劉暢

山東省實驗中學

項目名稱:綠色氧化物太陽能電池的低碳組裝方法及光伏性能研究

學科:物理學

個人簡介:

劉暢同學從小就受家庭環境的影響,對科學研究有著濃厚的興趣。她在學習上積極進取,在生活上開朗樂觀,利用課余時間還培養自己的興趣愛好,磨練自己的意志。她曾參加2012年7月參加第二十七屆全國青少年科技創新大賽,獲一等獎;同時獲得21世紀青少年科技創新獎。又于2012年10月參加第十二屆“明天小小科學家”獎勵活動并并獲得一等獎。之后于2013年5月赴美國鳳凰城參加了2013年英特爾國際科學與工程大獎賽(ISEF),并于同年被保送到山東大學材料學院。她不滿足于現狀,希望可以通過自己的努力,不斷突破和超越自我,取得更大的進步。通過參加科技實踐活動,她發現自己對半導體材料物理的研究興趣更加濃厚了,堅定了她繼續深造,通過大學-博士-博士后等更高層次的學習,將來從事自然科學研究,使研究成果服務社會、造福人類,最終成為一名科學家的夢想。

 

 

項目簡介:

參與這項研究工作的起因是劉暢同學觀看了一部名為《難以忽視的真相(An Inconvenient Truth)》的紀錄片,因此對能源及其消耗問題產生了興趣。隨后通過閱讀科普書籍《話說新能源叢書—太陽能揭秘》,了解了相關背景知識,并對太陽能電池產生了濃厚興趣。在她的研究中,采用了易獲得、無毒的氧化物ZnO、Cu2O為原料,襯底則是普通的(摻F的二氧化錫)透明導電玻璃(FTO玻璃)。選用了電化學沉積法作為電池組裝方在電池組裝過程中,她先嘗試了在FTO玻璃上沉積一層ZnO薄膜作為N型半導體,又沉積一層Cu2O薄膜作為P型半導體的薄膜-薄膜結構,并使用掃描電鏡觀察其微觀形態及異質結界面結構;又用X射線衍射儀觀察其物質組成。最后用直流濺射法濺射上金電極,在太陽能模擬器光照下,用電流電壓/原表等儀器測試其光電轉化效率。

 

本項目的主要創新之處在于以下三點:

1)在制備工藝方面,選用了低成本、低能耗的電化學沉積法作為電池的組裝方法;在我的實驗過程中,生產一個太陽能電池(約沉積2CM2)耗能僅需1瓦,生產相同大小的硅電1池則要幾百瓦。因此這種方法是十分低碳的,制造過程也無任何污染物產生。這是第一代、第二代太陽能電池不具備的優點。

2)在材料選擇方面,選用了自然界中含量豐富、無毒的氧化物ZnO、Cu2O為原料,它們屬于綠色的半導體材料;而第一代硅太陽能電池制造中有毒氣體(三氯氫硅)排放,第二代碲化鎘(CdTe)電池中的Cd離子、砷化鎵(GaAs)中的砷也有很大毒性。

3)在電池結構方面,她先后采用了薄膜/薄膜型和納米線/薄膜型結構,并實現了由異質結電池向同質結電池的轉化,逐步實現了結構優化,提升了電池效率。

本項目的意義主要在于以下兩點:

1)選取了易獲得的、加工過程中無污染的氧化物材料。這將有助于解決現有太陽能電池工業中存在污染的問題,并能夠從一定程度上降低太陽能電池的成本。

2)采用了低能耗、低成本的電池組裝方法。這將有助于解決現有太陽能電池工業中高成本、高能耗的問題。 

     下一步,劉暢同學將從以下兩個方面繼續開展并不斷完善該研究項目:

1)通過進一步優化電沉積參數,或者通過摻雜工藝,進一步降低氧化鋅和氧化亞銅薄膜的電阻率,有望進一步提高電池效率。目前我們組裝的電池的效率0.106%,采用降低電阻率的方法,理論上可以使效率提高3-4倍。

2)通過選用大面積的襯底,探討大面積產業化的可能性。目前主要是電阻率太大,限制了大面積襯底的使用??梢酝ㄟ^提高摻雜濃度,進一步降低電阻率來解決這個問題。