薄膜锂电池的研究进展

作者简介:

杜　柯(1976-),男,浙江人,北京大学化学与分子工程学院博士,博士后,研究方向:锂离子电池正极;其　鲁(1957-),男,内蒙古人,北京大学化学与分子工程学院教授,研究方向:锂离子电池;

廖　波(1970-),男,湖南人,北京理工大学信息学院教授,研究方向:新材料纳米技术与器件;王银杰(1973-),男,内蒙古人,北京理工大学信息学院讲师,研究方向:功能材料;刘　强(1980-),男,安徽人,北京理工大学信息学院硕士生,研究方向:无机薄膜制备。

薄膜锂电池的研究进展

杜　柯1,其　鲁1,廖　波2,王银杰2,刘　强2

(11北京大学化学与分子工程学院,北京100871;　21北京理工大学信息学院,北京100081)

摘要:适应微系统的需要发展起来的薄膜锂电池,具有很高的比容量和很长的循环寿命,是真正的全固态电池。集成到微电子线路板上,使其应用非常广泛。概述了薄膜锂电池的基本制备工艺、应用领域和薄膜锂电池的研究及产业化的状况。关键词:薄膜锂电池;　微系统;　薄膜;　能量密度

中图分类号:TM91219 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2005)02-0146-02

R esearch progress in thin film lithium b attery

DU K e 1,QI Lu 1,L IAO Bo 2,W AN G Y in 2jie 2,L IU Qiang 2

(11College of Chemistry &Molecular Engineering ,Beijing University ,Beijing 100871,China;

21Department of Electronic Engineering ,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China )

Abstract :Thin film lithium battery was developed for the need of micro 2system ,which had very high s pecific capacity and g ood cycle

performance ,and it was a s olid state battery by all meaning 1When integrated on IC chip ,thin film lithium battery could be used in many fields 1The fabricating process ,application fields ,the state of research and industrialization were reviewed 1

K ey w ords :thin film lithium battery ;　micro 2system ;　thin film ;　energy density

随着电子集成技术的飞速发展,SOC (System on chip )成为现实,电子产品在不断地小型化、微型化。以整合集成电路及机械系统,如各种传感器于同一块晶片上的技术,即微机电技术,受到了普遍重视。微小型飞行器、微小型机器人和微小型航天器等都在源源不断地出现和进一步地改进。这些微型系统的功能强大,必然对其能源系统提出了微型化的要求。当电池系统被微型化,电池底面积小于10mm 2、功率在微瓦级以下时,被称为微电池。

微电池的制备通常是将传统的电池微型化、薄膜化。目前,用于微电池的体系有:锌镍电池、锂电池、太阳能电池、燃料电池、温差电池和核电池。锂电池是目前具有较高比能量的实用电池体系,因此人们对薄膜化的锂电池投入了大量的研究。

1　特点和应用

除了具有普通锂离子电池的优点,如电压高、无记忆效应、对环境友好外,薄膜锂电池还具有以下优点:①由于采用真正的固态电解液,不存在泄漏问题。目前的薄膜锂电池大多采用

LiPON 固态电解液[1]。室温下,Li +在这种材料中的电导率一般

在10-6S/cm 左右。尽管这个数值要远远小于目前使用的液态电解液的电导率(10-3S/cm ),但由于制成了薄膜状,Li +的传输依然具有较快的速度。薄膜锂电池好的超高倍率(50C 以上)放电性能就证明了这一点。②质量比容量和体积比容量都大于常规锂离子电池。东芝公司的先进锂电池(ALB )质量比容量为172Wh/kg ,体积比容量为366Wh/L [2];而不计算衬底的薄膜锂电池的质量比容量和体积比容量分别达到300Wh/kg 和1

300Wh/L 以上[3]。③循环寿命长,至少在几千次以上,甚至可

达到上万次[4]。④热稳定性能优良,可在-50～180℃的范围内使用。⑤可以根据需要制作成各种形状。薄膜锂电池可以制备在需其提供能量的器件的表面,现有的技术可以将其制备在大部分材料之上,尤其是硅锗等半导体材料上。⑥不受重力和静水压力的影响,这意味着薄膜锂电池可以被广泛使用于太空和水下的操作系统。⑦价格随尺寸变化小,这意味着大规模的

第35卷　第2期2005年 4月电 池

BATTERY BIMONTH L Y Vol 135,No 12

Apr 1,2005

制备将会降低其成本。薄膜锂电池是根据微型系统对其供应能量部分的要求而制备的。薄膜锂电池的应用领域主要有:①医疗器械,如心脏起搏器等;②日用消费品,如芯片等;③军事,如微卫星等。

2　研究与开发

J 1B 1Bates 领导的实验小组对薄膜锂电池进行了10多年的

研究,已有相关电极材料和电池制造技术的专利近20项

[5]

。他

们采用磁控溅射技术制备薄膜锂电池和锂离子电池,整个单体

电池的厚度小于15μm 。图1是该电池的剖面图。

图1　薄膜锂电池的剖面图

Fig 11　Cross section of thin film lithium battery

该电池的各个薄膜层,采用半导体和光学制造工艺上使用的溅射或蒸发方法制备。衬底往往是多层膜,Al 片、金属箔片、塑料都可以作为基本衬底[6],但需要镀上一层导电金属层。以半导体集成工艺所使用的硅片作为衬底,此时需要在硅片上先沉积一层Ti 膜作为粘结层,然后沉积上一层金属膜M (M =

Pt 、Au 、Pd )作为集流体。使用的正极材料有:LiC oO 2、LiMn 2O 4、V 2O 5等[7]。电解液采用固态锂离子导体,这是实现

锂电池全固态的关键。J 1B 1Bates 等

[6]

将Li 3PO 4在N 2气氛下通

过射频磁控溅射,获得典型组成为Li 219PO 313N 0136的膜,该材料

25℃时的离子电导率为2×10-6S/cm ,Li +扩散系数为10-11cm 2/s ,电子电导率小于10-14S/cm 。负极膜有3类:金属

锂、可嵌入Li +的化合物和无锂负极。可嵌Li +的化合物有

S iTON (S iSn 019ON 119)、SnN x (0

等

[7]

。使用无锂负极的原理是:制备时只沉积负极集流体,然

后利用电池首次充电时沉积在集流体上的金属锂作为负极,负极就基本不会有多余的锂存在

[8]

。整个锂电池最外层的保护层

是Li 3PO 4或聚对二甲苯+Ti 。

除了磁控溅射的工艺,目前还有脉冲激光沉积法、电子束蒸发法、静电喷雾热解法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法等方法可以用来制备正极膜[9]。

美国Infinite P ower S olutions (IPS )公司采用Oak Ridge 实验室的技术,制备了商用的薄膜锂电池(品牌L ITE 3

ST AR TM )[10]。该电池以LiC oO 2为正极,金属锂片为负极,LiPON 作为电解液,整个电池厚度约15μm ,工作电压为410V ,承载电流达到20mA/cm 2

,能量密度为200Wh/kg ,可在10C 以上放电。集成在射频识别(RFID )卡上时,可以通过射

频信号接收时产生的电流,自动进行即时的点滴式充电,因此饱和容量可以很小。原来要用190mAh 的一次电池,可以用一个容量仅为012mAh 的薄膜锂电池替代,可以节省空间和成

本,同时又保证了系统的各项功能。

美国Cymbet 公司生产的POWER FAB TM 薄膜锂电池[11],给出的技术参数有:能量密度>200Wh/kg ,70000次的循环寿命,50C 的倍率放电容量利用率达80%。除了使用常规的仪器充电外,还可用射频、感应、太阳能等进行充电。除了单层的薄膜外,该公司还在研究将其制备在大面积衬底上进行卷绕,以提供较高能量的需求。

美国SMFM 实验室正在研制将薄膜锂离子电池制备到高强度的聚合物纤维表面上,他们称之为能量纤维[12]。

3　展望

薄膜锂电池是锂(离子)电池发展的一个方向,它以其极高的能量密度,号称无限的循环性能,以及真正意义上的全固态,在微能源领域必然会获得很大的市场。倘若可以解决大规模制作的工艺问题,薄膜锂电池的应用将扩展到现有的锂离子电池所有的应用领域。参考文献:

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收稿日期:2004-09-07

7

41　第2期　

杜　柯,等:薄膜锂电池的研究进展

锂离子电池研究进展

硕士研究生文献阅读报告 锂离子电池的研究进展 The research progress of lithium ion batteries 学科专业名称及代码：s1******* 研究方向：成像电子器件与系统 研究生：梁超

锂离子电池的研究进展 S1******* 梁超 2013年11月17 摘要：随着现今各种移动电子设备的需求越来越多，锂离子电池的需求量也在快速增长，传统锂离子电池在充放电效率及循环寿命上仍存在一些问题。文中讨论了硅微通道板在锂离子电池上的改进。采用光辅助电化学刻蚀和无电镀银方法,制备出一种可用于三维锂离子电池的覆银硅微通道板(Ag/Si一MCP)负极结构。 关键词：锂离子电池硅微通道板覆银硅微通道板 Abstract: With the demand for a variety of mobile electronic devices today, more and more demand for lithium-ion batteries is also growing rapidly, there are still some problems of the traditional lithium-ion battery charge and discharge efficiency and cycle life. The silicon micro-channel plates in lithium-ion battery improvements discussed in this paper.A three--dimensional(3-D)anode using a silver-coated Si micro-channel plate(Si-MCP)as the active materials was prepared by photo-assisted electrochemical etching followed by electroless deposition. Key Words: Lithium-ion battery Silicon micro-channel plates Silver-coated Si micro-channel plate 一、引言 锂电池（Lithium battery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 锂离子电池以其具有的电压高，比能量高，无记忆效应，对环境污染小等优点,已经作为一种重要的化学电池被广泛地应用于手机，笔记本电脑等数码产品中.随着便携设备小型化的发展,对电池小型化的要求也在提高. 1、传统锂电池构造及原理 正极为含锂的过渡族金属化合物，负极为碳材料。充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中．放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合．锂离子的移动产生了电流． 2、传统锂电池存在的问题 目前锂离子电池中使用最广泛的正极材料是氧化钴锂。随着各种移动电子设备的需求越来越多，锂离子电池的需求量也在快速增长，因而，氧化钴锂的需求也在增加。由于金属Co比较稀缺，并且价格昂贵。所以，目前人们正在积极开发低钴或是无钴的正极材料，同时，许多国内外研究工作者正在研究回收锂离子电池。 另外，负极材料的稳定性及其配比、电解液组成、膈膜的选择、氧化钴锂的热稳定性及其与电解液反应活性都会影响锂离子电池的安全性。在工艺方面，微短路，结构性内短路（电芯极耳过长，

锂离子电池研究现状

锂硫电池的研究现状 近年来，随着不可再生资源的逐渐减少，清洁能源的利用逐渐得到重视，而电池作为储能装置也受到越来越多的考验。锂硫电池与传统的锂离子电池相比，优势主要在于硫的高比容量，单质硫的理论比容量为1600mAh/g ，理论比能量2600Wh/kg。并且硫是一种廉价且无毒的原材料。而与此同时，硫作为锂电池的正极材料也存在着诸多问题[1]： 1、单质硫以及最终放电产物都是绝缘的，如果与正极中掺入的导电物质结合不好，就会导致活性物质不能参与反应而失效； 2、单质硫在反应过程中会生成长链的聚硫化物离子S n2-，这种离子容易溶解在电解液中，并与锂负极反应，产生“穿梭效应”，引起自放电并使库伦效率降低； 3、在每次放电过程结束之后，都会有一些Li2S2/Li2S沉淀在正极上，并且这些不溶物随着循环次数的增加，在正极表面发生团聚，并且正极结构也会发生变化，导致这部分活性物质不能参与电化学反应而失效，并且使电池的内阻增加； 4、硫正极随充放电的进行会产生约22%的体积变化，从而导致电池物理结构破坏而失效。 针对硫作为正极材料的种种弊端，研究者们分别采用了多种方法予以解决，其中将硫与碳材料复合的研究较多。针对几种典型方法，分别举例介绍如下：一、石墨烯-硫复合材料 Wang等人采用石墨烯包覆硫颗粒的方法制作复合材料电极[2]。如图1所示，他们首先采用化学方法制备了硫单质，并利用一种特殊的表面活性剂Triton X-100在硫颗粒的表面修饰了一些PEG高分子，然后再用导电炭黑和石墨烯的分散液对硫颗粒进行包覆。这种方法的优点在于：首先，石墨烯和导电炭黑具有优异的导电性能，可以克服硫以及硫反应产物绝缘的问题；第二，导电炭黑、石墨烯和PEG高分子对硫颗粒进行了包覆，可以解决硫在电解液中溶出的问题；第三，PEG高分子具有一定的弹性，可以在一定程度上缓解体积变化带来的影响。 二、碳纳米管-硫复合材料 Zheng等人用AAO做模板制备了碳纳米管阵列[3]，随后将硫加热使其浸入到碳纳米管中间，然后将AAO模板去掉，得到碳纳米管-硫复合材料，如图2所示。这种方法的优点在于碳纳米管的比表面积大，有利于硫化锂的沉积。并且长径比较大，可以较好地将硫限制在管内，防止其溶解在电解液中。碳纳米管的导电性好管壁又很薄，有利于离子导通和电子传输。同时，因为制备过程中先沉积硫，后去除模板，这样有利于使硫沉积到碳管内，减少硫在管外的残留，从而防止这部分硫的溶解。

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展

?１３６?材料导报Ａ：综述篇２０１２年ｌｏ月（上）第２６卷第１０期ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展＋ 王卫兵１，刘平２，李伟２，马凤仓２，刘新宽２，陈小红２ （１上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３；２上海理工大学材料科学与工程学院，上海２０００９３） 摘要ＣＩＧＳ薄膜太阳能龟池的缓冲层为低带隙Ｃ１ＧＳ吸收层与高带隙ＺｎＯ窗口层之间形成过渡，减少两者带隙的晶格失配和带隙失调，并可防止溅射Ｚｎ０窗口层时给ＣＩＧＳ吸收层带来损害等，对提高ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池效率起了重要作用。介绍了ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池缓冲层材料的分类和制备工艺，主要阐述了ＣｄＳ、ＺｎＳ及ＩｎｚＳ３薄膜缓冲层材料及化学水浴法、原子层化学气相沉积法、金属化合物化学气相沉积法等制备工艺的研究现状，最后指出ＣＩＧＳ太阳能电池缓冲层在制备工艺、环境保护及大规模工业化生产中遇到的问题，并展望了其发展方向。 关键词ＣＩＧＳ太阳能电池缓冲层 ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＢｕｆｆｅｒＬａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＣＩＧＳＴｈｉｎＦｉｌｍＳｏｌａｒＣｅｌｌ ＷＡＮＧＷｅｉｂｉｎ９１，ＬＩＵＰｉｎ９２，ＬＩＷｅｉ２，ＭＡＦｅｎｇｃａｎ９２，ＬＩＵＸｉｎｋｕａｎ２，ＣＨＥＮＸｉａｏｈｏｎ９２ （１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３） ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｓｏｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｃａｎｆｏｒｍｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ１ａｙｅｒｓｂｅｔｗｅｅｎ１０ＷｂａｎｄｇａｐＣＩＧＳａｂｓｏｒｂｅｒｌａｙｅｒｓａｎｄｈｉｇｈｂａｎｄｇａｐｏｆＺｎＯｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｍａｔｃｈｉｎｇａｎｄｂａｎｄｇａｐｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｓｄａｍａｇｅｏｆＣＩＧＳａｂｓｏｒｂｅｒｌａｙｅｒｆｒｏｍｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇＺｎＯｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＯｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣＩＧＳｔｈｉｍｆＪｉｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｍａｔｅｒｉａｌａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣｄＳ，ＺｎＳａｎｄＩｎ２Ｓ３ｔｈｉｎｆｉｌｍｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｂａｔｈｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＢＤ）。ａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＣＶＤ）。ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏ—ｓｉｔｉｏｎ（ＭＯＣＶＤ）ａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｍａｔｅ－ｒｉａｌｓｏｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｆｉｎａｌｌｙｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． ＫｅｙｗｏｒｄｓＣＩＧＳ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ ０引言 ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池具有成本低、光电转化效率高、性能稳定等特点，是最有发展前景的新型光伏电池之一［１］，越来越受到人们的关注。１９７４年，美国Ｂｅｌｔ实验室的Ｗａｇｎｅｒ等［２３首先研制出了光电转化率为５％的单晶体ＣＩＳ太阳能电池。１９８２年波音（Ｂｏｅｉｎｇ）公司的Ｃｈｅｎ等［３］采用蒸发Ｃｄｌ。一Ｚ珥Ｓ代替ＣｄＳ为缓冲层，与ＣＩＳ多晶体薄膜形成异质结，提高了器件的开路电压，使ＣＩＳ多晶体太阳能电池的光电转化率达到１０．６％。１９８５年，Ｐｏｔｔｅｒ等［４１研究出了以ＣＩＳ为吸收层、ＣｄＳ为缓冲层、Ｚｎ０为窗口层结构的新型电池，很好地改善了电池的性能。随着ＣＩＧＳ太阳能电池的逐渐发展，２００８年美国可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）制备了光电转化效率为１９．９％的ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池ｂｊ。２０１０年４月，德国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）创造了光电转化效率为２０．１％的记录，同时也标志着ＣＩＧＳ太阳能电池的光电转化效率首次突破２０％。２０１０年８月ＺＳＷ又报道了ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池光电转化效率达２０．３％［６］，这是迄今为止最好的光电转化效率，与多晶体硅太阳能电池的光电转化效率的差距缩ｄ，Ｎ了０．１％。ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的典型结构由玻璃衬底、底电极Ｍｏ层、ＣＩＧＳ吸收层、缓冲层、ｉ－ＺｎＯ和Ａｌ—Ｚｎ０窗口层、减反射层及顶电极７层材料组成［７］。 缓冲层是低带隙ＣＩＧＳ与高带隙Ｚｎ０窗口层之间的过渡层，其减少了两者之闭的带隙台阶与晶格失配，调整导带边失调值，对提高ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的ｐｎ结质量有重要作用。由于沉积方法与制备工艺条件的不同，缓冲层还有修复ＣＩＧＳ吸收层表面及防止溅射ＺｎＯ窗口层时给ＣＩＧＳ吸收层带来损害等作用∞］。很多学者和专家对缓冲层的重要性做了论证，结果表明，加缓冲层ＣｄＳ或含ＣｄＳ的ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池与不加时的光电转化率相差４％～６％［９］。本文综述了常用缓冲层材料及缓冲层制备工艺的研究现状，并指出了其存在的问题，展望了其发展方向。 ＊上海市科技攻关项目（０８１１０５１１６００）；上海市教委重点学科项目（Ｊ５０５０３） 王卫兵：男，硕士研究生，主要从事ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的研究Ｔｅｌ：０２１—５５２７１６９２Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｂ４２１＠１６３．ｃｏｒｎ刘平：男，教授，博士生导师，主要从事金属功能材料的研究和开发 万方数据

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

锂离子电池研究进展

华东理工大学2013—2014学年第1学期 《新能源与新材料》课程论文 2013.11 班级___复材101__ 学号__10103638__ 姓名____温乐斐_____ 开课学院材料学院任课教师张衍成绩__________

锂离子电池研究进展 温乐斐 （华东理工大学） 摘要 二次锂电池的优点是高体积、高质量比容量、长循环寿命、低放电速率，是环保型电源的理想备选之一。本文简单介绍了锂离子电池的正极材料、负极材料及电解质的种类和发展概况，并对当今锂离子电池发展所面临的问题和发展前景进行阐述。最后说明了一下其发展前途和产业化趋势。 关键词：锂电池；正极材料；负极材料；电解质；发展进程 The Research and Development of Rechargeable Lithium-ion Battery Wen Lefei (East China University of Science and Technology) Abstract The rechargeable lithium-ion battery has been extensively used in mobile communication and portable instruments due to many advantages, such as high volumetric and gravimetric energy density, long cycle life, and low self-discharge rate. In addition, it is one of the promising alternatives as the power sources. The development of researches on materials of lithium-ion battery for cathode, abode and electrolyte are introduced in this paper, at the same time lithium-ion existing problems is battery and prospects are also outlined. At last, the strategic position and some future investigating trends are also presented. Key words: Li-ion battery; cathode materials; anode materials; electrode materials; research and development; progress

有机薄膜太阳能电池的研究进展

有机薄膜太阳能电池的研究进展 摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。 关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言 近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理 图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理 当阳光从阳极层（p型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展 有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面：

3.1 提高太阳光吸收效率 材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的 匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。 将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太阳电池的开路电压是单层有机太阳电池的3.7倍，短路电流是单层有机太阳电池的1.6倍。 3.2 提高激子的分解率 有机薄膜太阳能电池中，光照下产生的激子的库仑力非常大，约为数百mev，生成的激子只有扩散到p型和n型有机半导体接触的界面才能进行有效的分离。而在有机材料中激子的扩散长度一般都小于20 nm，因此p型半导体层不能太厚，唐健敏等人［3］研究了基于ito/cupc/cupc∶c60/alq/al结构的pin有机太阳能电池膜厚对器件性能的影响，发现当器件光吸收层、电子传输层、空穴传输

(完整版)全固态锂电池技术的研究进展与展望

全固态锂电池技术的研究进展与展望 周俊飞 （衢州学院化学与材料工程学院浙江衢州324000） 摘要：现有电化学储能锂离子电池系统采用液体电解质，易泄露、易腐蚀、服役寿命短，具有安全隐患。薄膜型 全固态锂电池、大容量聚合物全固态锂电池和大容量无机全固态锂电池是一类以非可燃性固体电解质取代传统锂离 子电池中液态电解质，锂离子通过在正负极间嵌入-脱出并与电子发生电荷交换后实现电能与化学能转换的新型高 安全性锂二次电池。作者综述了各种全固态锂电池的研究和开发现状，包括固态锂电池的构造、工作原理和性能特 征，锂离子固体电解质材料与电极/电解质界面调控，固态整电池技术等方面，提出并详细分析了该技术面临的主要 科学与技术问题，最后指出了全固态锂电池技术未来的发展趋势。 关键词：储能；全固态锂离子电池；固体电解质；界面调控 1 全固态锂电池概述 全固态锂二次电池，简称为全固态锂电池，即电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池，是从20 世纪50 年代开始发展起来的[10-12]。全固态锂电池在构造上比传统锂离子电池要简单，固体电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色，如图 2 所示，所以，在全固态锂电池中，电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大简化了电池的构建步骤。全固态锂电池的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理是相通的，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固体电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程恰好相反，此时电子通过外电路驱动电子器件。目前，对于全固态锂二次电池的研究，按电解区分主要包括两大类[13]：一类是以有机聚合物电解质组成的锂离子电池，也称为聚合物全固态锂电池；另一类是以无机固体电解质组成的锂离子电池，又称为无机全固态锂电池，其比较见表1。通过表1 的比较可以清楚地看到，聚合物全固态锂电池的优点是安全性高、能够制备成各种形状、通过卷对卷的方式制备相对容易，但是，该类电池作为大容量化学电源进入储能领域仍有一段距离，主要存在的问题包括电解质和电极的界面不稳定、高分子固体电解质容易结晶、适用温度范围窄以及力学性能有提升空间；以上问题将导致大容量电池在使用过程中因为局部温度升高、界面处化学反应面使聚合物电解质开貌发生变化，进而增大界面电阻甚至导致断路。同时，具有隔膜作用的电解质层的力学性能的下降将引起电池内部发生短路，从面使电池失效[14-15]。无机固体电解质材料具有机械强度高，不含易燃、易挥发成分，不存在漏夜，抗温度性能好等特点；同时，无机材料处理容易实现大规模制备以满足大尺寸电池的需要，还可以制备成薄膜，易于将锂电池小型化，而且由无机材料组装的薄膜无机固体电解质锂电池具有超长的储存寿命和循环性能，是各类微型电子产品电源的最佳选择[10]。采用有机电解液的传统锂离子电池，因过度充电、内部短路等异常时电解液发热，有自燃甚至爆炸的危险（图3）。从图 3 可以清楚地看到，当电池因为受热或短路情况下导致温度升高后，传统的锰酸锂或钴酸锂液体电解质锂离子电池存在膨胀起火的危险，而基于纯无机材料的全固态锂电池未发生此类事故。这体现了无机全固态锂电池在安全性方面的独特优势。以固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池能量密度偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望彻底解决电池的安全性问题，符合未来大容量新型化学储能技术发展的方向。正是被全固态锂电池作为电源所表现出来的优点所吸引，近年来国际上对全固态锂电池的开发和研究逐渐开始活跃[10-12] 2 全固态锂电池储能应用研究进展 在社会发展需求和潜在市场需求的推动下，基于新概念、新材料和新技术的化学储能新体系不断涌现，化学储能技术正向安全可靠、长寿命、大规模、低成本、无污染的方向发展。目前已开发的化学储能装置，包括各种二次电池（如镍氢电池、锂离子电池等）、超级电容器、可再生燃料电池（RFC：电解水制氢-储氢-燃料电池发电）、钠硫电池、液流储能电池等。综合各种因素，考虑用于大规模化学储能的主要是锂二次电池、钠硫电池及液流电池，而其中大容量储能用锂二次电池更具推广前景。。 全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池或锂金属电池等后锂离子充电电池的先导性研究在世界各地积极地进行着，计划在2020 年前后开始商业推广。在众多后锂离子充电电池中，包括日本丰田汽车、韩国三星电子和德国KOLIBRI 电池公司对全固态锂电池都表现出特别的兴趣。图 4 为未来二十年大容量锂电池的发展路径，从图 4 可以看出，全固态电

薄膜太阳能电池的研究现状与发展趋势

薄膜太阳能电池的研究现状与发展趋势 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、水能等都来源于太阳能。太阳能电池是是一种通过光伏效应将太阳能转变为电能的一种装置，是利用太阳能的一种重要形式。 目前，人们根据所选用的半导体材料将太阳能电池应用技术分为晶硅和薄膜两大类。晶硅太阳能电池在现阶段的大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其成本过高，限制了其发展。相比晶硅等其它太阳能电池，薄膜太阳能电池具有生产成本低、原材料消耗少、弱光性能优良等优势。随着世界能源紧缺，薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且无污染，还可以实现光伏建筑一体化，易于大面积推广。 非晶硅薄膜太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池转换效率较低，实验室转换效率只有13％，但工艺成熟、成本较晶硅低廉、制备方便，适于大规模生产。 非晶硅薄膜太阳能电池通常为叠层结构，玻璃基板上沉积了透明导电膜（transparentconducTIveoxide，TCO）层、非晶硅层（aSi层）和背电极层（Al／ZnO层）3层薄膜，其中非晶硅层通过磁控溅射法沉积。 相对于单晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。（1）非晶硅的光吸收系数大，因而作为太阳能电池时，薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时，要小得多；（2）相对于单晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单，制造过程能量消耗少；（3）可实现大面积化及连续的生产；（4）可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底，因而容易降低成本；（5）可以做成叠层结构，提高效率。 但同时非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。（1）由于Staebler-Wronski效应的存在，使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减，从而导致整个电池效率的降低；（2）沉积速率低，影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产；（3）

非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向

第33卷增刊2012年12月 太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol．33Suppl Dec.， 2012收稿日期：2012-07-24基金项目：国家高技术研究发展（863）计划（2011AA050518）；国家重点基础研究发展（973）计划（2012CB934302）；上海市科委项目 （11DZ2290303） 通讯作者：李海华（1974—），女，博士、副教授，主要从事微纳电子学与器件制造方面的研究。lihaihua@sjtu．edu．cn 文章编号：0254- 0096（2012）增刊-0001-06非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向 李海华，王庆康 （上海交通大学微纳科学技术研究院，“薄膜与微细技术”教育部重点实验室、“微米纳米加工技术”国家级重点实验室，上海200240） 摘要：介绍了非晶硅薄膜太阳电池的最新研究进展，微纳光学结构和金属表面等离子体特性引入到非晶硅薄膜 太阳电池可大大降低薄膜厚度和提高光电转换效率。叠层串联的非晶硅太阳电池及非晶硅和多晶硅、单晶硅组成的异质结结构可增加宽带太阳光谱吸收范围，提高光电转换效率，是非晶硅薄膜电池的发展方向。关键词：非晶硅；太阳电池；叠层；微纳结构；异质结中图分类号：TM615 文献标识码：A 0引言 太阳能是可再生能源领域中最具发展前景的资 源。作为太阳能利用的重要组成部分，光伏发电是一种清洁的、用之不竭的可再生绿色新能源。利用太阳电池可以无任何材料损耗地将太阳能转换为人 类可利用能量的最高级形式— ——电能。太阳电池的应用可解决人类社会发展的能源需求方面的3个问 题：开发宇宙空间时， 利用太阳能提供持续可用地即时转化电能；解决目前地面能源面临的矿物燃料资 源减少与环境污染的问题；日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题等。特别是太阳电池在发电 过程中不会给人们带来任何噪声、 辐射和污染，与其他形式的可再生能源（如风力发电）相比，由于不存 在任何可动的部分，所以系统稳定性高，维护成本相对较低；在使用中不释放包括CO 2在内的任何气 体， 这些对满足能源需求、保护生态环境、防止地球温室效应具有重大意义。 制作太阳电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，根据所用材料的不同，太阳电池可分为：1）硅太阳电池；2）以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3）功能高分子材料制备的太阳电池；4）纳米晶太阳电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳电池材料的一般要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的 光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便 于工业化生产且材料性能稳定。 基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳电池材料，这也是太阳电池以硅材料为主的主要原因。目前，硅基薄膜太阳电池因其成本低、质量轻、转换 效率较高、 便于大规模生产，而具有较大的优势，从而成为国际上研究最多，发展最快的薄膜电池，也是 目前唯一实现大规模生产的薄膜电池。本文简要地综述了非晶硅太阳电池的国内外现状和最新研究进展，并讨论了非晶硅太阳电池的发展及趋势。 1国内外产业现状 非晶硅（a-Si ）薄膜太阳电池虽然早已出现［1］，但由于光电转换效率低、衰减率（光致衰退率）较高等问题，一直制约其发展。随着其技术的不断进步， 光电转换效率得到迅速提高［2］ 。传统的晶硅太阳电池利用纯硅锭切割而成的硅片将光转换为电流。因为晶硅价高且晶片脆，因此太阳电池模块的加工生产过程需要特殊处理。且该种电池需要封装和其他组件，使得晶硅模块价格昂贵，但其工作寿命达20 25a ，能效为14% 23%。非晶硅薄膜太阳电池为第二代产品，有望实现更低的成本，大多采用连 续性卷对卷生产工艺［3］ ，而晶硅电池采用分批生产工艺。虽然仍与晶体硅电池相比存在差距，但其用料少、工艺简单、能耗低，成本有一定优势；尤其因为其沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔

全固态3D薄膜锂离子电池的研究进展

全固态3D薄膜锂离子电池的研究进展 作者：邓亚锋钱怡崔艳华刘效疆来源：本站浏览数：289 发布时间：2013-8-8 16:28:16 0 引言 全固态薄膜锂离子电池主要由正/负极薄膜、电解质和集流器薄膜组成．整个电池厚约10 μm，可设计成任意形状和大小集成在IC电路中，是便携式电子设备、微电子机械系统(MEMS)以及微型国防技术装备(如微型智能武器)的理想能源。全固态平面薄膜电池(图1)受限于几何结构，能量和功率密度难以满足快速发展的MEMS、微型医疗器械、无线通信、传感器等领域对微电源的要求。全固态三维薄膜锂离子电池(简称3D锂电池)通过独特的构架设计(图2)，增大单位立足面积内电极活性物质负载量，并缩短锂离子扩散半径，提高了电池的容量和充放电速率。是解决未来微电子器件能量需求的一种有效方式，引起了人们的极大关注。 1 不同构架的全固态3D薄膜锂电池 1．1 叉指碳柱3D电池 叉指碳柱3D电池由加利福尼亚大学Wang小组于2004年首次提出(图3)，在Si/SiO2衬底上涂覆感光胶，光刻得到图形，再经过高温热解及后处理，即制得正/负极叉指状碳柱3D电池。叉指碳柱既可以直接作为电极，又可以作为集流器，在其表面沉积各种电化学活性物质。2008年，Min等研究了在叉指碳柱上电镀十二烷基苯磺酸盐掺杂聚吡咯(PPYDBS)导电聚合物薄膜的方法。结果表明，覆盖约10 μm厚PPYDBS的叉指阴极(C-PPYDBS)，电极电位从碳电极的3．2 V提高到了3．7 V(相对于Li/Li+)，但自放电较为严重，电池的放电容量远小于充电电容。 为改善叉指碳柱电极性能，Teixidor等制备出包覆中间相碳微球的叉指碳柱(C-MCMB)，有效提高了电极不可逆容量，但可逆容量仍较低。Chen等在叉指碳柱上包覆碳纳米管(CNT／C-MEMS)使单位立足面积电容达到8．3 F/cm2，充放电循环性能得到显著提高。 叉指碳柱电极成本低、热力学和化学稳定性好、易制成各种形貌、能包覆不同的活性材料(图4)，光刻-热解工艺较为成熟，适合工业化生产。但是，叉指结构放电不均匀、漏电流较大、碳柱在锂离子嵌入和脱出过程中易变形破损，这些问题需进一步研究解决。 1．2 微通道衬底3D电池 1998年，以色列特拉维夫大学的Peled小组首次报道了微通道衬底3D 电池(3D-MCP)；在Si片或玻璃上蚀刻出均匀分布、直径为15～50 μm的微通

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池研究毕 业论文 Final approval draft on November 22, 2020

非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物 体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池地工作原理及区别1

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池 的工作原理及区别 硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。 当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。 太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10％（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5 ％左右。电池基体域

产生的光电流对红外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要组成部分。 2.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可

全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展

论 著8 全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展 耿利群任岳*朱仁江陈涛 （重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047） 摘 要：本文综述了全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展，主要阐述了薄膜锂电池的结构设计以及正极、负极和固体电解质材料研究现状，并对其今后的发展趋势及研发热点进行了展望。 关键词：全固态薄膜锂离子二次电池；固体电解质；电池结构 DOI：10.3969/j.issn.1671-6396.2013.01.004 1 引言 随着电子信息工业和微型加工技术快速发展，对其所需的微型能源则提出了特殊微型化的要求。其中全固态薄膜锂离子二次电池因其高的能量密度、强的安全性、长的循环寿命、宽的工作电压和重量轻等优点，成为微电池系统需求的最佳选择[1]。本文主要介绍了全固态薄膜锂离子二次电池的关键性薄膜材料及电池结构的研究现状，并对其的开发应用及研究前景作了分析。 2 全固态薄膜锂离子二次电池结构的研究 薄膜电池结构的设计，对整个电池性能将产生直接的影响；同样对提高电池的能量密度、循环寿命和锂离子的传输速率也起到至关重要的作用。所以优化薄膜电池结构的设计，则是对构造高性能薄膜锂离子电池做到了强有力的支撑。 1993年美国橡树岭国家实验室（ORNL）Bates等[2]研制出了一种经典的薄膜锂离子电池叠层结构（见图1）。在衬底上先沉积两层阴阳极电流收集极薄膜，而后依次沉积阴极、固体电解质和阳极薄膜，最后在薄膜电池外表面上涂一层保护层，以此来防止阳极上金属锂和空气中的一些物质发生化学反应。 图1 薄膜锂离子电池结构剖面示意图 Baba等[3]研发出另一种典型的薄膜锂离子电池结构（见图2）。其较图1薄膜锂电池结构设计更为简单，制作更为容易。在不锈钢衬底上依次沉积各层薄膜电池材料，而在图示中有两个引线端子则是为了便于薄膜电池的连接使用。这种结构设计很好地提高了整个电池的有效面积，进而也极大地改善了薄膜电池的性能。 Nakazawa等[4]利用直流溅射和射频溅射的方法，研制出一种“直立型”全固态薄膜锂离子电池结构（见图3）。该研究小组利用该薄膜电池结构设计，成功制备出有效面积更大的全固态薄膜锂离子电池，这样也使得薄膜电池的能量密度和循环寿命等电化学性能得到大幅度提升。 图2 全固态薄膜锂离子电池结构剖面示意图 图3 “直立型”全固态薄膜锂离子电池剖面示意图 Hart等[5]设计了柱状电极交替排列的微型锂电池结构（见图4）。并对几种不同的正极、负极排列方式进行了相关的研究计算，得出了此薄膜电池的结构能够大大提升薄膜电池本身的能量密度。然而Eftekhari[6]则研制出了一种3-D微型锂电池结构的LiMn2O4电极，与以往微型锂电池结构的LiMn2O4电极在电池容量方面得到了提升。 图4 3-D微电池柱状结构示意图 [正极（灰色） 、负极（白色）交替排列分布]