太阳能利用科学-PPT课件(共8单元)第三章化合物太阳能电池.pptx

化合物太阳能电池2太阳能电池的分类太阳能电池的分类1砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池2碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池3铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池4钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池6量子点太阳能电池量子点太阳能电池7高效聚光太阳能电池高效聚光太阳能电池8化合物太阳能电池产业的问题化合物太阳能电池产业的问题化合物太阳能电池产业的问题化合物太阳能电池产业的问题9染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池5目录目录1 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类31.1 太阳能电池简介太阳能电池简介太阳能电池是用半导体硅，-族、-族化合物等材料将太阳能的光能变成电能的器件，具有可靠性高、寿命长、转换效率高等优点单体电池尺寸从1010 mm至156156 mm，输出功率为数十mW瓦至数W，理论光电转换效率为25%以上，实际已达到22%以上1 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类41.2 太阳能电池历史太阳能电池历史1839年，法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光生伏打效应（Photovoltaic effect）。

1883年，第一个硒制太阳能电池由美国科学家Charles Fritts制造出来1930年代，硒制电池及氧化铜电池被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计、照相机的曝光针1946年现代化硅制太阳能电池由Russell Ohl开发出来1954年科学家将硅制太阳能电池的转化效率提高到4%左右，1955年达到11%随后，太阳能电池应用于人造卫星1973年能源危机，人类开始将太阳能电池转向民用，最早应用于计算器和手表等1974年Haynos等人利用硅的各向异性（anisotropic）的刻蚀（etching）特性，在单晶硅太阳能电池表面刻蚀出具有许多金字塔结构的绒面金字塔绒面结构能有效降低太阳光在电池表面反射损失，使得当时的太阳能电池转换效率达到17%1976年以后，如何降低太阳能电池成本成为业内关心的重点1990年以后，电池成本降低使得太阳能电池进入民间发电领域，太阳能电池开始应用于并网发电1 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类51.3 分类方法分类方法按结晶状态结晶系薄膜式非结晶系薄膜式单结晶型多结晶型按材料硅薄膜形有机膜形化合物半导体薄膜形按使用材料聚合物多层修饰电极型太阳能电池塑料太阳能电池有机太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅太阳能电池（发展最成熟，占主导地位）纳米晶太阳能电池1 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类61.3 分类方法分类方法按发展阶段非晶硅薄膜电池（a-Si）碲化镉太阳能电池（CdTe）铜铟镓硒太阳能电池（CIGS）砷化镓太阳能电池纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池第二代太阳能电池超叠层太阳能电池热光伏电池（TPV）量子阱及量子点超晶格太阳能电池中间带太阳能电池上转换太阳能电池下转换太阳能电池热载流子太阳能电池碰撞离化太阳能电池第一代太阳能电池 晶体硅电池第三代太阳能电池1 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类71.4 化合物化合物太阳能电池简介太阳能电池简介化合物太阳能电池即化合物半导体太阳能电池，是指发电元件(电池单元)不使用硅，而是使用化合物半导体的太阳能电池。

化合物半导体是指在元素周期表中，由两种以上不同族的原子所组成的半导体若以族来区分，化合物太阳能电池可分为以下几类：-族（如CdTe基）、-族（如CuInSe2基）和-族（如GaAs）目前世界上已实现实用化的化合物类太阳能电池，具有代表性的砷化镓(GaAs）、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、染料敏化（DS）和钙钛矿（Perovskite）等太阳能电池（Solar Cell）2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池8-族化合物半导体太阳能电池由于具有许多优越特性受到人们的重视，它具有较高的转换效率及耐高温的性质等族和族元素有许多种组合可能，因而-族化合物材料的种类繁多其中最主要的是砷化镓（GaAs）及其相关化合物，其次是以磷化铟（InP）和其相关化合物组成的InP基系-族化合物以GaAs为代表的-族化合物电池的研究开发和应用推广已取得很大成功但目前而言，尽管GaAs系列太阳能电池的效率高、抗辐射性能好，但由于其生产设备复杂、消耗大、生产周期长，导致生产成本高，难以与其他太阳能电池相比2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池9砷化镓(GaAs)的原子结构是闪锌矿结构，Ga原子As原子之间主要是共价键，也有部分离子键。

作为电子材料，GaAs具有许多优越的性能，GaAs材料的物理性质见表3-1从表3-1中可以看出，GaAs材料的禁带宽度大、电子迁移率高、电子饱和速度高与硅器件相比，GaAs的电子器件具有工作速度快、工作温度高和工作频率高的优点，因此，GaAs材料在高速、高频和微波等通信用电子器件方面应用广泛2.1 砷化镓材料性质砷化镓材料性质表表3-1 GaAs材料的物理性质材料的物理性质(300K)密度密度 g/cm35.32电子有效质量 kg5.910-32单位立方厘米原子单位立方厘米原子数数/1022cm-34.41空穴有效质量 kg7.510-32（L）4.110-31（h）热膨胀系数热膨胀系数/10-6K-16.6电子饱和速度/(107cm/s)2.5禁带宽度禁带宽度/eV1.43击穿电场强度/（105V/cm）3.5本征载流子浓度本征载流子浓度/cm-31.3106器件最高工作温度/470电子迁移率电子迁移率/cm2/(Vs)8800空穴迁移率/cm2/(Vs)4502 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池10作为太阳能电池材料，GaAs具有良好的光吸收系数，图3-1所示为各种-族化合物半导体材料与Si、Ge的光吸收系数。

由图3-1可知，GaAs的光吸收系数，随着光子能量的升高而增大，当光子能量从1.43 eV上升到1.5 eV时，GaAs的光吸收系数急剧增大到104 cm-1，比硅材料要高一个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分因此，对于GaAs太阳能电池而言，只要厚度达到3m，就可以吸收太阳光谱中约95%的能量2.1 砷化镓材料性质砷化镓材料性质图3-1-族化合物半导体材料与Si、Ge的光吸收系数2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池11由于GaAs材料的禁带宽度为1.43eV，光谱响应特性好，因此，太阳能光电转换理论效率相对较高图3-2为不同材料的禁带宽度与太阳能电池理论效率的关系从图3-2中可知，GaAs太阳能电池的效率要比硅太阳能电池高2.1 砷化镓材料性质砷化镓材料性质图3-2 不同材料的禁带宽度与太阳能电池理论效率的关系2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池12通常太阳能电池的效率会随温度的升高而下降，例如硅太阳能电池，在200左右其太阳能电池效率降低70%与硅太阳能电池相比，GaAs材料的禁带宽度大，用它制备的太阳能电池的温度系数相对较小在较宽的范围内，电池效率随温度的变化近似于线性，约只有-0.23%/。

GaAs太阳能电池随温度升高，效率减低缓慢，具有更高的工作温度范围同时，GaAs太阳能电池也有抗辐射能力强的特点，其在辐射强度大的空间飞行器上也有明显优势2.1.1 砷化镓材料性质砷化镓材料性质2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池13单结砷化镓太阳能电池是最早进行研究的一种-族化合物半导体太阳能电池，以GaAs单晶材料为衬底在GaAs衬底上生长的GaAs/GaAs同质结构太阳能电池有很高的转换效率，缺点是GaAs衬底材料价格昂贵、密度大、容易碎裂、机械强度不高这些缺点使得GaAs/GaAs同质结构太阳能电池的应用受到限制为了克服这些缺点人们试图寻找各种廉价衬底，以取代GaAs衬底，形成异质结构的GaAs太阳能电池目前GaAs/Ge异质结构太阳能电池最为成功，这里以单结GaAs/Ge太阳能电池为例阐述其工作原理图3-3是单结GaAs/Ge太阳能电池的结构示意图2.2 砷化镓太阳能电池结构砷化镓太阳能电池结构2.2.1单结砷化镓太阳能电池单结砷化镓太阳能电池图3-3 单结GaAs/Ge太阳能电池的结构示意图2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池14单结砷化镓太阳能电池作为最初应用于空间的-太阳能电池，在世界航天领域占有一定的地位，但是单结太阳能电池无法吸收长波段的太阳光，制约了其光电转换效率的提高。

故而，随着技术的不断发展，其渐渐被多结叠层太阳能电池所取代2.2 砷化镓太阳能电池结构砷化镓太阳能电池结构2.2.1单结砷化镓太阳能电池单结砷化镓太阳能电池2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池15多结砷化镓太阳能电池是用不同禁带宽度（Eg）的-族化合物的材料制备而成多结GaAs太阳能电池是将各子电池按Eg大小从上到下迭合起来（图3-4（a）和(b)），各个子电池可选择性的吸收太阳光谱中各个波段的光子能量，并将它们转换为光电流，这样可以大幅提高太阳能电池的光电转换效率结果表明，双结GaAs太阳能电池的极限效率可达到30%，三结GaAs太阳能电池的极限效率可达到33%，在聚光条件下可获得较高的转换效率，因此被广泛使用在聚光光伏系统中四结GaAs太阳能电池的极限效率可超过40%因此多结砷化镓太阳能电池是今后太阳能电池发展方向之一2.2 砷化镓太阳能电池结构砷化镓太阳能电池结构2.2.2多结砷化镓太阳能电池多结砷化镓太阳能电池图3-4 多结叠层太阳能电池2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池16GaAs基系的多结叠层太阳能电池以其高效率、高可靠性和长寿命的特点已日益成为航天飞行器空间电源的主要材料。

衬底材料的重量严重制约了电池比功率的提高近年来研究表明，采用超薄柔性衬底材料，研制柔性薄膜GaAs太阳能电池可以在保证较高转换效率的同时，大幅度提高太阳能电池重量比功率，裸电池比功率可由400-500W/kg提升到2500 W/kg以上2.3 柔性薄膜砷化镓太阳能电池柔性薄膜砷化镓太阳能电池2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池17薄膜GaAs太阳能电池主要是将电池有效结构转移到柔性衬底上，从而实现电池重量下降和具有可弯曲性图3-5（a）和图3-5（b）为刚性衬底GaAs电池和柔性薄膜GaAs太阳能电池的结构对比图由图可见，整个电池的厚度大大减少，重量也大大降低，从而显著提高电池的重量比功率同时，由于使用了柔性衬底，GaAs薄膜电池还具有一定的可弯曲性，可以封装后做成柔性太阳方阵而且，这种超薄型太阳电池的抗辐射性能很好2.3 柔性薄膜砷化镓太阳能电池柔性薄膜砷化镓太阳能电池a）刚性衬底 b）柔性衬底 图3-5 刚性衬和GaAs太阳能电池示意图2 2 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳能电池18l光伏建筑一体化发电、l便携式可折叠充电器、l汽车和舰船的表面2.3 柔性薄膜砷化镓太阳能电池柔性薄膜砷化镓太阳能电池应用场景应用场景l降低薄膜砷化镓太阳能电池的制造成本、l针对应用需求展开相应应用场景研究。

研究方向研究方向3 3 碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池19-族中的太阳能电池材料，主要是以镉形成二元及三元化合物半导体，包括硫化镉和碲化镉现今该类型的太阳能电池主要以碲化镉为主1959年，Rappaport，得到转换效率约为2%的碲化镉(CdTe)单晶电池自此以后,通过对电池结构工艺及制备工艺的不断优化，其转换效率不断提升，在当今太阳能电池市场中占据一定份额3 3 碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池20CdTe直接带隙宽度几乎与太阳光谱光伏能量转换最优值相匹配，这意味着从紫外区到CdTe的带隙这样一个很宽的波长范围内都有高量子产率，且能量高于Eg的短波光子在碲化镉的近表面被吸收，这使得CdTe成为薄膜太阳能电池中引人注目的吸收层材料CdTe的基本性质如表3-2所示，电学上，CdTe表现出两性半导体特性，这使得本征和外掺杂n型与p型都成为可能3.1 碲化镉材料的性质碲化镉材料的性质表3-2 CdTe基本性质（298K）3 3。