太陽電池
關(guān)注創(chuàng)建者：YANGCY 創(chuàng)建時間：2019-01-14
太陽電池的實例教程
n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點，因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是提高全小分子有機太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中，合成了兩個p-OS分子SM1和SM2（分子結(jié)構(gòu)見圖1）。基于SM1:IDIC的全小分子有機太陽電池的效率達到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），這是全小分子非富勒烯有機太陽電池效率首次突破10%。
在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側(cè)鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級，增強吸收和提高空穴遷移率。為了進一步提升全小分子有機太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側(cè)鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中，合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22（分子結(jié)構(gòu)見圖1），并研究了不同末端受體單元對材料物理化學(xué)性質(zhì)及其光伏性能的影響。基于H22：IDIC的全小分子有機太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率進一步提升到10.29%。這一結(jié)果最近發(fā)表在《先進材料》（Adv.Mater.,2018,30, 1706361.）上。
展開 聚合物太陽電池近年取得了不斷突破，很大程度得益于新型有機半導(dǎo)體分子和聚合物的快速發(fā)展。有機分子和聚合物通過結(jié)構(gòu)裁剪可大范圍調(diào)制其光、電和薄膜性質(zhì)，從而實現(xiàn)區(qū)別于傳統(tǒng)無機太陽電池的多功能性的太陽電池器件，例如可見區(qū)透過，近紅外區(qū)高光譜響應(yīng)度的半透明器件和全光譜吸收的疊層器件等。其中，發(fā)展新型近紅外吸光的有機半導(dǎo)體材料（帶隙Eg< 1.4 eV）成為領(lǐng)域關(guān)注熱點。
浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的有機半導(dǎo)體實驗室已發(fā)展一系列基于非稠合或稠合骨架的近紅外電子受體分子。最近，該實驗室的李昌治研究員和陳紅征教授等設(shè)計發(fā)展了一類近紅外電子受體分子，通過非對稱橋連基團的區(qū)域異構(gòu)化和調(diào)控氟原子取代數(shù)目，改善分子共軛結(jié)構(gòu)和軌道能級，獲得了性能優(yōu)異的近紅外電子受體分子并成功建構(gòu)響應(yīng)波長可達1000 nm光譜的高效率聚合物太陽電池。通過進一步與吸光帶邊800 nm的前電池搭配，制備得到高效率聚合物疊層太陽電池。研究成果以“Near-Infrared Electron Acceptors with Fluorinated Regioisomeric Backbone for Highly Efficient Polymer Solar Cells”（具有氟化骨架異構(gòu)的近紅外電子受體實現(xiàn)高效聚合物太陽電池）為題，發(fā)表在Advanced Materials（《先進材料》）上。
圖. 近紅外吸光電子受體分子設(shè)計與合成、吸光和熒光譜圖、疊層太陽能電池器件結(jié)構(gòu)、能級和光伏特性曲線
這一成果從分子骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過探索理解其分子結(jié)構(gòu)-薄膜特性-器件性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為發(fā)展近紅外電子受體分子和近紅外區(qū)高光譜響應(yīng)度的聚合物太陽電池提供了新方法和新途徑。工作得到了華南理工大學(xué)葉軒立教授和香港中文大學(xué)路新慧教授在光學(xué)模擬和薄膜形貌測試方面的支持。
展開 在過去幾年中，受益于新型非富勒烯受體和與之匹配的寬帶隙給體的開發(fā)，有機太陽電池的性能得到了突飛猛進的發(fā)展，其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已成功突破18%。這使得人們越來越憧憬著有機太陽電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。對于這項技術(shù)未來的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用而言，除了PCE要求高以外，有機太陽電池的制備成本和工作壽命也是同等重要的條件。迄今為止，大部分高效有機太陽電池的活性層材料體系均基于D-A型給體和A-D-A型或A-DA’D-A型非富勒烯受體；而這些結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜的給、受體材料也日益增加了合成復(fù)雜性（synthetic complexity，SC）和成本，因此難以降低這些高效材料體系的品質(zhì)因子（figure of merit，F(xiàn)OM=SC/PCE）來滿足有機太陽電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用要求。相對于D-A型給體，聚噻吩給體具有更易于合成和大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。其中，P3HT是目前最典型的聚噻吩給體，僅需三步簡單合成并且可以按千克量級合成得到。但由于P3HT較差的光吸收特性和較高的HOMO能級，基于P3HT給體的有機太陽電池至今尚未能獲得超過10%。另一方面，HOMO能級較低的另一種聚噻吩給體（PDCBT）及其衍生物，與新型非富勒烯受體匹配可以獲得10%~12%的PCE，然而這是基于氯仿、氯苯等鹵素溶劑加工來實現(xiàn)的。因此，如何開發(fā)非鹵溶劑加工的高效聚噻吩給體有機太陽電池對于推進這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尤為重要。
圖1 Y6-BO、P3HT和 P4T2F-HD的化學(xué)結(jié)構(gòu)、能級和光吸收譜圖；該工作中采用的器件結(jié)構(gòu)及所制備器件的J-V曲線。
展開 【引言】
近幾年，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率屢創(chuàng)新高，在LED、光電探測器等領(lǐng)域也大放異彩，儼然成為一種“萬能材料”。然而，鉛的毒性問題始終是籠罩在電池產(chǎn)業(yè)化道路上的一片烏云。為了解決鉛毒問題，人們開始探索非鉛新材料，其中，錫是理論上和實驗上最有潛力成為高效無鉛太陽電池的重要元素。而最基本也是最重要前提是獲得高致密、無針孔的錫基鈣鈦礦薄膜。迄今，取得較好效率的薄膜大多出于反溶劑法，需要使用高毒性溶劑（如氯苯等），正所謂“按下葫蘆浮起瓢”。發(fā)展綠色工藝、利用綠色原料、制備高品質(zhì)大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，是基礎(chǔ)研究的難點，更是工業(yè)化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
【成果簡介】
近期，西安交通大學(xué)材料學(xué)院（材料國家重點實驗室）楊冠軍教授課題組在美國化學(xué)會旗下的國際知名期刊ACS Applied Materials & Interface上發(fā)表題為“Green Solution-Processed Tin-BasedPerovskite Films for Lead-Free Planar Photovoltaic Devices”的研究論文。論文第一作者為西安交通大學(xué)材料學(xué)院2017級博士研究生李小磊。利用課題組自主發(fā)展的液膜抽氣技術(shù)實現(xiàn)了高致密、無針孔錫基鈣鈦礦薄膜的制備，首次獲得了大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，摒棄高毒反溶劑、膜層材料無鉛、制備工藝高效環(huán)保，為未來錫基鈣鈦礦太陽電池的大面積制備和工業(yè)化應(yīng)用提供了切實可行的技術(shù)路徑。最后，將抽氣處理的錫基鈣鈦礦薄膜應(yīng)用在正向平面鈣鈦礦太陽電池中，實現(xiàn)了1.85%的轉(zhuǎn)換效率，這是c-TiO2/Sn-Perovskite/HTM/Au結(jié)構(gòu)中目前報道的最高效率。
展開 由于具有質(zhì)輕、柔性、低成本以及適用于卷對卷大面積印刷加工等一系列優(yōu)勢，有機太陽電池在便攜式供電設(shè)備方面具備很大的應(yīng)用潛力。但相對于其他基于無機材料的太陽電池，有機太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低，其重要限制因素之一是存在較大的能量損失。為了降低其能量損失，大量研究集中在新材料的設(shè)計開發(fā)以及相應(yīng)物理機制的探索上。而另一方面，構(gòu)建串聯(lián)疊層器件是減少能量損失從而提高光電轉(zhuǎn)化效率的一種有效策略。串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以同時減少器件的熱能化損失和透射損失：高能光子可以通過前層電池中寬帶隙材料的吸收而降低熱能化損失，低能光子可以被后層電池中的窄帶隙材料吸收而降低透射損耗，從而高能光子和低能光子在疊層電池中都可以得到有效利用。
為了在疊層器件中獲得高的光電轉(zhuǎn)化效率，最重要的考量因素之一是選擇具有互補吸收的前層子電池和后層子電池，最大程度減少光譜重疊并擴展太陽光譜吸收，從而獲得高光電流。而對于給定的前層子電池和后層子電池組合，絕大多數(shù)研究工作采取的策略是在單結(jié)器件最佳給受體比例的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)前后層子電池的厚度，從而達到電流平衡以獲得最優(yōu)的疊層器件。但是通常來說，疊層器件中前層子電池或后層子電池的最佳厚度往往與單結(jié)器件中的最佳厚度差異較大。在大多數(shù)情況下，為了確保足夠的光子吸收從而與另一子電池達到電流平衡，疊層器件中子電池的最優(yōu)厚度相對于單結(jié)器件的最優(yōu)厚度往往會大大增加。然而，由于有機半導(dǎo)體本身較低的載流子遷移率，當(dāng)增加子電池的厚度時，通常會導(dǎo)致其內(nèi)部電荷復(fù)合加劇，從而影響整個疊層器件性能。
近日，華南理工大學(xué)黃飛教授團隊提出通過增加前層子電池中具有更高吸收系數(shù)的非富勒烯受體的比例，可以在相對較低活性層厚度情況下達到和后層子電池之間光電流的平衡。
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太陽電池的最新內(nèi)容
1.太陽能電池板
太陽能電池板是將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能的核心組件。它們通常由多個太陽能電池組成，可以單獨使用或組合在一起以實現(xiàn)所需的發(fā)電量和效率。
2.并網(wǎng)型逆變器
并網(wǎng)型逆變器是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，其輸出的交流電可以和市電的頻率及相位同步，因此輸出的交流電可以回到市電。
一、家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)介紹
家用發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽電池組件組成的光伏方陣、太陽能充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)型逆變器、直流負載和交流負載等構(gòu)成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。
主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。
使用光伏發(fā)電，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排，提升經(jīng)濟效益。太陽能是一種無盡的資源，不斷地向地球釋放能量，因此光伏發(fā)電可以源源不斷地進行，具有可再生性。
4.選擇逆變器
光伏逆變器的作用是將太陽電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電。
根據(jù)輸出波形、運行方式、輸出交流電相數(shù)，功率流動方向，其有如下的劃分：
輸出波形：方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器；
運行方式：離網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)逆變器；
輸出交流電相數(shù)：單相逆變器，三相逆變器；
功率流動方向：單向逆變器，雙向逆變器。
2 考慮多因素影響的光伏發(fā)電功率智能預(yù)測方法
2.1 光伏發(fā)電原理
光伏發(fā)電原理具體為：首先太陽光對光伏電池板進行照射，然后光伏電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，最后將電能送到用電設(shè)備，具體如圖1所示。
通過改變Di的φ0、調(diào)整后界面的Ndef(A)和后界面的Ndef(D)以及ODC的Ndef(A)，該模型可以擬合Mo和ITO背接觸的CIGSe太陽電池的J-V特性。對于Mo，界面態(tài)降低了勢壘；因此，在CIGSe/Mo界面作為一個準歐姆接觸。這很好地描述了MoSe2在Mo和CIGSe交界處的存在。
來源：百度
3.3 光伏/芯片模組
光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應(yīng)用中，陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導(dǎo)到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。
3.3 光伏/芯片模組
光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應(yīng)用中，陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導(dǎo)到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。
由衛(wèi)星系統(tǒng)分解、分系統(tǒng)互連、識別各分系統(tǒng)到太陽電池陣權(quán)衡分析，這四個步驟都是從系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)推進流程；而系統(tǒng)功能分配、識別衛(wèi)星系統(tǒng)事件線和組件狀態(tài)則是以動態(tài)的形式，分別從功能、時間和狀態(tài)三個角度進行分析。
由組件狀態(tài)這一步驟進入組件級別，捕獲組件需求，構(gòu)建組件與系統(tǒng)需求的派生關(guān)系。
典型的應(yīng)用場景還包括：爐子的加熱過程，車輛的太陽暴曬過程，電池包的動態(tài)溫度響應(yīng)過程等等。
