薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述,包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化合物薄膜太阳电池、以及染料敏化电池等,对每种技术分别从国内外研究现状以及产业化状况进行介绍。     

高效率太阳能薄膜电池

美国科学家研制的一种薄膜光伏电池,在模拟太空环境下工作时几乎把四分之一的太阳能转换成电能.虽然有一些其它类型的太阳电池通过把阳光聚集后入射提高了转换效率,但是这种电池的效率记录是它工作在太阳光的一般光强下产生的.光伏电池把太阳能直接转变成电能.发明这种电池是马萨诸塞州Kopin公司的罗纳德·盖尔和波音航空宇航电子设备公司联合研制,它是由两层很薄的不同材料的半导体组成.     

ZnO纳米结构及其在钙钛矿光伏电池中的应用

近年来,有机-无机杂化钙钛矿光伏电池取得了突飞猛进的发展,已成为光伏领域的研究焦点;其光伏性能的不断提高不仅与钙钛矿材料自身质量与光电特性的提升有关,同时依赖于载流子传输层的优化与设计.鉴于ZnO的优势和特性,本文聚焦于ZnO纳米结构设计及其在钙钛矿光伏电池中的应用,简述了ZnO材料独特的光电性质,总结了ZnO纳米结构的制备方法及合成原理;详细综述了不同维度ZnO纳米结构在钙钛矿光伏电池中的发展进程,着重阐述了化学掺杂、表面修饰、应力调控策略在ZnO基钙钛矿光伏电池性能优化方面的研究进展.本文系统总结了ZnO电子传输层的国内外研究现状、应用前景及发展趋势,为设计构筑高性能ZnO基钙钛矿光伏电池提供了重要的指导.     

初始晶硅多层薄膜光电响应及载流子输运特性

采用等离子体化学气相沉积技术, 通过交替改变H₂流量, 制备了多层结构的氢化初始晶硅薄膜, 利用拉曼(Raman)散射、傅里叶变换红外(FTIR)透射光谱和光电流谱等技术研究了薄膜的微观结构和光电响应特性. 微观结构分析揭示, 薄膜呈现为由纳米晶硅和非晶硅两相组成的初始晶硅结构, 薄膜光学带隙随晶化度提高逐渐降低. 光电流谱的结果显示, 纳米硅晶粒对薄膜内部光生载流子的空间分离可有效降低其非辐射复合几率, 导致薄膜光电响应峰值随晶化度的提高向短波方向移动, 然而纳米硅晶粒界面缺陷对载流子的空间限制使薄膜长波谱段的光电响应显著降低. 外加偏压下, 观察到350~1000 nm范围的光电响应, 表明外加偏压可促进光生载流子的有效收集. 分析表明, 纳米硅晶粒内部电子-空穴对的空间分离及界面载流子激发的共同作用, 导致薄膜光电响应及外量子效率大幅增加和峰位的红移. 实验结果为初始晶硅高效太阳电池的载流子输运控制提供了基础数据.     

叉指背接触硅太阳电池

发展高效晶体硅太阳电池是前沿研究和产业发展的重要趋势。其中叉指背接触(Interdigitated back contact, IBC)硅太阳电池是克服了传统硅太阳电池中栅线电极的遮光损失,具有优异的光电转换效率。IBC电池的核心是界面调控、背部图形化设计和相应的场效应调控,以及寻找低成本的生产方案。本文结合国内外研究现状,系统地介绍了IBC硅太阳电池的结构和界面特点,以及生产制备中涉及的一系列工艺方法。文章最后展望了IBC太阳电池的发展趋势和应用前景。     

纳米硅薄膜界面中的环形结构

纳米固体材料由于具有高浓度界面的结构特性以及相伴随着的新颖物性,1984年以后在材料各个领域得以迅速发展。近年来,随着纳米材料在许多领域的兴起,纳米硅薄膜也受到人们越来越多的关注。纳米硅薄膜是由大量的纳米尺寸晶粒及晶粒间界面构成。由于晶粒具有无规则分布的特征,使得界面具有不同的结构和键合特征。界面对纳米硅薄膜的结构和物性具有极其重要的影响。     

非晶态硅太阳电池

太阳电池是一种直接将太阳光的能量转换成电能的器件。这种方式发电称为太阳光发电。现在市售的太阳电池使用的基板和集成电路及大规模集成电路一样均采用高纯单晶硅。因此价格很贵。这样,提高发电效率,同时开发价格便宜的新材料就成为重要的课题。非晶态硅、带状硅和多晶硅三种材料日益兴起,成为单晶硅锭的有力的取代品。在这些材料中可大幅度降价的、世界各国正在开发的是非晶态硅。这里,所谓非晶态意味着“非结晶状态”(典型的例子如玻璃)。这种非晶态硅具有如下特征:①光的吸收系数大,在薄膜中能获得产     

硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array, Si-NPA), 并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA). 形貌和结构分析表明, Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系, 它具有三个分明的结构层次, 即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒. 研究发现, Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征, 薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化, 并形成一种准周期性结构. 上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性. Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.     

N+注入硅RTA样品的蓝绿光发射

自发现多孔硅在室温下可以发射可见光以来,人们对量子尺寸限制效应的研究兴趣剧增。由于多孔硅结构疏松,不利于广泛应用,人们开始将注意力转移到纳米硅薄膜的研究。朱美芳等人利用非晶硅薄膜快速退火处理,获得连续纳米硅薄膜,并观察到蓝绿光发射,但在脱氢过程中,纳米硅薄膜易损坏。本文通过高剂量N~+注入到硅基体上,经快速退火形成硅与氮化硅镶嵌结构的大面积的纳米硅薄膜,T≥1000℃退火后的样品,观测到有稳定的蓝绿光(500～610nm)发射。     

染料敏化太阳电池中非碘电解质研究进展

染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells,DSC)是蓬勃发展的一种新型光电转换技术,其显著特点是透明和颜色可调.电解质是影响DSC电池光伏特性关键性因素之一.氧化还原电解质正逐渐成为敏化太阳电池、甚至光电化学领域中的研究重点.本文对DSC电池中非碘电解质体系的研究进展,重点针对氧化还原电对分子的电荷性质、溶剂化作用、对电极等对器件性能的影响规律,深入讨论有机氧化还原电对体系在这些领域中的应用.由于有机氧化还原电对体系具有可控性和可变性的优势,相信通过结合新型染料敏化剂和对电极,会在光伏新能源领域中展现出美好的应用前景.     

纳米氧化锌薄膜掺杂失效的重要因素

从纳晶薄膜的形貌出发, 根据纳晶氧化锌薄膜的几种构成归纳了几点近似说明. 这几点说明旨在把纳晶薄膜和单晶薄膜区分开来, 同时利用Kronig-Penney 模型计算了纳晶薄膜的带尾态分布, 设定了一个特征函数, 给出了不同c/b 值下带尾态分布图. 根据这些图形的特点进一步分析了纳晶氧化锌薄膜的掺杂失效现象和薄膜成为绝缘体的条件, 得出了纳晶氧化锌薄膜的电导出现的条件, 也给出了制备P 型氧化锌材料的条件. 当纳晶晶粒达到微晶量级时, 带尾态变得连续起来, 回归单晶的特点. 最后给出大晶粒材料具有导电优势.     

工业化晶体硅太阳电池技术

近十余年来,晶体硅太阳电池产业得到了蓬勃的发展,其制造技术也在不断进步。作者简要回顾了太阳电池的发展历史;描述了太阳电池的工作原理及工业化生产的工艺步骤;重点介绍了当前工业化生产中提高电池效率的几个主要方法,包括优化硅片性能、高方阻、先进的金属化、以及选择性扩散等;最后强调了技术进步对规模化生产带来的影响。     

TiO2薄膜的优化及其对染料敏化太阳能电池性能的影响

介绍了染料敏化太阳能电池的制备过程, 深入探讨了二氧化钛薄膜厚度、四氯化钛处理电极及添加大粒子散射层对电池效率的影响. 研究结果表明, 在一定范围内增加TiO₂电极的厚度可以显著提高电池效率, 但当电极过厚时, 薄膜中的缺陷态增加, 降低了电子的传输效率, 导致光电流下降, 电池效率降低; 四氯化钛处理电极增强了基底导电面与薄膜界面以及二氧化钛粒子间的电接触, 加快电子传输使光电流增强; 引入散射层, 提高了电池在长波段的光捕获效率, 从而提高了电池的效率.     

太阳能光伏发电系统技术的发展

太阳能PV系统从国防军用到民用、从离网系统到并网系统已走过了半个多世纪的历程,效率不断提高,技术日益完善,发电成本逐年下降。随着科技和时代的发展,大规模利用PV技术进行太阳能发电已经蓬勃兴起,而大量分散型PV电源的入网又需要发展微网系统、智能电网系统和全球PV供电系统。     

磁控溅射法制备氧化铜纳米线阵列薄膜及其气敏性质

通过磁控溅射法在掺氟二氧化锡导电玻璃(FTO)衬底上溅射金属铜薄膜,所制备的Cu薄膜在管式炉中退火氧化生长得到CuO纳米线阵列薄膜.用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对其形貌和结构进行了表征,并研究了这种通过磁控溅射得到的CuO纳米线阵列薄膜对CO和H2S的气敏性质.研究结果表明,CuO纳米线阵列薄膜在250℃时对CO气体具有最强的气敏响应,并且当CO浓度增大时其气敏响应明显增强.而对于H2S气体,在常温下CuO纳米线阵列薄膜能够对低浓度的H2S气体响应,说明这种CuO纳米线阵列薄膜可以在常温、低浓度下探测H2S气体;而当测试温度升高时,其电阻值在H2S气体氛围中迅速减小.我们对这种异常的电阻变化现象进行了解释.     

NiO-In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件及其气敏性

通过溶胶凝胶法(sol-gel)研制了NiO-In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,并对传感元件的气敏性能进行了研究.实验结果表明,该传感元件对浓度为1×10-4(体积分数)的二甲苯气体具有较好的选择性,在常温下该传感元件能够检测到二甲苯气体的最低浓度是1×10-7(体积分数),所对应的响应及回复时间分别是3和26s,实验相对标准偏差范围是18%±1%.     

电化学阻抗谱基础

电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)已在电化学能源领域得到广泛的应用,如燃料电池、电池、超级电容器、电解水/二氧化碳等。为了更好地发挥EIS的诊断功能,文章系统地综述了EIS的基础理论、测量技术、发展趋势,以及在电化学能源技术中的应用,并着重阐明了如何理解以下四个核心问题:(1)什么是EIS(What)?(2)为什么需要EIS(Why)?(3)如何实现EIS诊断(How)?(4)EIS能力边界在哪里(Where)?为了用好EIS技术,必须清楚:EIS可以做什么,EIS不可以做什么,EIS擅长做什么。尽管EIS不是无所不能,但是如果能被合理运用,它的价值和潜力将会得到更好发挥,尤其在电化学能源技术领域。     

铅酸蓄电池的发展、现状及其应用

铅酸蓄电池(简称铅酸电池)从问世至今已有150多年的历史,因其价格低廉、技术成熟、性能可靠等优势,已成为目前化学电源中产量最大、应用最广的二次电池,长期以来被广泛应用于社会生产和生活的多种场合。本文介绍了铅酸电池的工作原理、发展历史、技术演化、结构组成和应用现状。在此基础上,展望了铅酸电池的未来发展方向和应用前景。     

PANI/SSA MAPLE 膜的短波激光制备及结构表征

以KrF 准分子激光器为光源, 利用MAPLE(matrix-assisted pulsed laser evaporation)技术制备了磺基水杨酸掺杂聚苯胺(PANI/SSA)薄膜, 利用红外光谱(FTIR)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、X 射线光电子能谱(XPS)和X 射线衍射(XRD)对薄膜结构和组成进行了分析研究. 结果显示, 在基质分子的保护作用下, 复合材料的有机结构得到了有效的保护, 但聚苯胺的分子量和与掺杂有关的结构发生了一定的变化. 实验结果同时显示, SSA 掺杂的PANI 薄膜具有一定的晶态结构.     

含有p-GaN 纳米阵列的InGaN/GaN 双异质结太阳能电池的制作

提出了一种提高p-GaN/i-InGaN/n-GaN 双异质结太阳能电池外量子效率的方法,即将p-GaN 刻蚀成纳米阵列结构. 我们使用Ni 退火形成微结构掩模, 通过感应耦合等离子体(ICP)将p-GaN 刻蚀纳米阵列结构. 同时, 提出了两步刻蚀n-GaN 台面的制作工艺, 以此在形成p-GaN 纳米阵列结构时获得光滑的n-GaN 层表面, 以此改善后续金属电极的沉积. 经测试, 含有p-GaN纳米阵列结构的电池峰值外量子效率可达55%, 比常规p-GaN 膜层基InGaN/GaN 太阳能电池的外量子效率提高了10%.