刘畅

山东省实验中学

项目名称:绿色氧化物太阳能电池的低碳组装方法及光伏性能研究

学科:物理学

个人简介:

刘畅同学从小就受家庭环境的影响,对科学研究有着浓厚的兴趣。她在学习上积极进取,在生活上开朗乐观,利用课余时间还培养自己的兴趣爱好,磨练自己的意志。她曾参加2012年7月参加第二十七届全国青少年科技创新大赛,获一等奖;同时获得21世纪青少年科技创新奖。又于2012年10月参加第十二届“明天小小科学家”奖励活动并并获得一等奖。之后于2013年5月赴美国凤凰城参加了2013年英特尔国际科学与工程大奖赛(ISEF),并于同年被保送到山东大学材料学院。她不满足于现状,希望可以通过自己的努力,不断突破和超越自我,取得更大的进步。通过参加科技实践活动,她发现自己对半导体材料物理的研究兴趣更加浓厚了,坚定了她继续深造,通过大学-博士-博士后等更高层次的学习,将来从事自然科学研究,使研究成果服务社会、造福人类,最终成为一名科学家的梦想。

 

 

项目简介:

参与这项研究工作的起因是刘畅同学观看了一部名为《难以忽视的真相(An Inconvenient Truth)》的纪录片,因此对能源及其消耗问题产生了兴趣。随后通过阅读科普书籍《话说新能源丛书—太阳能揭秘》,了解了相关背景知识,并对太阳能电池产生了浓厚兴趣。在她的研究中,采用了易获得、无毒的氧化物ZnO、Cu2O为原料,衬底则是普通的(掺F的二氧化锡)透明导电玻璃(FTO玻璃)。选用了电化学沉积法作为电池组装方在电池组装过程中,她先尝试了在FTO玻璃上沉积一层ZnO薄膜作为N型半导体,又沉积一层Cu2O薄膜作为P型半导体的薄膜-薄膜结构,并使用扫描电镜观察其微观形态及异质结界面结构;又用X射线衍射仪观察其物质组成。最后用直流溅射法溅射上金电极,在太阳能模拟器光照下,用电流电压/原表等仪器测试其光电转化效率。

 

本项目的主要创新之处在于以下三点:

1)在制备工艺方面,选用了低成本、低能耗的电化学沉积法作为电池的组装方法;在我的实验过程中,生产一个太阳能电池(约沉积2CM2)耗能仅需1瓦,生产相同大小的硅电1池则要几百瓦。因此这种方法是十分低碳的,制造过程也无任何污染物产生。这是第一代、第二代太阳能电池不具备的优点。

2)在材料选择方面,选用了自然界中含量丰富、无毒的氧化物ZnO、Cu2O为原料,它们属于绿色的半导体材料;而第一代硅太阳能电池制造中有毒气体(三氯氢硅)排放,第二代碲化镉(CdTe)电池中的Cd离子、砷化镓(GaAs)中的砷也有很大毒性。

3)在电池结构方面,她先后采用了薄膜/薄膜型和纳米线/薄膜型结构,并实现了由异质结电池向同质结电池的转化,逐步实现了结构优化,提升了电池效率。

本项目的意义主要在于以下两点:

1)选取了易获得的、加工过程中无污染的氧化物材料。这将有助于解决现有太阳能电池工业中存在污染的问题,并能够从一定程度上降低太阳能电池的成本。

2)采用了低能耗、低成本的电池组装方法。这将有助于解决现有太阳能电池工业中高成本、高能耗的问题。 

     下一步,刘畅同学将从以下两个方面继续开展并不断完善该研究项目:

1)通过进一步优化电沉积参数,或者通过掺杂工艺,进一步降低氧化锌和氧化亚铜薄膜的电阻率,有望进一步提高电池效率。目前我们组装的电池的效率0.106%,采用降低电阻率的方法,理论上可以使效率提高3-4倍。

2)通过选用大面积的衬底,探讨大面积产业化的可能性。目前主要是电阻率太大,限制了大面积衬底的使用。可以通过提高掺杂浓度,进一步降低电阻率来解决这个问题。