晚或阴雨天。n不稳定n同一个地点在同一天日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后;而在同一地点的不同季节里,冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。太阳能的特点n在地球大气层外空间,可见光谱区能量约占40.3,红外光谱区约占51.4,紫外光谱约占8.3。其中
5、辐射能量最大的区域在可见光部分,能量分布最大值所对应的波长则是0.475m,属于蓝色光。n 在地面上,由于大气层的存在,太阳辐射穿过大气层时,紫外线和红外线被大气吸收较多,紫外区和可见区被大气分子和云雾等质点散射较多,所以太阳辐射能随波长就比较复杂。大体情况是,晴朗的白天,太阳在中午前后的45h这段时间,能量最大的光是绿光和黄光部分;而在早晨和晚间这两段时间,能量最大的光则是红光部分。Convert solar energy to electronic power like plant!利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出现,为太阳能的广泛应用奠定了基础。目前,直接利用太阳辐射能有三种方式
6、:n光热转换;n光电转换;n光化学转换。利用太阳能的方式(1)光热转换光热转换就是把太阳辐射能通过各种集热装置(集热器)转变成热能。n太阳能热发电;n太阳能高温炉冶炼高温材料;n太阳能节能建筑太阳房;n利用太阳能使海水淡化;n太阳池(盐湖水太阳能发电技术);n太阳能热水器。(2)光电转换 通过光伏电池将太阳辐射能直接转变成电能。工作原理是光电效应。n已广泛应用于宇宙飞行器;n还用来作为交通工具的能源;n应用在自动控制领域;n还可以用来发电(光伏电站)。(3)光化学转换 用光和物质相互作用引起化学变化的过程称光化学转换。n绿色植物的光合作用;n利用光化学电池制氢。光化学转换到目前为止还只限于实验
7、室试验,没有重大突破。三、太阳能电池n太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件,又叫光伏器件。n用适当波长的光照射到某些物质上时,其吸收光能后两端产生电动势,称为光生伏打效应。这种现象在液体和固体物质中都会发生,但是只有在固体中,尤其在半导体中,才有较高的能量转换效率。所以,人们又常常把太阳能电池称为半导体太阳能电池。无机太阳能电池一枝独秀n目前研究和应用最为广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。n单晶硅、多晶硅太阳能电池已经在小规模器件上得到商业应用,如房屋顶上的太阳能板、便携式计算器、抽水泵等,这些太阳能电池能量转换效率已达到24(单晶硅商业光电转换效率为16%2
8、0%),接近于理论计算值的上限33。A 5-kW point-focus Stirling engine concentrator system(courtesy of NationalRenewable Energy Laboratory).ZnSe,ZnSGaAsGeSiSiCGaNSilicon based solar cellDye-sensitised solar cellsPolymer Solar CellSoft Substrate World Record:41.1%efficiency reached for multi-junction solar cells at Fr
9、aunhofer ISEPhoto of the new world record solar cell made of.The research team at Fraunhofer ISE 无机太阳能电池的问题1.单晶硅n 硅电池生产工艺比较复杂,要求材料纯度极高,需要高温(400-1400)和高真空条件,这导致其制造成本较高。制造这些材料电耗在太阳能电池生产总成本中己超1/2;且在制造的过程中会产生一些剧毒的物质。其成熟的技术使光电转换效率基本达到极限值,让进一步改进受到相当大程度的限制,而且其材料本身不利于降低成本。这些因素限制了它的大规模民用化。污染严重无机太阳能电池的问题2.多晶硅
10、n商业光电转换效率约12%左右n相对单晶硅,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展无机太阳能电池的问题3.非晶硅薄膜电池n薄膜材料能在较低的温度下直接沉积在廉价衬底上,有大幅度降低成本的潜力n适合用于建筑光伏一体化以及大型太阳能并网发电系统n光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象无机太阳能电池的问题n其它无机太阳能电池光电转换效率较高,如,基于砷化镓半导体的光伏电池转换效率已经达到了31%32%(AM 1.5 G 条件下),但是材料的稀缺性与成本问题是难以克服的瓶颈问题。聚合物太阳能电池n可进行分子层次上的结构改进,原料来源广泛。n有
11、多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力,扩展光谱吸收范围并提高载流子迁移能力。n加工性能好,可利用旋转涂膜和流延法大面积成膜。可进行拉伸取向,使极性分子规整排列。采用LB成膜技术可在分子水平控制膜的厚度。n可进行物理改性,如采用掺杂、高能离子注入或辐照处理,可提高载流子传输能力,减少电阻损耗,提高短路电流。n电池制作多样化,同一种类聚合物导电材料因为掺杂状态的不同,可以表现为不同的半导体类型。n原料价格便宜,合成工艺比较简单,成本较低,可以大批量工业化生产。polymer solar cells(PSCs)lsolution processibilitylprocessed with spin
12、coating、ink jet printing、screen printing、roll-to-roll productionlFlexibilityllow costleco-friendlyllight-weightletc.Advantages of PSCs over inorganic solar cells:abcdPictures of roll-to-roll production with PDTTDABT.(Top)Coating of active layer.(Middle)Coating of PEDOT layer.(Bottom)Lamination of th
13、e finished modules and test of single module under a solar simulator.PDTTDABTLarge-area,flexible,and printable polymer solar cell demonstrated by Siemens AG,GermanyHeeger-Low Cost“Plastic”Solar Cells国际上最热的研究领域专家表示:有机聚合物太阳能电池效率只要超过10%,就具有商业化应用价值,比无机太阳能电池更有优势。有机太阳能电池(聚合物和小分子)的发展阶段及最高效率塑料太阳能电池创造新纪录n一种破
14、纪录的聚合物太阳能电池制造成功,开发者是加州大学洛杉矶分校(University of California,Los Angeles)的研究人员,可以把10.6的太阳光能量转化为电能。这一电池性能超过以前的纪录,就是8.6,那是在去年7月创造的,也是这同一个研究小组所做的。发布日期:2012-02-24 来源:加州大学 n聚合物太阳能电池柔韧,轻便,而且有可能很便宜,但它们的性能落后于常规电池,这种电池的制备采用无机材料,比如硅。研究人员的领导是杨阳(Yang Yang)教授,他是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授,他们的目标,是制成聚合物太阳能电池,可抗衡薄膜硅太阳能电池。杨阳的破纪录电池
15、,是因为采用一种新的光伏聚合物,开发者是一家日本公司,就是住友化学公司(Sumitomo Chemical),这标志着研究人员可以更好地制作太阳能电池,就采用这些很讲究的材料。n新型塑料太阳能电池包含两层,作用于不同波段的光线,一层聚合物作用于可见光,另一层作用于红外光。“太阳光谱非常广,从近红外线到红外线再到紫外线,单一的太阳能电池成分不可能做到这一切,”杨阳说。n最好的无机太阳能电池也是多层器件,但是,制备多层有机太阳能电池非常难。聚合物的印制可以采用溶液,就像油墨印在纸上,这既是一个主要的技术优势,也是一个缺点,艾伦黑格(Alan Heeger)说,他分享了2000年诺贝尔奖,就是因为他
16、共同发现了导电聚合物。“这不需要高温,因此,制造很简单,”他说。但是,找出合适的溶剂,打印每一层电池,又不滴到它下面的一层,这是很棘手的。层数越多,问题就变得更加复杂。匹配每一层的电气性能,也是一个挑战,因为已经把它们连接在一起。n杨阳说,他希望制成一种聚合物太阳能电池,效率达到15。他指出,效率数字通常会下降约三分之一,因为太阳能电池会走出实验室,并在工作模块中出售。聚合物太阳能电池,15的效率属于实验室测试,制成的模块很可能是10的效率,杨阳认为,这就够好了,可以与薄膜硅太阳能电池竞争。nDresden,Germany,January 16,2013 Heliatek GmbH,the l
17、eader in organic solar films,today announced a record breaking 12.0%cell efficiency for its organic solar cells.This world record,established in cooperation with the University of Ulm and TU Dresden,was measured by the accredited testing facility SGS.The measurement campaign at SGS also validated th
18、e superior low light and high temperature performances of organic photovoltaics(OPV)compared to traditional solar technologies.New world record!Heliatek world record cells with 12.0%efficiency on an active area of 1.1 cm.Heliatek GmbHThanks to OPVs unique behavior at high temperatures and low light
19、conditions,this 12%efficiency is comparable to about 14%to 15%efficiency for traditional solar technologies like crystalline silicon and thin film PVn目前太阳电池的研究主要集中于多功能新材料的开发和器件制造技术的提高。塑料太阳电池的开路电压通常为几百毫伏,最高可超过1000mV。因而器件内阻过大,缺陷较多,其短路电流一般很低,为毫安级。因此提高光子的收集效率、激子的界面分离、降低太阳电池的内阻以增加短路电流称为塑料太阳电池的研究重点。n围绕提高有
20、机太阳电池效率的研究,在过去几年中出现了大量的成果。从材料的选择上,经历了有机染料、有机染料/无机材料、有机染料/有机染料、有机染料/聚合物材料、聚合物材料、聚合物材料/无机材料、聚合物材料/聚合物材料等阶段;在器件结构上,经历了单层器件、双层器件和多层器件等阶段。Typical device configurationP3HT PCBM bulk-heterojunction(BHJ)Simpliest and the most practical deviceDonorAcceptorPhotovoltaic materialsFullerence derivativePSCPSC光电转化
21、机理光电转化机理-3-3.5-4-4.5-5-5.5-6HOMOHOMOLUMOLUMOAnodePEDOTPSSCathodeDONOR“PACCEPTOR“N l Broad bandgapnarrow absorption to sunlightl Low charge mobilityl Big separated energy of charge low LUMO energy level of PCBMProblems:Solutions(designed strategy for polymer molecules ):l narrow bandgapDonor-acceptor
22、 conjugated polymers(D-A type)l improve coplanarityl downshift the HOMO of photovoltaic polymersproblems&solutions表征电池性能的参数1.光谱响应特性:光谱响应特性是指太阳电池对某些特定波长的光,能给出最大的电流,产生最佳的响应。也就是说,在阳光照射激发作用下,太阳电池所收集到的光生电流与照射到电池表面上的入射波长有着直接的关系。表征电池性能的参数1.光谱响应特性n光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池,测量此时的短路电流Isc;然后依次改变单色光的波长,再重新测量电流。1.
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