新型太阳能电池的研究进展毕业论文.docx
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新型太阳能电池的研究进展毕业论文
青岛大学本科毕业论文（设计）任务书
论文（设计）题目
新型太阳能电池的研究进展
学院
物理科学学院
专业
应用物理
学生姓名
陈原
学号
201241803004
选题来源
教师科研课题（）；生产、工程或社会实践课题（）
学生自拟课题（）；师生共同拟定课题（√）
大学生创新创业训练项目（）；学科竞赛（）
研究目标或设计构想：
通过查阅大量的文献，搜集与新型太阳能电池的研究资料，并了解国内外最新研究进展。
针对本课题的研究现状，找准切入点，在已有的基础上提出自己的新想法。
研究内容或设计方案：
通过对于新型太阳能电池的文献资料的阅读和整理，分析和总结当今世界上一些具有代表性的新型太阳能电池，对于其各自的特点进行分析。
并且，其在那些方面可以进行提升等进行总结。
并对于未来太阳能电池的研究进展做进一步的设想。
研究方法或技术路线：
查阅国内外的最新文献，并且分析近几年最具有代表性的新型太阳能电池的各自的特点。
并且对于其可以改进的地方进行设想。
对于其发展前景和对于未来的太阳能电池能够进入人们的生活之中而所需的突破进行进一步的分析。
进度安排：
2014.3.1-2014.3.12具体确定选题，查阅文献，收集、整理相关资料；
2014.3.13-2014.3.25分析文献，进入论文初步研究阶段；
2014.3.26-2014.4.5研究总结，撰写开题报告；
2014.4.6-2014.5.20进一步研究总结，撰写初稿；
2014.5.21-2014.5.30根据论文指导老师的意见进行修改和完善；
2014.5.31-2014.6.5再次修改，定稿，答辩，并按规定格式打印装订并装袋。
论文起止时间：
2016年3月1日——2016年6月5日
学生（签名）：
指导教师（签名）：
年月日
教研室意见：
教研室主任（签名）：
年月日
注：
本表格由学生填写，指导教师审核同意后，由教研室审批留存。
新型太阳能电池的研究进展
Theresearchprogressofnewtypeofsolarcell
郑重声明
本人呈交的学位论文（设计），是在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
除文中已经注明引用的内容外，本学位论文（设计）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文（设计）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文（设计）的知识产权归属于青岛大学。
本人签名：
日期：
摘要
简单的阐述了太阳能电池发展的背景;目前国内的太阳能电池的发展现状；以及未来全球太阳能电池的发展前景。
简略的对太阳能电池的种类进行分类（传统硅基太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池以及聚合物太阳能电池），并且对于各个种类的太阳能的内部的工作原理，相应的材料，以及该种类电池在未来面临的挑战，可供提高的切入口进行了简单的综述。
为提高太阳能电池的性能方面进行了较为全面的阐述。
小到材料的分子原子，大到全球应用前景。
围巾可能的全面的对于目前来说具有带变形的太阳能电池进行综述。
关键词传统硅基太阳能电池染料敏化太阳能电池钙钛矿太阳能电池聚合物太阳能电池
Abstract
Thispaperexpoundsthebackgroundofthesolarcelldevelopmentissimple,thepresentsituationofdomesticsolarcells,andfutureprospectsofthedevelopmentoftheglobalsolarcell.Briefclassifyingthetypesofsolarcells（traditionalsilicon-basedsolarcells,dyesensitizedsolarcell,perovskitesolarcellmemorypolymersolarcells）,andfortheinternalworkingprincipleofvariouskindsofsolarenergy,thecorrespondingmaterials,aswellasthetypesofthebatteryinthefuturechallenges,toimprovetheintroductionhascarriedonthesimplereview.Inordertoimprovetheperformanceofsolarcellsaspectsarecomprehensivelydescribed.Smalltomaterialmoleculesandatoms,greatapplicationprospectintheworld.Scarfpossiblecomprehensiveforthedeformationofasolarcellswerereviewed.
KeyWorld:
Traditionalsiliconbasedsolarcells;Dyesensitizedsolarcell;Perovskitesolarcell;Polymersolarcells
引言
目前，能源问题越来越成为人们关注的热点问题。
随着科技的不断发展和完善，地球上的能源也在不断的枯竭。
而太阳能电池（solarcell）是解决能源问题的重要一环。
并且，有利于经济的可持续发展。
solarcell可以应用到生活中的方方面面。
当前市场上，硅半导体电池尚未能够与原本的石油等燃料给人们带来的好处相媲美。
在这个全球大环境下，科学家们把更多的目光投入到高效价廉的新型太阳能电池之中。
其中最为突出的非钙钛矿类型的新型solarcell不能莫属，而且在之前的三年提升最为突出，而且《Science》称之为“2013年的十大科学突破“之一。
这是科学前辈们不断努力的成果。
更从侧面反映出了当今社会大环境之下人们内心对于新能源的渴望和舆论对于新可替代能源可再生能源的渴望。
在solarcell的发展历程上来说主要可以分为三个时期：
从最开始的硅晶体作为solarcell的主要材料以及低转化率发展到后来的非晶薄膜和多层晶体薄膜为基本材料的solarcell，伴随这较高的转化率，并且也具有了一定的水平。
最后是目前的新概念solarcell更加有效的利用光能资源进行日常的生活，如：
燃料敏华solarcell钙钛矿solarcell等。
在Thenewpatternsolarcells科学探索中包含了physics和chemistry等领域。
被看成是非常有前景的交叉学科。
我国虽然在这个部分的起点较后。
但是在我国的重视之下，在各个科研机关的共同奋斗和不懈创新之下，我国的在solarcell的相关领域已经有了不少的突破。
近几年来，我国对于钙钛矿solarcell方面不少相关部门一直做的非常优秀。
在世界上有目共睹。
不仅如此，我国发表的关于solarcell的论文数目早已在全球领先。
成为了solarcell相关论文量的领头羊。
像这样快速的发展在世界上是很少见的，但是这个奇迹出现在了中国。
以小见大，在未来，我们一定会让世界领略我们东方人的风采。
在当今钙钛矿solarcell风靡全球，为了总结之前的科研经验以及分析当今solarcell的科学地位，同时让国家与国家之间互通科学友谊的目的编写了此solarcells。
其中有机solarcell和染料敏化solarcell等也做了详尽的分析。
在阅读本文的过程当中希望读者们能够对于新型的solarcell有一个初步的了解能够区分，而且对于我国在世界能源节约方面做出的不懈努力的奋斗寄语认可。
当然，如果读者对于我们有什么意见或者建议，还希望能够不吝赐教。
第一章太阳能电池（solarcell）的背景及发展前景
1.1Solarcell的应用现状
由相关统计公布表明，当今世界中一百五十三个国家对于新型的solarcell持开放和热情的态度。
由相关资料表明，在一九九九年全球的太阳能生产总量已打两千七百六十余兆瓦。
有关部门设想：
全世界将在二零二零年和二零三零年太阳能的总生产量会是六万一千兆瓦和叁拾壹万六千兆瓦。
全世界的solarcell发展速度非常之快，具有十分宽广的发展前景和成长空间。
图1-1太阳能电池板外观示意图[1]
在十九世纪后期，人们对于太阳能作为能源已经具有了一些构想。
直至二十世纪，全世界的发达国把solarcell的研究搬上历史舞台，由美利坚合众国的“国家光伏计划”成为了世界上第一个对于太阳能能源重视的第一个国家，而位于亚洲的战斗民族日本也发表了“阳光计划”二者一起是世界上第一批重视太阳能源的人。
而且也在该市场上占有十分高的战略地位。
自此全球才开始了对于solarcell的追寻。
我国对于solarcell的开发也十分的关切早在1974年左右，我国将solarcell技术的研发摆在了至关重要的位置。
从此之后我国一直紧跟世界的步伐，国家前后投入超过百亿资金，广泛的宣传solarcell的相关技术。
21世纪初，为了解决我国的西部地区的用电困难，开启了一个对于我国有非常大的帮助和对于西部至关重要的一个计划《西部省区无电乡通电计划》。
截止于目前为止，我国对solarcell的发展和实际中的应用都走在世界的前列，在我国相关的发展成倍增加，具有非常广阔的前景和非常巨大的发挥空间。
根据相关机关的设想：
我们国家到达二零二零年solarcell等光电转化的相关需求将会超过两百兆瓦。
1.2solarcell的发展前景
图1-2太阳能电池光电转化率近几年的发展情况[1]
截止于现在，solarcell的用途范围宽阔，上至国家安全、军事等，下至人民的日常生活，家用电器和交通等。
在西部尤是如此，他们的日常生活用电之中，solarcell相关的所占比例非常之高。
甚至于贯彻到他们的生活内外。
同事，solarcell代表了一中新型的清洁、低消耗、零污染的能源，在未来无论是我国还是世界上任何一个国家都会有非常高的地位，以及非常宽广的前景。
当今我国的solarcell多以单晶硅为代表，具有很高比例的额度，然而，单晶硅的成本比较高，损耗也是比较大。
并且，生产单晶硅的损耗很高，不符合我们的可持续发展战略。
单晶硅的生产也会损害我们的家园，污染我们赖以生存的地球。
所以有不少的人以为现在的solar还不具有在市场上独当一面的资格，甚至有人全面否定了它现在的价值，而眼前的这种态势希望会在未来的几年之中发生改变。
第二章Solarcell的种类及各自的特点
2.1solarcell的种类
随着全球的方方面面的不断发展，人类对于物质的渴望也是水涨船高。
人们迫于压力，对于新能源的追寻也从未停止。
太阳能作为一种清洁，低廉等有点成为原有能源的替代能源的不二“人”选。
国内[1]外的科研人员对于新型solarcell的研究和追寻，一直报以最为热切的态度。
半导体作为solarcell的基本素材其原因是，太阳光在照射到solarcell的硅器件时会通过光电效应引发电流。
当今全球对于新型的solarcell统一根据制作solarcell的材料区分。
其中，主要包含：
硅类solarcell，其中很大成分上是单晶硅，多晶硅。
聚合物种类solarcell，其中聚合物种类较多，光电转换的效果各异。
纳米化学solarcell，在全球范围内这是最为有前景的方向之一。
薄膜solar，可以应用与生活中的很多方面，具有神奇的效果。
染料敏化solar也是当今科学界的热点话题。
最新也相继发布了一些新颖的solarcell种类，例如：
共轭聚合物solarcell和液态solarcell等。
2.2敏化染料solarcell
敏化染料solarcell由二氧化钛微粒与敏化剂以及其他成分组成。
其光电转化原理参考于植物的光合作用，价格低廉，制作流程简单，即便没有高价格的设备做基础也能够完成制作。
与此同时，在较低的照度环境下也能够很好完成发光进程。
并且其未来的发展空间巨大，研究价值巨大。
（一）敏化染料solarcell的基本工作原理
（1）基本结构
敏化染料solarcell重要的组成部分包括：
薄膜层、电解质层、染料敏化剂、特定的电极、导电材料等。
在该电池进行工作时，染料分子将光源照射的能量进行反应而形成带点的粒子，而该种类的粒子的在solarcell中的转移进程主要是：
光源照射的光线到达到电池上接收光源的器件上由敏化分子接收光线的能量而转化为激发态的带点的粒子→→该粒子转移到可以导电的导带之内，该导电的粒子经过倒带传递通道到达外电路之内→→处于带点的粒子经过一系列的转移之后到达电解质之中释放能量。
这一系列发生进程即为将光能转化为电能的主要进程。
（2）关键的参数指数
染料敏化solarcell能否成功的投入市场成为真正的方便人们生活的用品，关键在于它的光能到达电能的损失能量的多少，所以光能转化为电能应该尽量的减小损失，这也是全球的solarcell科研工作中亟须解决的问题。
由此，很多相应的研究部门都把注意力放在了减少能量[2]的损失这部分上而其最重要的因素是相应的solarcell的电源电压，电源电流等相关。
（2-1）[2]
在这段关系当中J是由光源光线照射到感光器件经过solarcell所产生的单位时间单位横截面内电流。
这个数值是由solarcell中敏化染料分子对于光源光线的特性所决定的。
V即为该特定条件下电源所产生的电压，其主要由光源的光线特性电池的性能的多个方面构成，原因较为复杂，总体上由一个公式可以阐明
（2-2）[2]
其中Ecb是能级和电解质中发生的氧化还原势两者之差，e是单位电荷上所戴有的能量，Kb是Boltzmannconstant，T是开氏温标，N表示的是相对应的密度值，E是氧化还原势。
（二）solarcell敏化分子的设计思路（D-π-A型）
（1）基础敏化剂的类型及特点
开始时期所制备的solarcell以钌为主要元素的材料作为染料剂。
然而，钌元素的提取比较困难，地球上较为稀少等原因，最终使得该种材料难以实现工业化大批量生产。
而经过了数年研究人员的不断实验最终发现了一种一颗替代原有的染料敏化剂的材料，
图2-1材料为D-π-A结构[3]
在这种新型的设计思路之中，光能转化为电能进程中感光器件具有非常高的感光能力并且还能把转化的带电粒子紧紧的吸附在表面上。
π桥紧紧的将电子传递的前后两部分联系在一起而且电子在其中穿行非常的顺畅不仅能够实现对于减少电子传递过程中的能耗损失而且内部的能量转换也能够实现循环利用。
该solarcell中的转化效率的提升主要在于，光能在转化成为电能的过程之中效率的大小和导带之中带电粒子的传递过程之中的速度的快慢。
以及器件本身对于光电转换进程中长时间正常工作的持续能力的强弱、
（2）D-A-π-A结构型敏化剂
在染料敏化剂之中染料剂相比之前的D-π-A型，天津大学最近提出的新型的D-A-π-A型具有能够和增强输入端的供电性能，而且降低该结构的能量能级的差值，加大了对于可吸收光线的光谱区间。
提高P的数值。
图2-2三种敏化剂的结构示意图[4]
1苯胺，N,N-二芴基苯胺accepter
三苯胺对于来的供电性得到了强，但是却从某种意义上限制了Pce的加强。
但是新型的苯胺。
在黄维扬的研究志宏把噻二唑并吡啶附加叠加在受体之上，形成新型的D-A-π-A型敏化剂。
实验表明，该染料剂提高了长波光谱的转化。
并且，在三种不同类型的受体之中（如图2.2），敏化剂的能级由上到下逐次递减，其中2（N,N-二芴基苯胺accepter）电性能最强
2将吲哚啉加入到供体当中
薛松团队在15的供体和连接桥纸中增添一个额外的受体，组成了代替吲哚啉原有供体的敏化剂。
原有的吲哚啉见光易分解，不便于保存存在时间很短，而新型的受体从新提升了内部结构的稳定性，在原有的基础上更加稳定了，苏建华团队在原有的基础出发，合成了新型的敏化剂。
新型的敏化染料的平面型相对较弱。
但是却能加快电子的转移速度最终使得J达到了十四点二八毫安每平方厘米和十三点六二毫安每平方厘米，加强了电子在转移过程之中的稳定性。
并且加强了电压，是指到达了百分之八点二四和百分之七点八三的P值。
（3）各种敏化剂之间的区别特点
传统的敏化剂以钌元素做基础组成部分，但是也与之后的一系列染料敏化剂相比较为古老；制作流程困难。
而且其价格昂贵不适合工业化的生产。
D-π-A型的敏化剂相对之前以钌元素为基础的敏化剂其成本价格较为便宜制作流程也相对之前的传统方式简便，但是其转化效率太差以至于不能够满足人们需要。
D-A-π-A型的敏化剂加大了吸收的光谱的区间[3]，使得相对于D-π-A型的敏化剂的提供电子的能力增强。
（二）染料敏华solarcell的电极材料
（1）电极（counterelectrode，EC）优化的重要性
EC是染料敏化solarcell的关键的部位，对于染料敏化solarcell的好坏具有至关重要的作用。
尤其是新型的合金类的电极更是对于solarcell的光能电能转换的能力增强了很多。
然后合金材料作为电极还具有很广阔的空间以及非常宽广的前景。
（2）Pt做EC
由于电子在Pt上转移更加灵活，而且其作为电极其上的容易进行氧化还原反应因此是做电极的不二人选，最开始的时候使用的传统方法制成的Pt表面的粒子不平均，分布的很凌乱而不适合电解质在其中进行反应[4]。
而由此，科研人员将注意力转移到对于pt制备时候表面的外形的平整程度来改善其反应速率从而提高solarcell的效率。
林团队把电极制作成网状从而提高电池的效率。
吴团队应用模版法获得的P值达到了百分之九点零五，对比于同等情况下的热氧化还原法所产生的Pt提高了百分之二十五点五，提高了带电粒子的转换能力。
。
即使加强了Pt的制作效率，但是却无法掩盖它的其他致命缺陷：
制作材料较少；制作的价格昂贵；材料本身对于人体有害；Pt与所在的环境下的电解液发生一定的化学变化使之成为PtI4，其存在的过程中不容易保存而发生变化。
失去原有的性质；并且在制作Pt材料的时候对于资源的消耗较高，不够经济合理。
迄今为止，研究探索较小成本的Pt电极和其他材料代替品的发掘是目前的研究重点。
（3）低Pt含量合金对EC
该合金包涵以下优点：
电解质粒子相接触到EC之后会使EC改性，从而让EC具有更加强大的催化活性；电极之中的粒子会持续其原有的性质，不会改变，电解质之中的粒子与EC的粒子反应，形成电子配体效应，从而提高EC的活性。
（4）无Pt含量的EC
Co，Ni和Fe的最外层电子布局与Pt的最外层电子布局非常的相像，该粒子最外层的电子布局让他们得到其他原子的电子变成中间体的过程非常的简单。
经过这三位元素为原料的合金获得了非常好的效果[5]。
科研人员相应的合成了CoNi0.25和FeCo2合金，前者在电解质之中粒子存在于电解液之中不易发生其他的反应，效果较为理想，而后者则布局空间较为紧密。
（三）对于染料敏化solarcell的未来预测
全球对于敏化solarcell的科学探索已经超过二十年了，而EC则在solarcell中举足轻重。
对于新型的无论是对于敏化剂的研究发现还是对于新型的EC材料的探索，都是对于solarcell的光电转化效率的提高而做出努力
（1）对于敏化剂来说随着D-π-A型敏化剂的持续的研究创新，科学家提出，让几个具有类似效果的基团增加到一个官能团上可以增强其官能团的水平，这可以是未来我们努力发展的一个新的思路。
（2）而在EC的科学探索之中，我们还位于初级水平，日后仍然具有很广阔的空间。
例如：
在生产制作EC的时候通常都是溶液法，我们亟须其他更加经济，简便的方式；也可以由电解质入手，研究发现更加能够促进整个进程和稳定的电解质。
（3）从solarcell的外形进行入手，提高光敏器件对于光线的吸收，并且提高光能转化为电能的转化率，这也为我们未来对于新型的solarcell的制作研发打开了一扇窗户。
2.3钙钛矿solarcell
（一）钙钛矿solarcell的工作原理
钙钛矿solarcell是内含有F元素的二氧化锡的导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、以及EC等、其工作原理如图所示：
图2-3钙钛矿电池的工作原理示意图[10]
光器件接触到光线时，会生成一个空穴和一个呈电荷的电子。
带电的电子在导带中移动，到达二氧化钛的边沿处，经由二氧化钛导带移动到FTO的EC端。
然后到达用电设备R最后到达Au的EC端，空穴自CH3NH3PhI3到达Spiro-OMeTAD到达Au的EC端。
（二）钙钛矿solarcell的优势
由特殊的晶体结构组成，该结构本身拥有很好的电荷迁移率。
并且在光线的分散特性也具有相当强大的优势。
在器件由光能转化为电能的进程中，损耗的能量更少。
在钙钛矿solarcell之中，光接收器件具对于光线更加的敏感。
并且，在带电粒子在电池之中传递过程中，具有更低的消耗。
所以钙钛矿solarcell能够更好的实现人们对于光能的合理利用[6]，光电转效率更高。
并且在之前的几年之中，钙钛矿solar更是在科研人员的不断努力创新之下取得了更加优秀的成绩。
转化率已经从在以前的百分之三点八到达了百分之十九点三。
是原来的燃料solarcell所无法比拟的。
二零一三年，科研人员的发现震惊了世界。
最近的一批的钙钛矿solarcell的转化率已经实现了之前的几倍，甚至超过百分之五十。
钙钛矿solarcell拥有与众不同的分子构造，并且具有非常不一样的特性，其出色的导电能力是其他电池结构望尘莫及的。
图2-4传到材料的内部结构[12]
此种结构在外界的影响下能够保持原有的结构，不易收到外界的影响，并且其特定的结构能够让他在外形与理论有些许差别的情况下能够维持原有的结构不变，不扩散。
强大的稳定性是其他的solarcell所无法比拟的。
除了本身所具有的高效率地、高质量地、稳定地完成光电转化过程外，感光器件对于光线的吸收效率比敏化solarcell大于十倍[7]，并且不易发生改变，能够长时间的持续原有的性质。
除此之外，电源的电压是敏化solarcell的数倍，材料本身对于光能吸收效果是传统solarcell的数倍。
总体的效率相较于传统的solarcell具有极强的优势，并且可以称之为是solarcell在未来的新希望。
（三）钙钛矿solarcell的研究进程
于一九九九年，钙钛矿材料的首次发现其对于光线的高感光性能，远超于同一时期其他的感光器件的性能，并且其外形简单，轻薄，一下子成为了科研人员关注的焦点。
二零一一年对该材料的表面进行了优化升级，但是仍然无法解决在正常情况下容易与气体发生反映，而变得不稳定失去原有性能。
于一九九八年格拉团队应用新型的电解液之后，其性能得到了突破性的增强。
而后格拉团队对钙钛矿卤化物进行了细致的研究之后发现钙钛矿solarcell材料的内部远离。
史麦斯团队在其基础上用蒸压
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