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太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓iii-v化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。 一、硅太阳能电池 1.硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应,一般的半导体主要结构如下: 图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在着一个空穴,它的形成可以参照下图: 图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子,因为硼原子周围只有3个电子,所以就会产生入图所示的蓝色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和,形成p(positive)型半导体。 同样,掺入磷原子以后,因为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成n(negative)型半导体。黄色的为磷原子核,红色的为多余的电子。如下图。 n型半导体中含有较多的空穴,而p型半导体中含有较多的电子,这样,当p型和n型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势差,这就是pn结。 当p型和n型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层),界面的p型一侧带负电,n型一侧带正电。这是由于p型半导体多空穴,n型半导体多自由电子,出现了浓度差。n区的电子会扩散到p区,p区的空穴会扩散到n区,一旦扩散就形成了一个由n指向p的“内电场”,从而阻止扩散进行。达到平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,这就是pn结。 当晶片受光后,pn结中,n型半导体的空穴往p型区移动,而p型区中的电子往n型区移动,从而形成从n型区到p型区的电流。然后在pn结中形成电势差,这就形成了电源。(如下图所示) 由于半导体不是电的良导体,电子在通过p-n结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖p-n结(如图 梳状电极),以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图),将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。 2.硅太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,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电池。 化学气相沉积主要是以sih2cl2、sihcl3、sicl4或sih4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用si、sio2、si3n4等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 lpcvd在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。 三、纳米晶化学太阳能电池 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的,但由于成本居高不下,远不能满足大规模推广应用的要求。为此,人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索,而这当中新近发展的纳米tio2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。 以染料敏化纳米晶体太阳能电池(dsscs)为例,这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底,染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 阳极:染料敏化半导体薄膜(tio2膜) 阴极:镀铂的导电玻璃 电解质:i3-/i- 如图所示,白色小球表示tio2,红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的tio2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入tio2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。 纳米晶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。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10.寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步,估计不久的将来会逐步走上市场。 四、染料敏化tio2太阳能电池的手工制作 1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜 (3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10~15分钟,然后冷却 2.利用天然染料为二氧化钛着色 如图所示,把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶,加一汤匙的水并进行挤压,然后把二氧化钛膜放进去进行着色,大约需要5分钟,直到膜层变成深紫色,如果膜层两面着色的不均匀,可以再放进去浸泡5分钟,然后用乙醇冲洗,并用柔软的纸轻轻地擦干。 3.制作正电极 由染料着色的tio2为电子流出的一极(即负极)。正电极可由导电玻璃的导电面(涂有导电的sno2膜层)构成,利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的,利用手指也可以做出判断,导电面较为粗糙。如图所示,把非导电面标上‘+’,然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 4.加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质,它主要用于还原和再生染料。如图所示,在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 5.组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上,在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质,然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开,用两个夹子把电池夹住,两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样,你的太阳能电池就做成了。 6.电池的测试 在室外太阳光下,检测你的太阳能电池是否可以产生电流。
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