多酸在太阳能电池中的应用.ppt

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1、多酸在太阳能电池中的应用,陈 乔 有机化学,一、背 景 二、太阳能电池的基本原理 三、太阳能电池的应用 四、太阳能电池的分类 五、多酸/半导体光伏电池的构建及性能研究,目录,一、背 景,随着世界经济和工业化的快速发展，人们对能源的需求量日益增大。现在人类使用的80%多的能源来源于化石能源，其中石油36.4%、天然气23.5%、煤炭27.8%。如果以现在日消耗原油8250万桶来计算，现有的石油储量将在40年后消耗殆尽，天然气和煤炭分别为60年和150年。而这些化石能源是不可再生的，人类正面临着化石能源枯竭的能源危机。因此，寻求高效清洁的可再生能源是世界各国的共同目标。,太阳能是取之不尽，用之不竭

2、的清洁能源，是人类开发利用的最理想能源，也是人类发展最有潜力和应用最广的一种新能源。地球表面每年可接收31024焦耳的太阳能，如果开发地球表面所接收太阳能的0.013%就足够满足当前人类的能量需求了。,太阳能电池的历史起源于1839年 法国科学家贝克勒尔发现“光伏效应” 。美国的贝尔实验室在1954年首次成功地研制出单晶硅太阳能电池，立刻在世界范围内引起了轰动，从此引发了太阳电池研究的热潮，此后太阳能电池被广泛的应用于卫星、航天、军事等领域。,二、太阳能电池的基本原理,太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，一边是p区,一边是 n 区，两个相互接触的界面附近形成一个结叫p -

3、 n结，结区内形成电场，成为电荷运动的势垒。,当太阳光入射到太阳能电池表面上后,所吸收的能量大于禁带（Eg）宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下，空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在n区形成电子积累，若电路闭合，就形成电流。,三、太阳能电池的应用,交通设施 交通/铁路信号灯 交通警示/标志灯 高空障碍灯,通信方面 光缆维护站 小型通信机 信号发射塔,建筑设施,航空航天 卫星供电电池 航天飞机供电 探测器电池,家电方面 手提灯 节能灯 充电器,太阳能汽车,四、太阳能电池的分类,根据所用的半导体材料，太阳能电池可分为:硅基太阳能电池；化合物薄膜太阳能电

4、池；染料敏化太阳能电池；聚合物太阳能电池四大类。,第一代：单晶硅和多晶硅两种，大约占太阳能电池产品市场的89.9。其中，单晶硅电池转换效率最高，可达到1820，但生产成本高。,第二代太阳能电池。即：非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池以及多结太阳能电池。极大的降低电池原材料生产的成本。但转换效率仅为610%。,第三代太阳能电池。即：染料敏化太阳能电池、聚合物（有机）太阳能电池，进一步降低了生产电池的原材料成本，同时，也进一步简化了电池的生产工艺。缺点：目前主要限于实验室研究，仍需大量研究工作深入探索。,各类太阳能性能的比较,染料敏化太阳能电池,染料敏化太阳能

5、电池(Dye-Sensitized Solar cells，简称DSSC) ，其工作原理与传统硅电池不同，它对光的吸收主要通过染料来实现，再通过动力学反应速率来控制电荷的分离传输。DSSC对材料纯度和制备工艺的要求并不高,使得其成本低廉，仅为硅太阳能电池的1/5-1/10左右,为人类推广利用太阳能电池提供了方便。,染料敏化太阳能电池的结构如图 ，主要由导电基底材料、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极五部分组成。,(1)导电基底材料:最广泛使用的是透明导电玻璃(TCO)，它是在一定厚度（1-3mm）的普通玻璃上镀上导电膜制成的，有 FTO（掺氟的 SnO2）、ITO(氧化铟锡)等。

6、,(2)半导体薄膜：主要是 TiO2多孔薄膜，另外还有 ZnO、Nb2O5、WO3、Ta2O5、CdS、Fe2O3和 SnO2等。,(3)染料敏化剂：对于染料光敏化剂，有无机染料和有机染料。,(4)电解质：分为液体电解质、准固态电解质和固体电解质。目前使用最广泛的是 I-/I3-液态有机溶剂电解质体系。,(5)对电极：所使用的材料主要有铂和碳等，目前应用最广泛的就是在导电玻璃上镀上一层 Pt 来作为对电极。,（1）单色光转化效率（incident photonelectron conversion，IPCE）：它的定义是单位时间内外电路中产生的电子数与入射单色光光子数的比。 （2）开路电压Vo

7、c: 当电池的电流为 0 时测得的电压。 （3）短路电流密度Jsc：当电池两端的电压为 0V时测出的电流密度。,染料敏化太阳能电池的重要参数,（4）填充因子FF：最大输出功率Pm与极限输出功率（JscVoc）的比值。 （5）效率 ：衡量电池光电转化性能的指标，定义为输出最大功率与入射光强的比值。,五、多酸/半导体光伏电池的 构建及性能研究,(1)多酸/TiO2复合膜,根据量子化学的计算和安森(Anson)等的研究, 认为多酸阴离子中的M-O骨架具有储存和传输电子的能力, 因此, 可在光电响应中起传输电子的作用。,1991年，瑞士格雷策尔 (Grtzel)实验室以纳米多孔TiO2半导体膜作光电极

8、，成功制备出染料敏化太阳能电池，在AM1.5的太阳光照射下光电转换效率达7.1%。随着不断深入的研究，到1997年，该类电池的光电转换效率达到了10%-11%。到 2011 年，格雷策尔 (Grtzel)教授课题组将此类电池的光电转化效率提高到了 12.3%。,提高半导体的光电转换效率的方法：增加半导体的光响应范围、提高光生载流子的转移和减小载流子的复合。二氧化钛纳米管表面光生电子和空穴的快速复合限制了其在光电方面的应用，利用多酸捕获电子的能力来抑制二氧化钛表面快速的电子和空穴的复合，从而提高二氧化钛半导体光催化效率。,东北师大王恩波教授课题组,利用LBL(层接层)法制备的H3PW12O40(

9、PW12)-TiO2薄膜作为染料敏化太阳能电池的新型界面层。,图1,经过煅烧，多酸的特征峰（P-Oa：1079、W=Od：983、W-Ob-W：890850、W-Oc-W：800760）并没有消失，说明煅烧后PW12仍然稳定存在。,图2,图3,(PW12)-TiO2薄膜在240 nm处的吸光度随着层数的增加而呈现线性增长，说明PW12和TiO2被均匀的吸附到复合膜中。,图1,图4,与空的FTO相比,(PW12/TiO2)n/FTO的透过率更好，这是由于层接层法处理之后玻璃表面更平滑。,原子力显微镜可以看到粒子的分布均匀没有聚集显现，估算出膜大约厚度为 35 nm。,图5,表1,由表可知，性能最

10、好的是带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC。,开路电压衰减法（OCVD）是测量暗态条件下的电子复合的一个有效的手段。,图6,在电压 0.200.65 V范围内，带有界面层(PW12/TiO2)3的电池显示出了最长的电子寿命。这说明(PW12/TiO2)3界面层有着可以接受电子，减小复合的作用。,图7,图7为单色光转化效率曲线。在波长短波长400520 nm范围内和中波长 600650nm范围内，带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC的转化效率比不做处理的电池有大幅度的提高。,图8,在连续 300 小时的测试下电池的Jsc、Voc、FF、 参数都没发生明显的变化，表明电池的稳定性良

11、好。,图7,PW12在界面层中可以有效地加速电子向外电路传递，并且可以抑制电子复合。带有(PW12/TiO2)3界面层的DSSC的效率比不做任何处理的DSSC提高了 53%。由此可以看出，多酸基的界面层为制作高性能的DSSC提供了一个不错的选择。,ZnO是一种宽带隙半导体氧化物，具有高的电子迁移率，已经在太阳能电池领域获得应用。但是单纯的ZnO薄膜对太阳光的光电转换效率并不高，主要是因为其对光波响应范围较窄，另一个主要原因是ZnO材料的电子注入效率较低。多酸阴离子是一个“电子库”，具有接受和存储电子的能力。把多酸引入到ZnO薄膜中，使其作为电子接受体，来捕获ZnO导带的光生电子以提高光生电子迁

12、移率，从而阻止光激发电子-空穴的复合，提高其光电转换率。,(2)多酸对 ZnO 光电转换性能的促进效应,通过简单的溶剂热方法, 首次合成了含有多酸(H3PW12O40)的ZnO纳米粒子，并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极。,东北师大王恩波教授课题组,在 700-1200 cm-1波数范围内展示了多酸的特征峰。这些结果表明，多酸通过静电引力被吸附在氧化锌纳米粒子表面。,XRD图与ZnO的JCPDS 卡片 no.361451相对应，POM的峰不明显，这可能是由于POM的含量比较低，或者两者的峰发生重叠所至。,3,由图b可知，化合物1的的平均粒径为60 nm，由图d可知，空白组的平均粒径为40 n

13、m，由此可以证明(H3PW12O40)的存在。,4,测得的光电转换效率比不含多酸的ZnO纳米粒子光阳极提高了 49.1%。一系列平行实验表明含W系列Keggin型多酸阳极性能高于含Mo系列的，其中含有多酸H3PW12O40的光电转换效率最大可达 2.7%。,多酸的种类很多，其在太阳能电池方面的应用目前还处于起步阶段，相信以后多酸在太阳能电池方面会有更大的发展。,参考文献,1 王诗铭.多金属氧酸盐-TiO2复合膜在光伏器件和电致变色器件上的应用 研究D. 长春：东北师范大学.2013. 2 孙志霞.多酸/半导体复合膜的制备及其光电性能研究D. 长春：东北师范 大学. 2013. 3 罗新泽.多酸

14、/ZnO光伏电池的构建和性能研究D. 东北师范大学.2012. 4 赵明亮.二氧化钛纳米管/多酸复合材料的制备及光催化性质研究D. 长春： 东北师范大学 .2012 . 5 郭霜霜.染料敏化太阳能电池对电极材料研究D. 东北师范大学 .2013. 6 Wang S.Liu L, et al.Polyoxometalate/TiO2 Interfacial Layer with the Function of Accelerating Electron Transfer and Retarding Recombination forDye-Sensitized Solar CellsJ. | Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 150156 7 Li J, Sang X, Chen W, et al. The Application of ZnO Nanoparticles Containing Polyoxometalates in DyeSensitized Solar CellsJ. European Journal of Inorganic Chemistry, 2013, 2013(10-11): 1951-1959.,thanks,