第五章-太阳能电池材料.ppt

Outline背景及发展历程背景及发展历程1基本原理基本原理2电池分类电池分类4发展前景发展前景5电池应用电池应用3第五章第五章 太阳能太阳能电池材料池材料能源枯竭能源枯竭 石油：石油：4242年，天然气：年，天然气：6767年，煤：年，煤：200200年年 环境污染环境污染 每年排放的二氧化碳达每年排放的二氧化碳达210210万吨，并呈上升趋势，造成万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境  CxHy + O2           H2O + CO2 +  SO2 + NOx 太阳能电池发展背景太阳能电池发展背景 •资源丰富资源丰富ü  4040分钟照射地球辐射的能量分钟照射地球辐射的能量＝＝全球人类一年的能量需求全球人类一年的能量需求太阳能电池发展背景太阳能电池发展背景 • 洁净能源洁净能源ü与与 石石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致““温室效应温室效应””，，也不会造成环境污染也不会造成环境污染•  使用方便使用方便ü同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。

本低太阳能的太阳能的优点点p1893年年   法国科学家贝克勒尔发现法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应光生伏特效应”，即，即“光光伏效应伏效应”p1954年年   恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率为单晶太阳能电池，效率为6% 同年，韦克尔首次发现了砷化同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池膜太阳能电池p1958年年    太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星号卫星电源太阳能电池发展历史太阳能电池发展历史太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理1  本征半本征半导体体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体n本征半本征半导体的原子体的原子结构及共价构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构 图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构 n本征激本征激发和两种和两种载流子流子 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。

束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对 图图1.2  本征激发产生电子空穴对本征激发产生电子空穴对2  杂质半半导体体 在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体n N型半型半导体体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体 N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）N型半型半导体主要靠自由体主要靠自由电子子导电图1.3 N型半导体的共价键结构 nP型半型半导体体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体 P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）P型半型半导体主要靠空穴体主要靠空穴导电图1.4 P型半导体共价键结构 3. PN结的形成的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.5所示。

图1.5 P型和N型半导体交界处载流子的扩散  由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.6所示图1.6 PN结的形成 ＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋－－－－－－P P型半导体型半导体n n型半导体型半导体V 当太阳光入射到太阳电池表面上后当太阳光入射到太阳电池表面上后, ,所吸收得能量大于禁带所吸收得能量大于禁带宽度，在宽度，在p-np-n结中产生电子结中产生电子- -空穴对，在空穴对，在p-np-n结内建电场作用下，结内建电场作用下，空穴向空穴向p p区移动，电子向区移动，电子向n n区移动，从而在区移动，从而在p p区形成空穴积累，在区形成空穴积累，在n n区形成电子积累若电路闭合，形成电流区形成电子积累若电路闭合，形成电流单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 太阳能电池的分类太阳能电池的分类（按基体材料分（按基体材料分 ））太阳能电池太阳能电池硅太阳能电池硅太阳能电池 单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 结晶系太阳能电池结晶系太阳能电池无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池 p第一代：单晶硅和多晶硅两种第一代：单晶硅和多晶硅两种单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。

单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高p第二代：薄膜太阳能电池第二代：薄膜太阳能电池基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为材料效率比第一代低，但生产成本最低效率比第一代低，但生产成本最低p第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒（（CIS））等及薄膜））等及薄膜Si系太阳能电池系太阳能电池转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应太阳能电池的分类太阳能电池的分类硅太阳能电池硅太阳能电池——（按基体材料分（按基体材料分 ））(1)单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 (Single Crystaline-Si)         单晶硅太阳能电池制造工程由单晶硅太阳能电池制造工程由电池片工程和模板工程组成电池片工程和模板工程组成p电池片工程大致可分为如下电池片工程大致可分为如下三部分：三部分：  从原材料制造单晶硅棒从原材料制造单晶硅棒  将单晶硅棒切断，加工成半圆片将单晶硅棒切断，加工成半圆片状  形成形成pn结、加入电极，制成电池结、加入电极，制成电池片 生产工艺：生产工艺：               导电玻璃导电玻璃              膜切割膜切割               清洗清洗                                                                       检测检测                  镀铝电极镀铝电极          沉积沉积PN结结                老化老化          检测检测        封装封装           成品检测成品检测单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池(2)多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)       在制作多晶硅太阳能电池时，作为在制作多晶硅太阳能电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。

机切成薄片，再加工成电池        多晶硅薄膜是由许多大小不等和具多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的其晶有不同晶面取向的小晶粒构成的其晶粒尺寸一般约在几十至几百粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大级，大颗粒尺寸可达颗粒尺寸可达µm级 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 (3)非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)        非晶硅非晶硅(又称又称 -Si)太阳能电池一般太阳能电池一般是用是用高频辉光放电高频辉光放电等方法使硅烷等方法使硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的非晶硅气体分解沉积而成的非晶硅的禁带宽度为的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷，通过掺硼或掺磷可得到可得到P型型 -Si或或N型型 -Si        非晶硅中由于原子排列缺少结晶非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的非晶硅非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现无整流特性，不能导地位，使其呈现无整流特性，不能制作太阳能电池制作太阳能电池                          三种硅基太阳能电池性能分析三种硅基太阳能电池性能分析 (4)微晶硅微晶硅(μc-Si)太阳能电池太阳能电池       非晶硅对红外区域太阳辐射不非晶硅对红外区域太阳辐射不敏感，本身具有光致衰退效应，稳敏感，本身具有光致衰退效应，稳定性不好，在非晶硅薄膜基础上经定性不好，在非晶硅薄膜基础上经退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电池，稳定性和光转换效率得到提高。

池，稳定性和光转换效率得到提高禁带宽度接近单晶硅，为（禁带宽度接近单晶硅，为1.12eV））微晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池 (1)单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池               单晶化合物太阳能电池主要有砷单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓化镓( GaAs)太阳能电池砷化镓的太阳能电池砷化镓的能隙为能隙为1.4eV，是很理想的电池材料是很理想的电池材料         这是单结电池中效率最高的电这是单结电池中效率最高的电池，多结聚光砷化镓电池的转换效率池，多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过已超过40%所以早期在空间得到了所以早期在空间得到了应用        但是砷化镓电池价格昂贵，而且但是砷化镓电池价格昂贵，而且砷是有毒元素，所以极少在地面应用砷是有毒元素，所以极少在地面应用无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池        多晶化合物太阳能电池的多晶化合物太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉主要有碲化镉(CdTe)太阳能电太阳能电池、铜铟镓硒池、铜铟镓硒( CIGS)太阳能电太阳能电池等。

池等        无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池                碲化镉太阳能电池：碲化镉太阳能电池：PVD（物理气相沉积）工艺、溅射工（物理气相沉积）工艺、溅射工艺艺无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池         铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳）太阳能电池是近年发展起来的新型能电池是近年发展起来的新型太阳能电池，通过磁控溅射、太阳能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等属预置层后硒化法等        基底一般用玻璃，也可以基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔性村底用不锈钢作为柔性村底 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池1. 有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池              以以酞菁、卟啉、苝、叶酞菁、卟啉、苝、叶绿素绿素等为基体材料的太阳能等为基体材料的太阳能电池如有机电池。

如有机PN结太阳能电结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池池，有机肖特基太阳能电池等 如聚乙烯太阳能电池、如聚乙烯太阳能电池、共轭聚合物共轭聚合物/C60复合体系太复合体系太阳能电池等阳能电池等 有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池2009年年4月月26日日《《nature photonics》》上的高效单结电池上的高效单结电池2. 敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池               以以TiO2、、ZnO、、SnO2等宽禁带的氧化物型的纳等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极，使用米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽染料敏化、无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池法制成的太阳能电池有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池基本原理：基本原理：        染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的子快速注入到紧邻的TiO2 导带，染料中失去的电子则很快从电导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入解质中得到补偿，进入 TiO2 导带中的电于最终进入导电膜导带中的电于最终进入导电膜 , 然然后通过外回路产生光电流。

后通过外回路产生光电流敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池各类太能能性能比较各类太能能性能比较各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较种类种类材料材料 单电池单电池效率效率模块效率模块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点多元化合物多元化合物薄膜太阳能薄膜太阳能电池电池砷化镓砷化镓 19~    32%23~30%MOVPE和和LPPE技术技术效率较高效率较高成本较单成本较单晶硅低晶硅低易于规模易于规模生产生产原材料镉原材料镉有剧毒有剧毒碲化镉碲化镉 10~15%7~10%铜铟硒铜铟硒 10~12%8~10%真空蒸镀真空蒸镀法和硒化法和硒化法法价格低廉价格低廉性能良好性能良好工艺简单工艺简单原材料来原材料来源比较有源比较有限限纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池8~11%5~8%溶胶凝胶溶胶凝胶法法水热反应水热反应溅射法溅射法成本低廉成本低廉工艺简单工艺简单性能稳定性能稳定 聚合物多层修饰电极型太阳聚合物多层修饰电极型太阳能电池能电池 3~5% 处于研发处于研发当中当中易制作易制作材料广泛材料广泛成本低成本低寿命短寿命短各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较建筑设施航天航空交通设施家电方面太阳能车通信方面领域太阳能电池应用太阳能电池应用 太阳能电池的应用太阳能电池的应用（（10KW光伏发电组）光伏发电组）建建筑筑设设施施太阳能屋顶发电装置太阳能屋顶发电装置太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能与民用建筑的结合太阳能与民用建筑的结合太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能服饰太阳能服饰太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能与风能发电系统太阳能与风能发电系统太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能自行车太阳能自行车太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电车太阳能电车太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电车太阳能电车太阳能车站太阳能车站太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能飞机太阳能飞机太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能飞机太阳能飞机太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能发电厂太阳能发电厂太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能在偏远地区的运用太阳能在偏远地区的运用太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能在沙漠地区的运用太阳能在沙漠地区的运用太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电池的应用交通设施交通设施Ø交通交通/ /铁路信号灯铁路信号灯Ø交通警示交通警示/ /标志灯标志灯Ø高空障碍灯高空障碍灯太阳能电池的应用太阳能电池的应用通信方面通信方面Ø光缆维护站光缆维护站Ø小型通信机小型通信机Ø信号发射塔信号发射塔太阳能电池的应用太阳能电池的应用航空航天航空航天Ø卫星供电电池卫星供电电池Ø航天飞机供电航天飞机供电Ø探测器电池探测器电池太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电池的应用家电方面家电方面Ø手提灯手提灯Ø节能灯节能灯Ø充电器充电器太阳能电池的应用太阳能电池的应用目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录太阳能电池的展望太阳能电池的展望The endThank you。