纳米结构太阳能电池-综述
DSSC太阳能电池结构原理及各方面的综述
收稿日期:2006-03-20作者简介:白素贞(1977-),女,河南省襄城县人,平顶山学院化学化工学院讲师.DSSC 太阳能电池白素贞,杨维春(平顶山学院,河南平顶山467002)摘 要:介绍了染料敏化纳米太阳能电池(DSSC 电池)的结构和原理,对纳米TiO 2膜、敏化染料、电解质的研究进展进行了综述,并对其应用前景作出展望.关 键 词:染料敏化;纳米薄膜;太阳能电池中图分类号:T K511 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)05-0044-041 引言太阳能作为一种可再生能源,具有其它能源所不可比拟的优点.它取之不尽,用之不竭,而且分布广泛,价格低廉,使用安全,不会对环境构成任何污染.将太阳能转换为电能是利用太阳能的一种重要形式.在过去的十几年中,利用半导体光电化学电池替代常规固态光伏半导体太阳能电池来完成太阳能转换的潜在经济价值日益显现.在众多的半导体材料中,TiO 2以其独有的低廉、稳定的特点得到广泛的应用.辐射到地球表面的太阳光中,紫外光占4%,可见光占43%,N 型半导体TiO 2的带隙为3.2eV ,吸收位于紫外区,对可见光的吸收较弱,为了增加对太阳光的利用率,人们把染料吸附在TiO 2表面,借助染料对可见光的敏感效应,增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率,由此构造了染料敏化太阳能电池-DSSC (dye -sensitized solar cell )电池.1991年瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel 教授等[1]在Nature 上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化TiO 2纳米薄膜为光阳极的光伏电池,它是以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)配合物为敏化染料,称为Gratzel 型电池.这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新.目前,此种电池的效率已稳定在10%左右,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上,具有广泛的应用价值.2 DSSC 电池的结构和基本原理DSSC 是由透明导电玻璃、TiO 2多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt 对电极构成的“三明治”式结构电池.光电转换机理如下[2-3]:1)太阳光(hν)照射到电池上,基态染料分子(S )吸收太阳光能量被激发,染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S 3);2)激发态的电子快速注入到TiO 2导带中;3)电子在TiO 2膜中迅速的传输,在导电基片上富集,通过外电路流向对电极;4)处于氧化态的染料分子(S 3)与电解质(I -/I 3-)溶液中的电子供体(I -)发生氧化还原反应而回到基态,染料分子得以再生;5)在对电极附近,电解质溶液得到电子而还原(见图1).图1 染料敏化太阳能电池基本原理示意图第21卷第5期2006年10月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.5Oct.20063 影响因素下面主要从太阳能电池的结构讨论其光电转化性能的影响因素.3.1 TiO 2电极膜材料在染料敏化纳米太阳能电池中可以用的纳米半导体材料是多种多样的,如金属硫化物、金属硒化物[4-5]、钙钛矿以及各种金属的氧化物.在这些半导体材料中,TiO 2性能较好:1)作为光电极很稳定;2)TiO 2比较便宜,制备简单,并且无毒.纳米TiO 2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大.纳米TiO 2的粒径小,比表面积越大,吸附能力越强,吸附染料分子越多,光生电流也就越强.所以人们采用不同方法制备大比表面积的纳米TiO 2,包括气相火焰法、液相水解法、TiCl 4气相氧化法、水热合成法、溶胶凝胶法等[3,6-8].将得到的TiO 2微粒沉积到导电玻璃表面制备TiO 2薄膜电极.染料敏化纳米太阳能电池所用的纳米膜包括致密的TiO 2薄膜和纳米多孔结构的TiO 2薄膜.通常的制备方法有:溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等[9-11].纳米TiO 2的微观结构,如粒径、气孔率等对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响.对TiO 2电极的改造工作主要包括2个方面:1)TiO 2的离子掺杂.离子的掺入减少了电子空穴对的复合,促进了电子空穴的分离,延长了电荷的寿命,从而使光电流得到增大,掺杂离子主要是过渡金属离子或者稀土元素[12-16];2)复合薄膜.常用的复合半导体化合物有CdS ,ZnO ,PbS 等[17-19].3.2 敏化染料的开发染料敏化光电化学电池对染料敏化剂和氧化还原对有一定的要求,必须满足下列条件:1)在半导体表面具有良好的吸附性,能够快速达到吸附平衡,且不易脱落,染料分子母体上应有易于纳米半导体表面接合的基团,如-COOH ,-SO 3H ,-PO 3H 2等[1,3,20];2)足够负的激发态氧化还原电势以使电子注入到半导体导带;3)激发态寿命足够长,且具有高电荷传输效率;4)与太阳光谱相匹配,尽可能将光吸收区扩展到红外区;5)氧化态与激发态稳定性较高,不易分解;6)基态的染料敏化剂不与溶液中的氧化还原对发生作用;7)氧化还原对的电势与半导体的平带电势相差越大越好;8)电子在转移过程中速率常数要大,以使能量损失较小[3,21-23].常见的用作敏化剂的染料主要包括:1)羧酸多吡啶钌.这是用得最多的一类染料,它们具有特殊的化学稳定性、突出的氧化还原性质和良好的激发态反应活性,对能量传输和电子传输都具有很强的光敏化作用.目前,使用效果最好的染料为RuL 2(SCN )2(L =4,4’-二羧基2,2’-联吡啶)和K -19染料(见图2)[24-28].2)有机类染料.包括聚甲川染料[29]、酞菁类染料(见图3)[30]、以及一些天然染料,如类胡萝卜素[31]、花青素[32]、紫檀色素[33]等.纯有机染料种类繁多,吸光系数高,成本低,但电池的IPCE 和ηsun (总光电转换效率)比较低.3)复合染料.为了最大限度的吸收可见光-近红外光波段的太阳光能,把两种或多种在不同光谱段有敏化优势的染料嫁接在一起,形成的复合染料[34-35].4)透明染料.将DSSC 太阳能电池板制备成窗玻璃,这是针对DSSC 电池实用化开发的新染料.图2 K -19染料的化学式3.3 电解质液体电解质的选材范围广,电极电势易于调节,因此得到了令人欣喜的结果.目前主要应用的液体电解质为I 3-/I -、Br 2/Br -、Na 2SO 4/Na 2S 、[Fe(CN )6]3-/[Fe(CN )6]4-[36-37]等.液体电解质的转化效率较高,但易出现敏化染料脱附、密封困难等问题.固体电解质可以避开这些缺点,因此开发转化效率较高的固体电解质有重要意义[38].固态电解质的研究包括:1)凝胶电解质:如由偏二氟乙烯和六氟丙稀聚合的凝胶电解质,敏化到纳晶电极上组成的电池在太阳光下的光电转化效率超过了6%[39-40].2)P 型半导体电解质:如CuI 电解质、CuSCN 聚合物电解质等[41].3)聚合物空穴传输材料,如聚乙烯咔唑、聚硅烷、聚丙烯酸酯等也被用于固态太阳能电池中[42].・54・第5期 白素贞,杨维春:DSSC 太阳能电池与液体电解质相比,这些半固态、固态电解质的光电转化效率还普遍较低(小于3%),这可能是由于半固态、固态电解质很难与多孔的TiO 2电极紧密结合,载流子在“染料/电解质”界面复合严重造成的.但是,我们相信随着研究的深入,固态电解质将进一步发挥其优势,光电性能将逐渐逼近传统的液态电解质.图3 酞菁Zn 化合物3.4 光阴极(对阴极)I 3-在光阴极上得到电子生成I -离子,该反应越快,光响应就越好.目前,铂电极用的最多,当然也有研究者用碳材料以及其他廉价金属来代替铂作光阴极材料,取得了一定的进展[43].4 结论尽管染料敏化纳米太阳能电池总的光电转换效率已超过了10%,发展潜力巨大,但是要想真正实用化还需要解决以下几个问题:1)纳米TiO 2膜的制备.优化纳米晶膜,减少电子在传输过程中的损失;探索多种半导体的复合膜,优化TiO 2的能级结构和与染料能级的匹配性,制备更为紧凑有序的纳米阵列电极材料是今后的主要研究内容[7,44].2)染料问题.寻找低成本而性能良好的染料和利用几种染料的共敏化作用,设计合成全光谱吸收的黑染料可以提高总的效率.3)固态电解质.这是DSSC 太阳能电池实用化的前提.4)对电子注入和传输的内在机理进行深入的研究.设计出更有利于光吸收、电子注入和传输的DSSC 太阳能电池.虽然目前还存在一些问题,但是随着技术的进一步发展,DSSC 太阳能电池必将走向实用化,从根本上解决人类的能源问题.参考文献:[1]O ’REG AN B ,GRA TZEL M.A Low -cost ,High E ffi 2ciency S olar Cell Based on Dye -sensitized Colloidal TiO 2Films[J ].J Nature ,1991,353:734-740.[2]Tennakone K ,et al.A dye -sensitized mano -porous sol 2id -state photovoltaic cell [J ].Semicond.Sci.Technol.1995,10(12):1689-1693.[3]陈 炜,孙晓丹,等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J ].世界科技研究与发展,2004,26(5):27-34.[4]Wang Y anqin ,Hao Y anzhong et al.The Photoelec 2trochemistry of transition metal -ion -doped TiO 2nanocrystalline electrodes and higher solar cell conversion efficiency based on Zn2+-doped TiO 2electrode [J ].J .Mater.Sci ,1999,34(12):2773-2779.[5]Shiratsuchi ,K entaro ,Takizawa ,Hiroo.Photoelectric conversion device and solar cell :European patent.,0901175A2[P].1999-03-10.[6]方晓明,翟金清,陈焕钦.液相法合成纳米TiO 2的进展[J ].硅酸盐通报,2001(6):30-32.[7]武文俊,郝彦忠.纳米光电化学电池的敏化剂及其敏化机理研究[J ].河北科技大学学报,2004,25(2):4-9.[8]Yury V K olen ko ,Victor D Maximov ,Alexei V G arshev ,et al.Hydrothermal synthesis of nanocrystalline and meso 2porous titania from aqueous complex titanyl oxalate acid so 2lutions[J ].Chemical Physics Letters ,2004,388:411-415.[9]Christophe J ,Gr ¨atzel Michael ,et al .Nanocrystalline ti 2・64・平顶山学院学报 2006年tanium oxide electrodes for photovoltaic application[J].J.Am.Ceram.S oc.,1997,80(12):3157-3171. [10]Hagfeldt Anders,et al.Photoelectrochemical studies ofcolloidal TiO2films:the charge separation process studied by means of action s pectra in the UV region[J].S olar Energy Materials and S olar Cells,1992,27:293-304. [11]Hofler H J urgen,Hahn Horst.Temperature dependenceof the hardness of nanocrystalline titanium dioxide[J].J.A m.Ceram.S oc.,1991,74(10):2672-2674.[12]杨 蓉,王维波,等.苯基磷酸联吡啶钌络合物敏化纳晶多孔TiO2薄膜电极光电性能研究[J].感光科学与光化学,1997,15(4):293-296.[13]Wang Y anqin,Cheng Humin,Hao Y aozhong,et al.Preparation,characterization and photoelectrochemical be2 haviors of Fe(III)-doped TiO2nanoparticles[J].J.Mater.Sci.,1999,34(15):3721-3729.[14]Wang Chuan-yi.In situ electron microscopy investiga2tion of Fe(III)-doped TiO2nanoparticles in an aqueous environment[J].Journal of Nanoparticle Research,2004(6):119-122.[16]Teruhisa Ohno,Toshiki Tsubota.Photocatalytic activityof a TiO2photocatalyst doped with C4+and S4+ions having a rutile phase under visible light[J].Catalysis Let2 ters,2004,98:255-258.[17]Tennakone K.A dye-sensitized nano-porous solid statephotovoltaic cell[J].Semiconductor Science and Technol2 ogy,1995(10):1689-1693.[18]Zaban A,Chen S G,Chappel S,et al.Bilayer nanoporouselectrodes for dye sensitized solar cells[J].Chem.Comm.,2000,22:2231-2232.[19]Tennakone K,et al.An efficient dye-sensitized photo2electrochemical solar cell made from oxides of tin and zinc [J]mu.,1999:15-16.[20]孙世国,彭孝军,等.铼联吡啶系列光敏染料的合成[J].高等学校化学学报,2004,25:820-822.[21]吴季怀,郝三存,等.染料敏化TiO2纳晶太阳能电池研究进展[J].华侨大学学报,2003,24:335-344. [22]Xiao Zhongdang,Li Ming,et al.The influence of newbinding state of dye-molecules to TiO2electrode surface on IPCE performance[J].J.Phys.Chem.S olid,1998, 59:911-914.[23]K ay Andreas,Gr¨atzel M.Low cost photovoltaic modulesbased on dye-sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon power[J].S olar Energy Materials and S olar Cells,1996,44:99-117.[24]Desilvoestro J,Gratzel M,K aven L,et al.Highly effi2cient sensitization of titanium dioxide[J].J.AM.Chem.S oc.,1985,107(10):2988-2990.[25]Zubavichus Y V,Slovokhotov Y L,et al.StructuralCharacterization of S olar Cell Prototypes Based on Nanocrystalline TiO2Anatase Sensitized with Ru Com plex2 es.X-ray Diffraction,XPS,and XAFS S pectroscopy Study[J].Chem.Mater.,2002,14:3556-3563. [26]Wang P,Zakeeruddin S M,et al.G elation of Ionic Liq2uid-Based Electrolytes with Silica Nanoparticles for Quasi -S olid-State Dye-Sensitized S olar Cells[J].J.AM.CHEM.SOC.,2003,125:1166-1167.[27]Herve′Nusbaumer,Jacques- E.Moser.Co II(dbbip)22+Complex Rivals Tri-iodide/Iodide Redox Mediator in Dye-Sensitized Photovoltaic Cells[J].J.Phys.Chem.B,2001,105:10461-10464.[28]Zakeeruddin S M,Nazeeruddin M K.Design,Synthesis,and Application of Amphiphilic Ruthenium Polypyridyl Photosensitizers in S olar Cells Based on Nanocrystalline TiO2Films[J].Langmuir,2002,18:952-954.[29]James C,Hideo T.Fabrication of solid state d ye-sensi2tized TiO2solar cells combined with polypyrrole[J].Jour2 nal of Applied Phycology,2000(12):207-218. [30]Arakawa H,et al.Photosensitization of a porous TiO2electrode with merocyanine dyes containing a carboxyl group and a long alkyl chain[J]mun., 2000,13:1173-1174.[31]Moon I S,K im D S.Electron transfer via organic dyes forso lar conversion[J].Journal of Materials Science:Mate2 rials in Elexctronics,2001(12):137-143.[32]Srikanth K,Marathe V R,M anoj K.Role of electronicstructure of ruthenium polypyridyl dyes in the photoconver2 sion efficiency of dye-sensitized solar cells:Semiem pirical investigation[J].International Journal of Quantum Chem2 istry,2002,89:535-549.[33]Grabzel M.S ol-gel processed TiO2films for photovoltaicapplications[J].Journal of S ol-G el Science and Technol2 ogy,2001,22:7-13.[34]Nuesch F,Gratzel M.Merocyaine Aggregation in Meso2porous Networks[J].J.Am.Chem.S oc.,1996,118(23):5420-5431.[35]Huang Chun Hui,et al.Photocurrent Enhancement ofHemicyanine Dyes Containing-SO32-Group through Treating TiO2Films with Hydrochloric Acid[J].J.Phys.Chem.B,2001,105(38):9210-9217.[36]Hu Jianjun,Lindstro H.Dye-sensitized nano structuretandem cell first demonstrated cell with a dye-sensitized photocathode[J].S olar Energy Materials and S olar Cells, 2000,62:265-273.(下转第60页)・74・第5期 白素贞,杨维春:DSSC太阳能电池[2][美]Russell Jones A.As 与C #:从入门到精通[M ].陈建春,白 雁,杨永平,等,译.北京:电子工业出版社,2003.[3]萨师煊,王 珊.数据库系统概论[M ].北京:高等教育出版社,2002.[4][美]Jeff Ferguson ,Brian Patterson ,等.C #宝典[M ].盖江南,朱海绫,王 勇,等,译.北京:电子工业出版社,2002.N e ws Management System B ased On .N etSUN Ze -jun ,SUN Ya -nan(Pingdingshan University ,Pingdingshan ,Henan 467002,China )Abstract :This paper introduces the way and the method of using ASP.N ET and database techniques to develop school news management systems.Schools realize their news dynamic management and the unified news management of each department with this system ,which makes the information management more prompt and more efficient.At the same time ,the developmental principle ,the function and characteristics and the design scheme of the system are introduced.K ey w ords :database ;columns management ;news management ;pictures management ;ASP.N ET(上接第47页)[37]Jessica Kruger ,Robert Plass ,Michael Gratzel.Im prove 2ment of the photovoltaic performance of solid2state dye2sensitized device by silver complexation of the sensi 2tizer cis2bis (4,4’-dicarboxy2,2’-bipyridine )-bis (isothiocyanato )ruthenium (II )[J ].Applied Physics Letters ,2002,81(2):367-369.[38]Tennakone K ,Bandara J.Photocatalytic acivity of dye -sensitized tin (IV )oxide nanocrystalline particles at 2tached to zinc oxide particles :Long distance electron transfer viaballistictrans portofelectrons acrossnanocrystalline [J ].Applied Catalysis (A ):G eneral ,2001,208:335-341.[39]Wang P ,Shaik M ,et al.A stable quasisolid -state dye-sensitized solar cell with an am phiphilic ruthenium sen 2sitizer and polymer gel electrolyte[J ].Nature Materials ,2003(2):402-407.[40]Eichberger R ,Wiling F.Optoelectronic studies innanocrystalline silicon schottky diodes obtained by hot -wire CVD [J ].Chem.Phys.,1990,141:159-167.[41]Tennakone K ,Kumare G R R A ,et al.A d ye sensi 2tized nanoporous solid state photovoltaic cell [J ].Semi 2cond Sci Technol ,1995(10):1689-1693.[42]Brian O ’Regan ,Frank Lenzmann ,Ruud Muis ,Jean 2nette Wienke.A S olid -State Dye -Sensitized S olar Cell Fabricated with Pressure Treated P25TiO 2and CuSCN :Analysis of Pore Filling and IV Characteristics [J ].Chem.Mater.,2002,14:5023-5029.[43]范乐庆,吴季怀,黄昀 ,林建明,等.阴极修饰对染料敏化TiO 2太阳能电池性能的改进[J ].电子元件与材料,2003,22(5):1-3.[44]Ulrike Diebold.The surface science of titanium dioxide[J ].Surface Sceence Reports ,2003,48:53-229.DSSC SOLAR CE LLBA I Su -zhen ,YAN G Wei -chun(Pingdingshan University ,Pingdingshan ,Henan 467002,China )Abstract :The fundamental structure and the principle of the dye -sensitized nanocrystalline solar cell (DSSC )are introduced in this essay.An overview of nanocrystalline TiO 2film ,dye -sensitization and hole -transporting materials is also given ,and the development prospect is described.K ey w ords :dye -sensitization ;nano -crystalline film ;solar cell・06・平顶山学院学报 2006年。
纳米结构材料及其技术在太阳能电池中的应用和发展现状
纳米结构材料及其技术在太阳能电池中的应用和发展现状王二垒，张秀霞，杨小聪，张绍慧（北方民族大学电信学院，宁夏银川750021）摘要：太阳能电池的发展和利用离不开太阳能电池材料和技术的发展，文中对纳米结构材料及其技术在太阳能电池和太阳能光电转化技术中的应用和发展现状做了简要综述。
介绍了多元化合物太阳电池纳米材料、染料敏化太阳电池纳米材料和有机聚合物太阳电池结构纳米材料的研究现状和技术创新，并指出其发展趋势。
关键词：太阳能电池；阳能电池材料；纳米结构材料；光电转化中图分类号：O 484.4文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）24-0184-04Application and development of NANO -structured materials andtechnologies for solar cellsWANG Er -lei ，ZHANG Xiu -xia ，YANG Xiao -cong ，ZHANG Shao -hui（School of Electronics and Information Engineering ，North National University ，Yinchuan 750021，China ）Abstract:The development and use of solar cells can not be separated from the development of solar materials and technologies ，this paper summarized the application and development of NANO -structured material and technologies for solar cells and solar photoelectric conversion.The study status and technology innovation for multi -element compounds solar cells of NANO -structured materials ，dye -sensitized solar cells of NANO -structured materials and organic polymer solar cells of NANO -structured materials were introduced ，the development tendency were also been pointed out.Key words:solar cells ；solar cell material ；NANO -structured material ；photoelectric conversion收稿日期：2012-08-28稿件编号：201208157基金项目：国家自然科学基金资助项目（60844006）；北方民族大学研究生创新项目（2012XYC040；2012XYC041）；宁夏高等学校科学研究项目基金（2011JY002）；北方民族大学科学研究专项任务项目基金（2011XJZKJ02）；北方民族大学大学生创新项目（CJJ-CX-DX-40；CJJ-CX-DX-39）作者简介：王二垒（1985—），男，河南商水人，硕士研究生。
碳纳米管太阳能电池
碳纳米管太阳能电池你听说过碳纳米管太阳能电池吗？可能不少人会觉得这名字听起来有点高大上，像是科学家才懂的东西，其实不然，这玩意儿可是跟我们的生活息息相关的。
你知道吗？如今太阳能电池已经不仅仅是那些大块头的面板，放在屋顶上吸太阳的能量。
碳纳米管太阳能电池，简直可以说是太阳能技术的“黑马”，有点神秘又特别。
它小巧、轻便、效率高，简直是科技界的小霸王，谁用谁知道。
这东西能让你想到什么？也许你会觉得它是高科技的代表，或者会觉得它离我们还很远，但事实是，它离我们的日常生活越来越近了。
什么是碳纳米管呢？这名字听起来就有点“高深莫测”对吧？其实简单来说，碳纳米管就是一种由碳原子组成的微小管状物质，这东西比头发丝还细，但却坚固得像铁一样。
它的结构就像是“迷你版”的石墨层折叠在一起，给人一种既神秘又强悍的感觉。
简单想象一下，如果你拿一个非常微小的钢丝刷，它可以承载很多的电流，还特别能抗高温，那种力量感就像是微型的“超级英雄”。
这种碳纳米管不仅强大，还是一种非常好的导电材料，拿它来做太阳能电池，简直比用传统材料合适多了。
你要知道，太阳能电池最重要的工作就是捕捉阳光，并将光能转化为电能。
传统的硅太阳能电池就像是老掉牙的老爷车，虽然能跑，但效率不高、占地大。
换成碳纳米管后，问题可就迎刃而解了。
它们既能高效地吸收阳光，又能把光能转化为电能，简直就像是太阳能电池的“新一代明星”。
而且最酷的是，它们不仅仅能在阳光下发挥作用，碳纳米管的特殊结构还让它们能在低光环境下也能发挥一定的作用，这样一来，阴天或者傍晚的时候，它们照样可以为你提供点电力，简直是“晴天不怕太阳，阴天不怕没电”。
再说了，碳纳米管太阳能电池最大的优势就是它们比传统太阳能电池轻得多，薄得多，而且还可以做成弯曲的形状。
试想一下，不用再担心那些硬邦邦的太阳能板占用你家阳台的空间了，甚至可以把它们做成窗帘，或者贴在墙上，几乎不占地方，还能提供能源，太聪明了吧！你可以想象，如果有一天我们穿上带有碳纳米管太阳能电池的衣服，边走边充电，真的是“天上掉馅饼”都能接得住。
如何运用纳米技术提高太阳能电池效率
如何运用纳米技术提高太阳能电池效率太阳能作为可再生能源的重要代表，被广泛应用于发电、供暖和照明等领域。
然而，太阳能电池的效率一直是限制其广泛应用的关键问题之一。
随着纳米技术的迅猛发展，人们开始探索如何利用纳米技术提高太阳能电池的效率。
本文将探讨如何运用纳米技术提高太阳能电池效率，并分析其应用前景。
纳米技术是一种制造和调控物质的方法，通过改变物质的结构和性质，可以实现很多传统技术无法达到的效果。
在太阳能电池领域，纳米技术可以通过以下几种方式提高电池的效率。
首先，纳米技术可以增强太阳能电池的光吸收能力。
传统的太阳能电池对太阳光的吸收效率较低，而纳米技术可以通过调控材料的结构和形态，增加太阳光在太阳能电池中的吸收程度。
例如，使用纳米材料可以制造出具有较大表面积的纳米结构，增加太阳光与材料的接触面积，从而提高光吸收效率。
其次，纳米技术可以改善太阳能电池的电荷分离和传输过程。
当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子会激发电荷，并使其从材料中分离出来。
然后，这些电荷需要通过材料内部进行传输，最终导致电流的产生。
纳米技术可以通过调控材料的结构和界面性质，优化电荷分离和传输过程。
例如，纳米结构可以提供更多的电荷分离界面，提高电荷分离效率；纳米颗粒可以增加电荷传输路径，提高电荷传输速率。
此外，纳米技术还可以改善太阳能电池的光电化学性能。
光电化学性能是指太阳能电池在光照下产生电化学反应的能力，包括光吸收、电子转移和化学反应等。
通过将纳米材料引入太阳能电池体系，可以增加光电化学反应的效率和速率。
例如，使用纳米光催化剂可以促进光电化学反应，提高太阳能电池的光电转换效率；使用纳米材料可以增加电子转移的速率，提高电池的响应速度。
纳米技术在太阳能电池领域的应用前景广阔。
首先，随着纳米技术的不断进步和发展，人们可以制造出更多种类的纳米材料和纳米结构，以适应太阳能电池的不同需求。
例如，金属纳米颗粒，量子点，纳米线等纳米结构的制备可以实现更高效的光吸收和电荷传输。
纳米材料在新能源领域的应用介绍
纳米材料在新能源领域的应用介绍随着全球对清洁和可持续能源的日益迫切需求，纳米材料在新能源领域的应用越来越受到广泛关注。
纳米材料的独特特性使其成为开发高效能源转换和储存设施的理想选择。
本文将介绍纳米材料在太阳能、燃料电池和储能技术等新能源领域的应用。
太阳能是一种可再生能源，广泛应用于发电和热水供应。
纳米材料在太阳能领域的应用主要包括光催化剂和光伏电池。
光催化剂利用纳米材料的特殊表面结构和高比表面积，能够有效地吸收光能并促进反应速率，从而提高水的光解效率和二氧化碳的还原率。
纳米材料作为光催化剂的优势在于其高光吸收率和光电转换效率，如二氧化钛纳米颗粒的饱和吸收度接近100％，这使得光催化剂成为水分解和CO2还原的理想选择。
此外，纳米材料的大比表面积和高光电转换效率使得光伏电池能够更高效地转换太阳能发电。
例如，使用纳米结构材料可以增加光伏电池的光吸收能力，提高光生电子和空穴的分离效率，从而提高光伏电池的光电转换效率。
纳米材料的应用促进了太阳能技术的发展，使其成为替代传统能源的一个可行选择。
燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置。
纳米材料在燃料电池领域的应用主要包括催化剂和电解质材料。
在燃料电池中，催化剂起着重要的作用，能够促进燃料的氧化和还原反应。
纳米材料由于其高比表面积和特殊结构，具有较大的活性表面和更多的催化剂活性位点，对催化反应起着重要作用。
例如，使用纳米铂作为燃料电池催化剂，不仅可以提高氧还原反应速率，还能减少铂的使用量并降低成本。
此外，纳米材料的电解质材料也能提高燃料电池的性能。
纳米尺寸的电解质颗粒可以提高离子传输效率，并减小电极表面积与电解质直接接触的距离。
这些纳米材料的应用使得燃料电池具有更高的效率、更低的成本和更长的寿命，为清洁能源的发展做出了重要贡献。
储能技术是解决可再生能源波动性的关键。
纳米材料在储能技术中的应用主要包括锂离子电池和超级电容器。
锂离子电池是目前广泛应用的可充电电池，而纳米材料的应用可以提高其容量、循环寿命和充放电速率。
纳米技术在太阳能电池领域的应用研究
纳米技术在太阳能电池领域的应用研究在当今能源不断紧缺的形势下，太阳能作为一种可再生的清洁能源备受瞩目。
然而，传统太阳能电池面临着转换效率低、材料昂贵和使用寿命短等问题。
为了克服这些挑战，科学家们开始将纳米技术应用于太阳能电池的研究中，以期提高其效率和性能。
本文将探讨纳米技术在太阳能电池领域的应用研究。
一、纳米材料的应用纳米技术可为太阳能电池提供具有良好性能的材料。
例如，纳米颗粒可以增加太阳能电池的光吸收能力，使其能够更有效地转换太阳能为可用的电能。
此外，纳米颗粒还可以提高电池的导电性和稳定性，从而延长其使用寿命。
因此，研究人员已开始研发各种纳米材料，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，以应用于太阳能电池中。
二、纳米结构的设计与优化纳米技术可以通过设计和优化纳米结构来提高太阳能电池的性能。
例如，利用纳米结构的能带调控效应，可以提高电子-空穴分离效率，从而提高太阳能电池的效率。
此外，纳米结构的表面积比传统结构更大，能够提供更多的活性表面以捕获光能和电子，这也有助于提高电池的性能。
因此，科学家们已开始针对不同类型的太阳能电池，如硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，设计和优化纳米结构，以获得更高的转换效率和稳定性。
三、纳米涂层技术的应用纳米涂层技术是一种将纳米材料应用于电池表面的方法，以提高太阳能电池的性能。
通过在电池表面涂覆纳米材料，可以增强电池的抗反射能力，减少光的反射损失，提高光的吸收效率。
此外，纳米涂层还可以提高电池的稳定性和抗腐蚀能力，从而延长其使用寿命。
因此，研究人员已开始开发各种纳米涂层技术，并在太阳能电池中进行应用研究。
四、纳米技术在光伏材料合成中的应用纳米技术可用于合成具有优异性能的光伏材料。
通过控制纳米级结构和成分，可以改变材料的电子和光学性质，从而提高光伏材料的效率和稳定性。
例如，利用纳米级材料的量子尺寸效应和表面效应，可以增强材料的吸收能力，使之更适用于太阳能电池。
因此，科学家们已开始研究纳米材料合成技术，以获得更高效的光伏材料。
太阳能电池综述：材料、政策驱动机制及应用前景
太阳能电池综述：材料、政策驱动机制及应用前景一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和对环境保护的日益关注，太阳能电池作为一种清洁、可再生的能源转换技术，已经引起了广泛关注。
本文旨在全面综述太阳能电池领域的最新研究进展，包括关键材料的发展、政策驱动机制以及应用前景。
文章首先介绍了太阳能电池的基本原理和分类，然后重点分析了不同类型太阳能电池的关键材料及其性能特点。
在此基础上，文章深入探讨了国家政策对太阳能电池发展的推动作用，包括补贴政策、税收优惠、研发资助等。
文章展望了太阳能电池在未来的应用前景，包括在建筑、交通、航天等领域的应用潜力。
通过本文的综述，旨在为读者提供一个全面、深入的了解太阳能电池领域的窗口，为相关研究和产业发展提供参考。
二、太阳能电池材料太阳能电池的性能和效率在很大程度上取决于所使用的材料。
随着科技的进步，太阳能电池材料的种类和性能也在不断发展。
目前，市场上主流的太阳能电池材料主要包括硅基材料、多元化合物材料、有机材料以及新兴材料如钙钛矿材料等。
硅基材料是最早也是目前应用最广泛的太阳能电池材料。
单晶硅和多晶硅因其稳定的性能和较高的光电转换效率而备受欢迎。
然而，硅基材料也存在一些限制，如成本较高、制备工艺复杂等。
为了降低成本，研究人员正在探索使用薄膜硅、纳米硅等新型硅基材料。
多元化合物材料主要包括铜铟镓硒（CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）等。
这些材料具有较高的光电转换效率和较低的成本，因此在近年来得到了广泛的关注。
然而，多元化合物材料的稳定性和制备工艺仍需进一步改进。
有机材料太阳能电池以其轻质、柔性、可大面积制备等优势而受到关注。
有机太阳能电池主要使用聚合物或有机小分子作为光活性材料，通过光电转换过程产生电能。
尽管目前有机太阳能电池的光电转换效率相对较低，但其低廉的成本和潜在的应用场景使得这一领域具有巨大的发展潜力。
除了上述几种主流材料外，新兴材料如钙钛矿材料也备受瞩目。
钙钛矿材料具有优异的光电性能和较低的成本，被认为是一种极具潜力的下一代太阳能电池材料。
晶体硅、薄膜和纳米结构太阳电池研究
晶体硅、薄膜和纳米结构太阳电池研究作者：王振美来源：《中国新技术新产品》2013年第11期摘要：晶体硅电池和薄膜电池是以太阳能作为蓄能手段的电池，在生产生活中被广泛应用。
本文对晶体硅电池与薄膜电池存在的问题与特性做了详细的说明，并简要介绍了处于研发阶段的纳米结构太阳电池。
关键词：晶体硅；薄膜；纳米结构中图分类号：TM914 文献标识码：A太阳能是有巨大开发潜能的清洁能源。
随着现代科技成果的普及，太阳能被广泛利用。
晶体硅电池和薄膜电池被广泛应用。
新一代纳米结构电池也在研发中。
本文将介绍晶体硅、薄膜、纳米结构三种太阳电池的存在问题及技术特性。
1 晶体硅电池晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池，成本较高，但工艺和材料技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的80%以上。
1.1 单晶硅电池单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。
单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专门为生产太阳电池制备的单晶硅。
单晶硅电池工艺技术成熟，转化效率高，商品单晶硅电池和组件的转化效率为14%-17%，加入新技术之后可超过20%。
改进单晶硅电池的课题主要集中于如何提高转化效率；提高晶体质量。
单晶硅太阳电池转化效率高，但是单晶硅材料价格较高，工艺较为繁琐，因此单晶硅太阳电池的主要问题是成本较高。
1.2 多晶硅电池多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。
与单晶硅相比，多晶硅太阳电池存在的问题是晶粒间界和晶粒的不同取向，晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态势光生载流子的复合中心，影响多晶硅太阳能电池的特性和效率。
一种解决办法是，控制晶体凝固过程的晶粒形状和尺寸，从而降低界面态密度、提高多晶硅太阳电池性能。
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国家政策
国家宏观政策不会直接影响 纳米结构太阳能电池的研究 进展，但是长远来看，宏观 政策可以影响科学家促使本 行业研究的决心。而且税收 政策等，会直接影响光伏产 业的发展，比如12年欧盟对 中国光伏产业的反倾销，直 接导致了一大批光伏企业的 倒闭。 太阳能电池主要应用于光 伏发电领域，国家关于光 伏发电产业政策主要包括： 投资补贴、统一收购、优 惠利率、优惠税收等
1.纳米线太阳能电池有优异的减反射效果。这是由于入射光在纳米 线中会进行多次散射，形成“陷光效应”，从而增加被吸收的几率。 并且纳米线对入射光的偏振方向，入射角度，入射波长也不敏感，导 致纳来线对入射光有很强的捕获能力。 2.轴向结纳米线电池的设计与制作起源于叠层薄膜电池。它采用各种 不同禁带宽度的子电池沿轴向堆叠形成。实际制作中，它是依靠不同 子电池的掺杂不同或者制作材料不同而形成堆叠的结。轴向结纳米线 电池现在的研究方向主、要是在纳来线中制作叠层的量子胖以提高电 池的效率。
聚光叠层太阳能电池
2 单一材料电池只 有能量大于Eg的光子。而 能量远大于的光子， 能量 大于Eg的部分会被当热量 耗散
1 太阳光的光谱范围很宽, 在0.4eV-4eV之间，而单 一材料的禁带宽度是固定 值Eg
3 如果将不同材料制 成的太阳能电池堆叠在一 起形成叠层太阳能电池结 构，则可以有效的解决上 述问题
国家政策
太阳能电池主要应用 于光伏发电领域，国 家关于光伏发电产业 政策主要包括：投资 补贴、统一收购、优 惠利率、优惠税收等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
产能过剩
产能过剩是维持我国经济持续稳定 发展亟待解决的问题，除了在传统行业 存在外，在光伏设备、风电设备、新材 料等新兴产业也较为严重，太阳能光热 产业也未能避免。 由于盲目投资、低水平重复建设， 整个太阳能产业产能大大超过市场需求， 太阳能热水器产品产能严重过剩，产品 同质化严重，难以满足新兴市场需求。 产能过剩问题的解决已势在必行。
传统的太阳能电池相关的 研究已经非常成熟，占到 全球光伏发电量的70%。 但是因为它的光电转换效 率较低，制造成本较高， 争力依然不如传统化石能 源。
纳米线在太阳能电 池上的应用主要有 种：1.纳米线结构 作为减反层； 2.轴向结纳米线电 池；3.径向结纳米 线电池。
1.纳米线结构作为减反层；2.轴向结纳米线电池；
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传统SI电池已经很成 熟了，难以降低成本
聚光叠层太阳能 电池
将不同材料制成 的太阳能电池堆 叠在一起形成叠 层太阳能电池结 构，解决光能耗 散的问题
纳米线太阳能电池
纳米 线是长度在微米级别， 直径在几十至几百纳来 左右的线柱，因而纳米 线与衬底之 间极小的接触面积让他 们之间的应力变小，这 样可以大大减小异质结 生长时产生 的晶格失配。
纳米结构太阳能电池的前景与挑战
刘君 集成电路工程硕士
作者简介
Matthew C. Beard
NREL
马太·C·胡子大叔
耶鲁大学化学 PH·D NREL的高级研究 员
科罗拉多州 美国国家能源部可再生 能源实验室 研究新能源并致力于推 动家庭，汽车，和商业 的发展
太阳能电池的简介与常见的分类 纳米结构太阳能电池的简介
叠层太阳能电池的原理
叠层太阳能电池的原理是用具 有不同带隙的材料做成多个子 太阳能电池，然后把它们按照 从大到小的频序累叠起来，形 成串联的太阳能电池结构。如 图所示，每个子太阳能电池只 吸收自己禁带宽度相对应的光 子，这样整个电池的光谱吸收 范围就能覆盖太阳光光谱的较 大范围，不会出现大量光子无 法吸收的情况，也不会出现大 量高能光子的多佘能量以热能 形式耗散的情况。
光路
3.径向结纳米线电池
如图所示，传统平板 电池面临的一个主要 问题是：电子扩散长 度太短而无法将光生 载流子顺利输运至空 间电荷区，从而未能 被电极有效收集。
如何解决载流子搜集不足的问题？
加州理工 径向结的纳米线的结构
如图所示，纳米线较长的轴向 方向（长度方向）用于吸收光 子，而较短的径向方向（直径 方向）用于收集光生载流子。 由于纳米线太阳能电池的载流 子是径向漂移的，因而载流子 的漂移长度大大减少，有利于 减少载流子的复合，以提高电 池的效率。
据欧洲光伏工业协会预测，太阳能光伏发电在世纪会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
太阳能电池的简介
物理电池
PN节组成
优势明显
太阳能电池属于物 理电池，它依靠光 伏效应来实现对太 阳能的有效利用。
阳光照射在电池表 面，会在电池pn 结交界处产生光生 载流子。结结区产 生的光生载流子被 正负电极所收集， 最终形成光电流提 供给外电路。
为什么要发展纳米结构太阳能电池
传统的Si太 阳能电池相 关的研究已 经非常成熟
光电转换效率 较低,制造成本 较高,竞争力依 然不如传统化 石能源
将传统的三维 体材料电池,变 成二维的纳米 结构太阳能电 池,甚至是一维 的量子点结构 太阳能电池
纳米结构太阳能电池的发展
纳米线太阳能 电池
将传统的三维体材 料电池，变成二维 的纳米线太阳能电 池，甚至 是一维的量子点结 构太阳能电池
CONTENTS
纳米结构太阳能电池的发展方向 纳米结太阳能电池面临的挑战
引言
1.太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万亿千瓦，假如把地球 表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达 5.6×1012 千瓦小时(度)，相当于目前世界上能耗的40 倍。 2.地球上大部分可再生能源，例如风能、水能、海洋温差能、波 浪能和生物质能以及部分潮妙能都是来源于太阳。即使是地球上 的化石能源（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古动植 物存的太阳能。 3.传统化石能源（如煤炭、石油、天然气等）在使用过程中会产 生粉尘、二氧化碟、二氧化琉等大气污染物，对环境产生极大的 污染。人类历史上的大型环境污染事件，比如美国的光化学污染， 英国的雾霾污染，都与化石能源的过度利用密切相关。
太阳能电池具有结 构简单，制造方 便，使用寿命长， 维护简便，可靠性 高，原材料来源丰 富，使用过程无污 染，无噪音等优点。
太阳能电池结构的分类
从1954年第一块太阳能电池发明至今。 太阳能电池的发展已历经三代。 目前正大规模生产和应用的晶体太阳 能电池为第一代太阳能电池技术，薄 膜太阳能电池为第二代太阳能电池技 术。 1.第一代太阳能电池制作工艺简单， 转换效率一般在15-25%之间。由于使 用体硅材料，其成本和重量的下降空 间有限，转换效率也不可能进一步提 高。 2.第二代太阳能电池虽然具有很大 的成本潜力，但其转换效率更低，只 有6-10%。太阳能产业的持续发展，对 转换效率和成本必将提出更高的要求。 3.第三代太阳能技术来实现。从图 所给出的三代太阳能电池的成本和转 换效率区间图可以看出，第三代太阳 能电池转换效率可达60%,而且成本优 势明显。
纳米结构太阳能电池面临的挑战
产能过剩
中国不仅在传统的制 造行业存在产能过剩 的问题，在新兴的光 伏设备，风电设备等 领域也存在严重的产 能过剩的问题，影响 了行业的可持续健康 发展。
技术不成熟
比如叠层设计是目前发 展最好的可通过聚光系 统或降低成本或从优化 薄膜设计增加效率等方 面改进从而降低每瓦成 本的技术，然而该技术 的稳定性不是很好。