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Nanostructured solar cell based on spray pyrolysis deposited ZnO nanorod array Lee Jen Kai 大綱 太陽能電池發展史 原理 設計考慮因素 基本結構 理想的太陽電池材料 如何增加效率 結構 特性圖 結論 太陽能電池發展史 當時研發的動機是希望能提供偏遠地區供電系 統的能源，那時太陽電池的效率只有6%。發展 太陽電池的最終目標，就是希望能取代目前傳 統的能源。 若我們能夠 "有效的"運用此能源，則不僅能解 決消耗性能源的問題，連環保問題也可一併獲 得解決。目前太陽電池發展的瓶頸主要有兩項 因素：一項為效率，另一項為價格。 原理 簡稱為太陽能電池或太陽電池，又稱為太陽能 晶片；物理學上稱為光生伏打( Photovoltaic )， 簡稱 PV 。 將太陽能轉換成電能的裝置，不需要透過電解 質來傳遞導電離子，透過半導體產生 PN 接面來 獲得電位。當半導體受到太陽光的照射時，大 量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動又產 生了電流，也就是在 PN接面處產生電位差。 設計考慮因素 1. 2. 3. 4. 光照特性 - 光照特性曲線 光譜特性 - 根據光源性質，特性取決於材料 頻率特性 - 太陽能電池接面面積越大，電容 大，頻率特性較差 溫度特性 - 應用太陽能極板電池之儀器設備之 溫度漂移 基本結構 單晶矽(single crystal silicon) 多晶矽(polycrystal silicon) 非晶矽(amorphous silicon) Ⅲ-Ⅴ族包括： 砷化鎵(GaAs) 磷化銦(InP) 磷化鎵銦(InGaP) Ⅱ-Ⅵ族包括： 碲化鎘(CdTe) 硒化銦銅(CuInSe2) 理想的太陽電池材料 1. 2. 3. 4. 5. 6. 能隙在1.1eV到1.7eV之間。 直接能隙半導體。 材料無毒性。 利用薄膜沉積的技術，並可大面積製造。 良好的光電轉換效率。 具有長時期的穩定性。 如何增加效率 將不透光的金屬電極作成手指狀(finger)或是網狀，減少光線 的反射，使大部分的入射陽光都能進入半導體材料中。 表面製成金字塔型的組織(pyramid texture)結構，並加入抗反 射層，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯電阻。 點接觸式太陽電池(point contact cell)，電池特點為電極均做在 同一面，可增加入射光的面積，易於焊線。 製成串疊型電池(tandem cell)，把兩個或兩個以上的元件堆疊 起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低能 量光譜的電池放在下層，透過不同材料的電池將光子的能量 層層吸收 。 目前太陽電池的最高效率 1. 2. 3. 4. 5. 6. 單晶矽：24.7% 多晶矽：19.8% 非晶矽：14.5% GaAs：25.7% CIGS：18.8% 多接面串疊型(InGaP/GaAs/InGaAs, multijunction tandem cell)：33.3% 染料敏化太陽能電池 工作原理 1. 2. 3. 4. 5. 染料分子吸收太陽光後由基 態躍遷到激發態。 激發態染料電子迅速注入到 半導體材料的傳導帶中。 電子立刻傳遞到導電基材並 傳導出去，經外線路傳至對 電極。 處於氧化態的染料被電解質 還原，回到原來的基態。 氧化態的電解質在對電極接 受電子被還原，達到系統平衡。 結構 ITO/TiO2/In2S3/CIS(CuInS) – flat ITO/ZnOR/TiO2/In2S3/CIS – structured ITO/InS/In2S3/CIS – flat ITO/ZnOR/InS/In2S3/CIS – structured 特性圖 Raman spectrum of the TiO2 film made by sol–gel dip coating on a glass substrate and annealed for 30 min at 450 1C in air. Determination of the optical bandgap of the spray deposited indium sulfide buffer layer. SEM cross-sections of spray deposited ZnO nanostructured layer on indium tin oxide (ITO) covered glass substrate (a), and the solar cell structure (ITO/ZnOR/TiO2/ In2S3/CIS) before conducting (b). Current–voltage characteristics of flat (cell 1: ITO/TiO2/In2S3/CIS) and structured (cell 2: ITO/ZnOR/TiO2/In2S3/CIS) solar cells under halogen lamp illumination of 100mW/cm2 Current at max power ISC Hyperbola for P = PMAX Point of tangency PMAX = (ISC VOC) Voltage at max power VOC Effective reflectance (RE) and effective absorbance (AE) of the flat and structured cell in the spectral region of 400–800 nm Output characteristics of the flat and structured solar cells under the halogen lamp illumination intensity of 100mW/cm2 External quantum efficiency (EQE) spectra of the flat and structured solar cells. Flat cell—cell 1, ITO/TiO2/In2S3/CIS; structured cell—cell 2, ITO/ZnOR/TiO2/In2S3/CIS. Electron beam induced current (EBIC) (a) and SEM (b) cross-sectional views of the structured cell ITO/ZnOR/TiO2/In2S3/CIS. EBIC (c) and SEM (d) images of the flat cell prepared in the same batch are presented for comparison. 結論 It has been shown experimentally that ZnO nanorod arrays grown by the spray pyrolysis method could be successfully used to fabricate a nanostructured solar cell. The increase in the short-circuit current density due to the increased p–n junction area is mainly responsible for the higher efficiency of the structured cell compared to the flat analogue. As the preparation technology is simple and fast, operates at low or moderate temperatures and there is no need for expensive and sophisticated apparatus, thus it could be prospective for fabrication of efficient solar cells with large area at low cost. 参考資料 http://tw.myblog.yahoo.com/ditsangwan/article?mi d=693&prev=-1&next=692 Nanostructured solar cell based on spray pyrolysis deposited ZnO nanorod array，M. Krunks , A. Katerski, T. Dedova, I. Oja Acik, A. Mere。