1、光伏产业用聚合物材料,目录,1.光伏产业简介2.太阳能电池原理3.聚合物太阳能电池4.染料敏化太阳能电池5.其它用途的光伏产业用聚合物材料,光伏产业,百度词条给出的定义：,利用太阳能的最佳方式是光伏转换，就是利用光伏效应，使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电。以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为“光伏产业” 。,目前已开发和研究的太阳能电池有硅太阳能电池、无机化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机小分子太阳能电池以及聚合物太阳能电池。,中国光伏技术现状,太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、
2、微电子产业之后又一 爆炸式发展的行业。,二、太阳能电池原理,(1)太阳能电池的发电原理太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置.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 型半导体。, PN 结合型太阳能电池太阳能
3、电池是由P 型半导体和N 型半导体结合而成,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,当P 型和N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中,带正电的空穴往P 型区移动,带负电子的电子往N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流.,（2）硅太阳能电池结构,（3）硅太阳能电池的局限性,Si 晶体的制造工艺复杂、要求苛刻（纯度99.999）， 价格昂贵, 大大限制了其规模化。转换效率难以提高，目前只能走降低原材料价格路线。,有机半导体材料以其原料易得、廉价, 制备工艺简单及可大面积制备等优点, 日益受到广大科研工作者的青睐。,20.3%的转换效率，目前国内商用太阳能
4、电池的最高转化率记录,三、聚合物太阳能电池,（1）聚合物太阳能电池原理,在聚合物太阳能电池中, 我们通常将P型材料称为给体材料( D) , 把N型材料称为受体材料( A) 。与无机太阳电池相比, 聚合物太阳能电池的工作原理虽然也是基于P-N结光生伏打效应, 但当光照射到聚合物电池材料时, 光子被吸收后会产生激子( 电子-空穴对) 而非直接产生载流子( 自由电子或空穴) 。激子扩散到给体-受体的接触界面后分离为自由电子和空穴, 在内建电场的驱动下自由电子通过受体材料通道迁移至阳极, 空穴通过给体材料通道迁移至阴极, 从而产生光电流 ( 如图1所示) 。,（2）聚合物/富勒烯衍生物结构光伏电池,对
5、以聚合物为电子供体、富勒烯衍生物为电子受体的光伏电池的研究已开展得比较深入。 结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。 基于P3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到3.54.0%左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但P3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不好（P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有0.6 V左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。,（3）聚合物/无机半导体结构光伏电池,目前具有最高光电转换效率的是OC1C10-PPV/ CdS
6、e结构的光伏电池。该电池是由SunB等研发目前作为电子受体最常用的无机半导体纳米粒子是CdSe材料。,四、染料敏化太阳能电池Dye-Sensitized Solar Cell,染料敏化电池使用“室内太阳能”,“室内太阳能”听起来很矛盾，但人们对于利用染料敏化太阳能电池为电子产品及电网供电的热情一直不减。这种电池所用的光源大部分来自白炽灯、荧光灯及LED灯，而非透过窗户照进来的太阳光。如果有高效能的染料敏化太阳能电池来替代目前电子产品中所用的普通电池，那用电成本将会降低。,染料敏化电池结构,半导体薄膜在理论上应具备以下性质：,（1）半导体氧化物、染料敏化剂以及电解质三者之间的能级要匹配，从而使电
7、子的转移在热力学上成为可能；（2）染料分子与半导体氧化物、染料分子与电解质、以及半导体氧化物与导电基底之间必须紧密接触，以保证电子转移的动力学过程得以实现；（3）半导体氧化物表面应尽可能多地吸附染料，以最大程度利用太阳能。,TiO2薄膜制备方法,采用溶胶-凝胶法合成纳米粉体。采用钛酸四丁酯（TEOT）为前驱体，以无水乙醇为溶剂，采用二乙醇胺（DEA）为络合剂，滴加不同掺杂量（摩尔分数）的La3+ 3溶液，通过溶胶-凝胶浓缩干燥煅烧为TiO2粉末，利用料浆喷涂技术制备TiO2多孔薄膜，以N719为染料对阳极薄膜进行敏化，制备成染料敏化太阳能电池。再用料浆喷涂法制成TiO2薄膜。,TiO2薄膜厚度
8、对DSSC的性能影响,(A1)、(B1)和(C1)分别是膜厚为8.79m、11.68m、15.57m的TiO2薄膜的扫描电镜图。而图4-10右侧的(A2)、(B2)和(C2)是三者相应的微观图，经过扫描电镜的一万倍放大后，我们可以清晰地看到三种膜厚的TiO2薄膜的孔径分布较为均匀，颗粒的粒径基本一致，无明显的团聚现象。这些因素都有利于染料的吸附。,可知随着膜厚的增大，电池的短路电流密度值和开路电压值均得以提高，说明薄膜增厚可利于吸附染料分子，对光的吸收增加，使电子的产生数量增多，从而提高了电池的光电转换效率。,与国外差距,华南理工大学所做的染料敏化太阳能电池光电转换率达到1.926%。目前一般
9、的染料敏化太阳能电池光电转换率可达到15%。昨天，英国威尔士的G24创新公司（G24Innovations）宣布，最新的特制染料敏化太阳能电池转换白炽灯光的效率已达26%,莱斯大学开发的染料敏化太阳能电池，取代铂金，采用碳纳米管、碘电解质与硫化物电解质。,五、其它用途的光伏产业用聚合物材料,含氟合物薄膜作为封装材料在太阳能电池中的应用,由于太阳能电池的主要工作环境为户外,长期的风吹日晒不仅会使太阳能外壳严重受损,还会大大降低光电转换模块的转换效率和使用寿命。因此,具有良好耐候性能的保护膜对于太阳能电池来说成为必不可缺的一部分,而满足这种要求的膜材料只有含氟聚合物薄膜。同时,此类薄膜还可以保证极
10、易破碎的太阳能电池具有良好的机械强度,可以经受运输、安装和使用过程中可能发生的机械伤害。,含氟合物薄膜作为封装材料在太阳能电池中的应用,目前,只有美国杜邦公司能够提供牌号为Teflon和Tedlar的含氟聚合物薄膜作为太阳能电池的封装材料,价格昂贵,还不能完全满足太阳能电池薄膜的市场需要。因此,企业或科研单位急需在当前节能减排政策的大力扶持下自主研发更适合太阳能电池特点的封装材料,满足我国和全球太阳能电池的发展需要。,含氟合物薄膜作为封装材料在太阳能电池中的应用,北京化工大学材料科学与工程学院聚合物加工研究室与浙江蓝天环保高科技股份有限公司联合开发太阳能电池背膜,已经获得了性能接近杜邦的薄膜,
11、而且开发了高效的熔融挤出流延和吹塑工艺,成膜速度快、生产效率高、薄膜强度高、透明度好,可完全满足实际使用需求。,阿科玛（中国）投资有限公司研发的Kynar聚偏二氟乙烯聚合物光伏薄膜，可用于光伏背板的保护，薄膜为 3层结构,在 5000小 时的加速老化实验中，薄 膜 的 黄 变 指 数 （YI ） 和湿蒸汽透过率（MVTR ）低于 PVF薄膜； 薄膜的断裂伸长率始终保持在 300%左右，而薄 膜 在3000 小 时 的 老 化 实 验后，断裂伸长率由最初的 下降至零，即薄膜完全变脆。PVF薄膜一系列性能变化的根本动因是由于紫外老化对于材料表面的破坏所致，而 光伏薄膜由于其独特的加工工艺，表面平整性极 为出色，不易被紫外线或自由基攻击，其表面分子链上氟原子致密的排列，更加保证了薄膜的长期耐候性。,Kynar聚偏二氟乙烯聚合物光伏薄膜应用实例,由德国 公司和 公司共同开发的 结构光伏电池背板（见图），该产品使用两层 Kynar薄膜分别贴合在聚酯薄膜（ PET）的两面，使用合适的粘接剂和表面处理技术获得与基材持久的粘接力,六百微米宽，它的直径就相当于圆珠笔尖点下的一个点。用砷化镓制成的,世界上最小的太阳能电池,谢谢！,
