光伏电池的分类.ppt

第三章第三章光伏电池的分类光伏电池的分类n一、一、太阳能电池的种类太阳能电池的种类n二、硅太阳能电池二、硅太阳能电池n三、化合物半导体三、化合物半导体n四、四、有机太阳能电池有机太阳能电池n五、五、光化学光化学太阳能电池太阳能电池一一.太阳能电池的种类太阳能电池的种类n无机无机太阳能电池太阳能电池n半导体硅半导体硅(单晶、多晶、非晶、单晶、多晶、非晶、微晶微晶、复合型等）、复合型等）n化合物半导体（化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）等）n有机有机太阳能电池太阳能电池n有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）n光化学光化学太阳能电池太阳能电池（纳米（纳米TiOTiO2 2等）等）有时也归类于有时也归类于有机太阳能电池有机太阳能电池A.A.按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：.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电电池种池种类类转换转换效率效率研研发单发单位位备备注注单单晶硅晶硅电电池池24.7澳大利澳大利亚亚新南威新南威尔尔士大士大学学4cm2面面积积背接触聚光背接触聚光单单晶硅晶硅电电池池26.8美国美国Sunpower公司公司96倍聚光倍聚光GaAs多多结电结电池池40.7德国斯派克德国斯派克 Lab333倍聚光倍聚光多晶硅多晶硅电电池池20.3德国弗朗霍夫研究所德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面面积积InGaP/GaAs30.28日本能源公司日本能源公司4cm2面面积积非晶硅非晶硅电电池池12.8美国美国USSC公司公司0.27cm2面面积积CIGS电电池池19.9美国可再生能源美国可再生能源实验实验室室0.41cm2面面积积CdTe电电池池16.5美国可再生能源美国可再生能源实验实验室室1.032cm2面面积积多晶硅薄膜多晶硅薄膜电电池池16.6德国斯德国斯图图加特大学加特大学4.017cm2面面积积纳纳米硅米硅电电池池10.1日本日本钟钟渊公司渊公司2 m膜（玻璃膜（玻璃衬衬底）底）染料敏化太阳能染料敏化太阳能电电池池11.0瑞士洛桑瑞士洛桑联联邦理工学院邦理工学院 0.25cm2面面积积无机太阳能电池的种类无机太阳能电池的种类二、硅太阳能电池（按基体材料分二、硅太阳能电池（按基体材料分）(1)单晶硅单晶硅(Single Crystaline-Si)太阳能电池太阳能电池n电池片制造过程大致可分为如下三部分：电池片制造过程大致可分为如下三部分：1.从原材料制造单晶硅棒。从原材料制造单晶硅棒。2.将单晶硅棒切断，加工成将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。半圆片状。3.3.形成形成pnpn结、加入电极，制结、加入电极，制成电池片。成电池片。上电极上电极下电极或背电极下电极或背电极单晶硅太阳能电池的结构示意图单晶硅太阳能电池的结构示意图n硅光伏电池一般分为硅光伏电池一般分为P P+/N/N和和N N+/P/P 两种结构。其中两种结构。其中带带+的第一位符号的第一位符号表示表示电池表面光照层电池表面光照层。单晶硅太阳能电池的结构单晶硅太阳能电池的结构上电极为指形电极上电极为指形电极(2)多晶硅多晶硅(Polycrystaline-Si)太阳能电池太阳能电池n制备多晶硅材料有许多方法，其中最常用的就制备多晶硅材料有许多方法，其中最常用的就是浇铸法。它是把硅的溶液是浇铸法。它是把硅的溶液直接浇铸在坩埚模直接浇铸在坩埚模具中具中并缓慢冷却固化成并缓慢冷却固化成多晶硅锭多晶硅锭的方法。的方法。The most popular method for making Commercial semicrystalline siliconis casting,in which molten silicon is poured directly into a mold and allowed to solidify into an ingot.多晶硅多晶硅(Polycrystaline-Si)太阳能电池制作过程太阳能电池制作过程浇铸生成的正方形的硅锭，然后浇铸生成的正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成使用切割机切成薄片，再加工成电池。电池。多晶硅薄膜是由许多大小不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等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。构成的。其晶粒尺寸一般约在几其晶粒尺寸一般约在几十至几百十至几百nm级，大颗粒尺寸可级，大颗粒尺寸可达达m级。级。单晶硅和多晶硅电池片的比较单晶硅和多晶硅电池片的比较单晶硅电池单晶硅电池 多晶硅电池多晶硅电池在整个晶体内，原子都是周在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为期性的规则排列，称之为单单晶（晶（singlesingle crystalcrystal ）。）。由许多取向不同的单晶颗粒杂由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为乱地排列在一起的固体称为多多晶晶（polycrystalpolycrystal）。）。(3)(3)非晶硅非晶硅(Amorphous-Si)(Amorphous-Si)薄膜薄膜太阳能电池太阳能电池非晶硅非晶硅(又称又称-Si)太阳能电池一般是用太阳能电池一般是用高频辉光放高频辉光放电等方法使硅烷电等方法使硅烷(SiH4)气体气体分解分解 沉积沉积而成的。非晶而成的。非晶硅的禁带宽度为硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到，通过掺硼或掺磷可得到P型型-Si或或N型型-Si。薄膜电池中，具有代表性的材料薄膜电池中，具有代表性的材料是是氢化非晶硅（氢化非晶硅（-Si:H),-Si:H),氢化非氢化非晶硅中化合氢的含量大约晶硅中化合氢的含量大约10%10%左右，左右，这些氢原子会对这些氢原子会对空键（空键（danglingdanglingbond)bond)缺陷进行补偿缺陷进行补偿,使得该种电使得该种电池的应用成为可能。池的应用成为可能。由于由于a-Si(非晶硅非晶硅)多缺陷的特点，多缺陷的特点，a-Si的的p-n结是不稳定的结是不稳定的，而且光照，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，电荷收集。所以，a-Si太阳能电池太阳能电池基本结构不是基本结构不是p-n结而是结而是p-i-n结。结。非晶硅太阳能电池的非晶硅太阳能电池的p-i-n结结P P型非晶硅型非晶硅本征层本征层光生载流子主要在这一层产生光生载流子主要在这一层产生n n型非晶硅型非晶硅目前制备目前制备背电极通常采用掺铝背电极通常采用掺铝ZnO(A1),ZnO(A1),简称简称AZOAZO背电极和背电极和Al/AgAl/Ag电极电极绒面绒面的的TCOTCO （透明导电膜）透明导电膜）普通玻璃普通玻璃na-Sia-Si太阳能电池基本太阳能电池基本结构是结构是p-i-np-i-n结。结。n 掺硼形成掺硼形成P P区，掺磷区，掺磷形成形成n n区，区，i i为非杂质为非杂质或轻掺杂的本征层或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的因为非掺杂的a-Sia-Si是弱是弱n n型型)。n重掺杂的重掺杂的p p、n n区在电区在电池内部形成内建势，池内部形成内建势，以收集电荷。太阳光以收集电荷。太阳光照通过电线产生电流。照通过电线产生电流。非晶硅太阳能电池发电原理非晶硅太阳能电池发电原理P-I-N结工作原理结工作原理PINE20092009年，年，SunFab“systemSunFab“system公司制备出的大型薄膜太阳能电池公司制备出的大型薄膜太阳能电池玻璃基板玻璃基板由于非晶硅没有晶体所由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因间的晶格失配问题。因而而它几乎可以淀积在任它几乎可以淀积在任何衬底上何衬底上，包括廉价的，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实玻璃衬底，并且易于实现大面积化。现大面积化。图图2非晶硅柔性太阳能电池非晶硅柔性太阳能电池n非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池具备以往产品没有的“轻”、“薄”、“可弯曲”等特点，其优点为基板采用塑料薄膜基板采用塑料薄膜，其重量仅相当于以往玻璃基板的十分之一n与建筑相配合与建筑相配合,建造太阳能房建造太阳能房n非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉紫外线被滤掉)能挡风雨能挡风雨;n美国，欧洲和日本的美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产太阳能电池厂家已生产这种这种非晶硅瓦非晶硅瓦。为了获得具有高效率、高稳为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳能电池，定性的硅基薄膜太阳能电池，近年来又出现了近年来又出现了微晶薄膜硅微晶薄膜硅电池电池，微晶硅可以在接近室微晶硅可以在接近室温的低温下制备，特别是使温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可用大量氢气稀释的硅烷，可以生成以生成晶粒尺寸晶粒尺寸10nm的微的微晶硅薄膜晶硅薄膜，薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在23m。(4)微晶硅微晶硅(c-Si)太阳能电池太阳能电池硅基薄膜电池的发展硅基薄膜电池的发展三三.化合物半导体化合物半导体(1)单晶单晶 化合物化合物 太阳能电池太阳能电池 单晶化合物太阳能电池主要有单晶化合物太阳能电池主要有砷砷化镓化镓(GaAs)太阳能电池太阳能电池。砷化镓的能。砷化镓的能隙为隙为1.4eV，是很理想的电池材料。，是很理想的电池材料。它是单结电池中效率最高的电池，多它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已超过结聚光砷化镓电池的转换效率已超过40%。所以早期在空间得到了应用。所以早期在空间得到了应用。但是但是砷化镓电池价格昂贵砷化镓电池价格昂贵，而且而且砷砷是有毒元素是有毒元素，所以极少在地面应用。所以极少在地面应用。-族族 GaAs GaAs 光伏电池光伏电池nGa 是族元素，As As 是是族元素。族元素。GaAs GaAs的最常用的最常用的的施主元素是施主元素是族元素族元素如如S,S,它替代它替代AsAs；受主是受主是族元素如族元素如Te,Te,它替代它替代GaGa。n所以，所以，GaAs GaAs 光伏电池也光伏电池也可以形成可以形成pnpn结，工作原结，工作原理与硅光伏电池相同。理与硅光伏电池相同。GaAs结构示意图结构示意图(2)多晶多晶化合物化合物太阳能电池太阳能电池多晶多晶 化合物化合物 太阳能电池的类型很多，目前太阳能电池的类型很多，目前已实际应已实际应用用的主要有的主要有碲化镉碲化镉(CdTe)(CdTe)太阳能电池太阳能电池、铜铟镓硒铜铟镓硒(CIGS)CIGS)太阳能电池太阳能电池等。等。CIGSCIGS薄膜太阳能光伏电池结构示意图薄膜太阳能光伏电池结构示意图碲化镉太阳能电池形成薄膜的技术碲化镉太阳能电池形成薄膜的技术：PVDPVD（物理气相沉积）工艺（物理气相沉积）工艺溅射工艺溅射工艺PVDPVD的物理原理的物理原理块状材料块状材料(靶材靶材)薄膜薄膜物质输运物质输运能量输运能量输运能量衬底衬底以气态方式进行以气态方式进行气态气态 铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳能）太阳能电池电池是近年发展起来的新型太是近年发展起来的新型太阳能电池，通过阳能电池，通过磁控溅射、真磁控溅射、真空蒸发空蒸发等方法，等方法，在基底上沉积在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法薄膜制作方法主要有主要有多元分步蒸发法多元分步蒸发法和和金属金属预置层后硒化法预置层后硒化法等。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。铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池）太阳能电池无机太阳能电池的性能及应用无机太阳能电池的性能及应用Masafumi Yamaguchi,Tatsuya Takamoto,Kenji Araki，et al.Solar energy,2005.新能源材料雷永泉，万群，石永康，天津大学出版社，新能源材料雷永泉，万群，石永康，天津大学出版社，2000.单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为58美分美分/（kWh）M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338四四.有机太阳能电池有机太阳能电池n略去五、光化学太阳能电池的结构及工作原理五、光化学太阳能电池的结构及工作原理染料敏化纳米薄膜太阳电池染料敏化纳米薄膜太阳电池为什么电子不通为什么电子不通过溶液直接到对过溶液直接到对电极？电极？色素敏化色素敏化光化学光化学太阳能电池（太阳能电池（DSSCsDSSCs）电池结构电池结构 阳极阳极：染料敏化半导体薄膜染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料染料阴极：阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃电解质电解质：I3-/I-Dye-sensitizedsolarcells染料敏化纳米晶结构它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量，使染料分子中的电它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量，使染料分子中的电子发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生电流子发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生电流n工作原理简述工作原理分析工作原理分析(1)Dye+h Dye*(2)Dye*Dye+e-(TiO2)(3)e-(TiO2)BC负极Dye+e-(TiO2)Dye*2 Dye+3I-I3-+Dye I3-+2 e-(TiO2)3I-I3-+2 e-(CE)3I-光敏燃料光敏燃料工作原理分析工作原理分析(1)Dye+h Dye*(2)Dye*Dye+e-(TiO2)(3)e-(TiO2)BC（BackContact)负极光敏燃料光敏燃料处于处于激发态的燃料激发态的燃料将电子注入将电子注入(Injection)到半导到半导体的导带中，自身转化为体的导带中，自身转化为燃料氧化态燃料氧化态（Dye*）工作原理分析工作原理分析负极光敏燃料光敏燃料2 Dye+3I-I3-+Dye I-离子还原氧化态燃料可以使燃料再生，从而使燃料不断将电子注入的到离子还原氧化态燃料可以使燃料再生，从而使燃料不断将电子注入的到TiO2的导带中。的导带中。I-离子还原氧化态燃料的速率常数越大，离子还原氧化态燃料的速率常数越大，电子回传电子回传被抑制被抑制的程度越大，这相当于的程度越大，这相当于I-离子对电子回传进行了离子对电子回传进行了拦截（拦截（Interception）Dye+e-(TiO2)DyeBach U,Lupo D,Comte P,et al.Nat ure,1998,395:583 ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,7377401991年，瑞士Grtzel M.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在的光电转化效率已能稳定在10以上以上，寿命能达 1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。研究进展研究进展5.5.太阳能电池的发展进程太阳能电池的发展进程1.1.第一代光伏电池第一代光伏电池基于基于silicon wafers（硅晶），采用单晶硅和多晶硅及（硅晶），采用单晶硅和多晶硅及GaAs材材料制成。料制成。2004年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的86%。优缺点：优缺点：工艺成熟，具有较高的转换效率；但成本较高，硅晶体的尺寸不能满足大面积的要求。目前，圆形单晶硅片的主流产品是200mm(8英寸），逐渐向300mm过渡，研制水平达到400 450 mm。由于制作晶体硅光伏电池的硅材料占总成本的45%以上，生产成本太高，而且制作全过程中还需消耗大量的能源。2.2.第二代光伏电池第二代光伏电池-是基于薄膜技术的一种光伏电池。电池是基于薄膜技术的一种光伏电池。电池在薄膜中，很薄的光电材料被铺在衬底上。厚度在薄膜中，很薄的光电材料被铺在衬底上。厚度为晶体硅光伏电池的为晶体硅光伏电池的1/100到到1/10。构成薄膜的材料有很多种，主要包括多多晶晶硅硅，非非晶晶硅硅（-Si amorphous silicon),硫化镉(cadmium sulphide)，铜铜铟铟硒硒(copper indium diselenide)，碲碲 化化 镉镉(c a d m i u m T e l l u r i d e)。第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低，只有转换效率更低，只有6-10%6-10%。薄膜电池的优势薄膜电池的优势n虽然目前晶硅电池占主流目前晶硅电池占主流，薄膜电池也还存在种种薄膜电池也还存在种种问题需要解决问题需要解决，但是薄膜电池有其独特的优势使得，但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔发展前景广阔：（1）转换效率和生产成本改善空转换效率和生产成本改善空间巨大间巨大；（；（2）生产工序相对简单、生产能耗少；）生产工序相对简单、生产能耗少；（3）应用范围广泛）应用范围广泛。n美国的薄膜产商FirstSolar发展非常迅速，后来者居上，已成为世界第一大太阳能电池企业；根据NanoMarkets预测，09-15年薄膜电池产量还将有16倍的增长空间，复合增速高达58%；而按照国内目前各厂商的扩产计划，国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动TCO玻璃玻璃需求高增长。http:/2010年07月06日08:21生意社新型非晶硅薄膜电池新型非晶硅薄膜电池等离子体增强等离子体增强化学气相沉积化学气相沉积因为透明的因为透明的TCO层不吸收可见光层不吸收可见光把连续的把连续的膜层分成膜层分成单个电池单个电池非晶硅层非晶硅层制作连接有效层的背电极（Al/Ag的电极）处理非3.第三代光伏电池第三代光伏电池第三代光伏发电技术就是使用第三代光伏发电技术就是使用“太阳能炼硅太阳能炼硅+跟踪跟踪+聚光聚光+高效聚光硅电池高效聚光硅电池”技术发电技术发电无无论第一代技术还是第二代技术，都存在论第一代技术还是第二代技术，都存在高耗能、高污染的问题高耗能、高污染的问题从图从图1 1所给出的三所给出的三代太阳能电池的代太阳能电池的成本和转换效率成本和转换效率区间图可以看出，区间图可以看出，第三代太阳能电第三代太阳能电池转换效率最高池转换效率最高可以接近可以接近60%60%，而，而成本只在成本只在1010美分美分/瓦到瓦到5050美分美分/瓦之瓦之间，相当于目前间，相当于目前主流技术的主流技术的1/301/30到到1/61/6。