太阳能电池结构原理的全面解析与应用指南
21ic 2024-06-21

上篇文章中,小编对太阳能电池产业、太阳能电池特性有所阐述。为增进大家对太阳能电池的认识,本文将基于两点介绍有机太阳能电池:1、有机太阳能电池结构原理,2、有机太阳能电池应用前景。如果你对太阳能电池具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

一、有机太阳能电池结构原理

太阳能电池,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,又称为“太阳能芯片”或“光电池”,它只要被满足一定照度条件的光照度,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏。而有机太阳能电池,便是太阳能电池中的一种。有机太阳能电池,顾名思义,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果。有机太阳能电池作为新型太阳能电池器件,具备柔性、质量轻、颜色可调、可溶液加工、大面积印刷制备等特点,是目前太阳能电池研究领域的热点。但是效率低是限制其大规模应用的主要原因。下面,我们正式看一下有机太阳能电池的结构原理。


1 有机太阳能电池的原理

有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性,如酞菁化合物、卟啉、菁(cyanine)等。

2 有机太阳能电池的几种结构

有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N 异质结结构、染料敏化纳米晶结构。

3 单质结结构

单质结结构是以Schotty 势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。其结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极,利用了两个电极的功函不同,可以产生一个电场,电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子—空穴均在同一种材料中传递,所以其光电转化率比较低。


4 P—N 异质结结构是指这种结构具有给体-受体(N 型半导体与P 型半导体)的异质结结构,结构如图5。其中半导体的材料多为染料,如酞菁类化合物、苝四甲醛亚胺类化合物,利用半导体层间的D/A界面(Donor——给体,Acceptor——受体)以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性,使分离效率提高。Elias Stathatos 等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率在5%~6%。

5 NPC( nanocrystaline photovoltaic cell)染料敏化纳米晶

染料敏化太阳能电池(DSSC)主要是指以染料敏化的多空纳米结构TiO2 薄膜为光阳极的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而NPC 太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高,一般可稳定于10%,并且纳米晶TiO2 制备简便,成本低廉,寿命可观,具有不错的市场前景。

二、有机太阳能电池应用前景

已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为1376W/平方米,假设能量转化率已达到为30%。城市每个三口之家每天的平均用电量为3kw·h,平均太阳光照时间4h,则只需不足2 平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力。另一方面,家庭电路最大熔断电流一般在20A 左右,最大瞬时功率4400W。达到此瞬时功率只需10 平方米左右的太阳能电池板即可。

工厂、学校的等大型耗电场所则依靠水利、风力发电、核能发电等途径获得电力。这种多层次的供电体系既可以保证社会正常运转,也充分利用了清洁能源。

由上述计算我们也以大致看出,太阳能电池只能作为辅助能源,而不能作为主要能源使用。因为太阳能虽然总量很大,但受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率,难以满足高耗电场所的电力需求,而且太阳能受天气情况等因素影响较大,并不十分稳定,所以利用它做主要能源是不现实的。

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