薄膜太阳能电池.pptx
引言引言素质养成：素质养成：礼貌、时间管理 硅基薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池的发薄膜太阳能电池的发展历程及现状展历程及现状导读导读多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池第1页/共36页引言引言 光子、电子和声子都是能量的载体。太阳电池作光子、电子和声子都是能量的载体。太阳电池作为光电能量转换器件，主要研究光子和电子之间的相为光电能量转换器件，主要研究光子和电子之间的相互作用，以及声子对过程的参与。这种相互作用一般互作用，以及声子对过程的参与。这种相互作用一般主要发生在太阳电池材料表面数微米的范围内，这就主要发生在太阳电池材料表面数微米的范围内，这就为制造为制造薄膜太阳电池提供了物理基础。薄膜太阳电池提供了物理基础。由于太阳光具有弥散性，为了获得数百瓦的电功由于太阳光具有弥散性，为了获得数百瓦的电功率，往往需要数平方米的太阳电池器件。为了降低成率，往往需要数平方米的太阳电池器件。为了降低成本，有必要发展大面积薄膜本，有必要发展大面积薄膜(微米量级微米量级)太阳电池。太阳电池。大面积薄膜太阳电池半导体材料，一般是在低温大面积薄膜太阳电池半导体材料，一般是在低温下沉积在廉价的异质衬底上的，如玻璃、不锈钢带、下沉积在廉价的异质衬底上的，如玻璃、不锈钢带、第2页/共36页 塑料薄膜等都是常用的薄膜太阳电池衬底材料。薄膜太阳电池固有的优势是用料省、工艺温度低、工艺过程相对简单，从而成本低。但是，这样制备的薄膜材料具有多晶、微晶、纳米晶或非晶态结构，具有较低的迁移率和少子寿命。所以，这种薄膜材料是不适合用以制备高速度、高密度的微电子器件的。而对于大面积太阳电池而言，由于它对光电转换的速度没有高的要求，器件结构又相对简单，仅由一个或数个“巨型”pn结构成，薄膜材料是可以胜任的。经过多年的努力，已经在几种薄膜太阳电池上取得了较大的进展。这主要包括硅基薄膜电池、铜锢嫁硒薄膜电池、蹄化锅薄膜电池和染料敏化电池。引言引言第3页/共36页太阳能电池的基本原理基础原理：半导体P-N结的光生伏打效应第4页/共36页P-N结结当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结第5页/共36页p-n结“光生载流子”的产生光子把电子从价带（束缚）激发到导带光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个（自由），并在价带内留下一个/空穴空穴（自由）产生了自由电子空穴对（自由）产生了自由电子空穴对“光生电压”的产生自由电子和空穴扩散进入自由电子和空穴扩散进入p-np-n结，结，n-pn-p结作用下，分别在结作用下，分别在n n区和区和p p区形成电子区形成电子和空穴的积累和空穴的积累太阳电池第6页/共36页 原理原理第7页/共36页“光生电流”的产生得到电能第8页/共36页一、宴请组织礼仪 单晶硅太阳电池 晶体硅太阳电池 多晶硅太阳电池(Crystal Silicon Solar Cell)带状硅太阳电池 按基体材料分类Based on Materials 非晶硅太阳电微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池 硅薄膜太阳电池 Silicon Thin Film硒光电池 硫化镉太阳电池硒铟铜太阳电池碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池 染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar cell)有机薄膜太阳电池(Organic Solar Cell)化合物太阳电池Compound Solar cell第9页/共36页电池光电化学电池其他新概念电池（第三代电池？）染料敏化电池（如有机电池等）多结电池（太阳光谱多级利用）光子的分离（下转换）和合并（上转换）中间带或杂质带电池1156323结概念证明阶段电池晶硅电池薄膜电池（第二代电池？）太阳级硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(带硅)多晶a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层单晶多晶2518-192216-181713-1613155.5-9.51516.81019.88-104232.2产业化产业化部分产业化实验室产业化产业化聚光示范第10页/共36页 硅基薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池第11页/共36页硅基薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池l研究历史研究历史l发展现状发展现状l结构及原理结构及原理第12页/共36页 硅基薄膜材料是包括硅与其他元素构成合金的各种晶态(如纳米晶、微晶、多晶)和非晶态薄膜的统称。硅基薄膜材料作为一种极具潜力的光电能量转换材料的研究历史，可追溯到：20世纪60年代末，英国标准通讯实验室用辉光放电法制取了氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜，发现有一定的掺杂效应。1975年，等在a-Si:H材料中实现了替位式掺杂，做出了pn结。发现氢有饱和硅悬键的作用，a-Si:H材料具有较低的缺陷态密度(约1016cm-3和优越的光敏性能。研究历史第13页/共36页研究历史 1976年，美国RCA的D.E.Carlson等研制出了p-i-n结构非晶硅太阳电池，光电能量转换效率达到2.4%，在国际上掀起了研究非晶硅材料和器件的热潮。1980年，Carlson将非晶硅电池效率提高到8%，具有产业化标志意义。随后日本三洋公司的Kowano，推动了非晶硅电池在消费产品的批量生产。而在此之前用蒸发或溅射技术制备的不含氢的非晶硅薄膜，其缺陷态密度高达约1019cm-3以上，没有什么器件应用价值第14页/共36页发展现状第15页/共36页一、宴请组织礼仪第16页/共36页硅基太阳能电池的分类第17页/共36页弄了个单结硅基薄膜太阳能电池的结构与原理在常规的单晶与多晶太阳能电池中，通常用pn结结构。查邓闯有无电子稿第18页/共36页薄膜电池原理图薄膜电池原理图第19页/共36页多结硅基薄膜太阳能电池的结构及原理第20页/共36页多结硅基薄膜太阳能电池的结构及原理邓闯图第21页/共36页 化合物薄膜太阳能电池第22页/共36页一、宴请组织礼仪多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓III-V化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是砷化镓材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。第23页/共36页铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退效应的问题，转换效率和多晶硅一样 。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。一、宴请组织礼仪第24页/共36页多元化合物薄膜太阳能电池第25页/共36页铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构铜锢钵硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池，其典型结构为多层膜结构(图1，包括金属栅电极AI/窗口层n-Zn0/异质结n型层i-Zn0/缓冲层或过渡层CdS/光吸收层CIUS/背电极Mo/玻璃衬底等。第26页/共36页第27页/共36页三、赴宴的礼仪MOMo电极CIGS吸收层AZO层转移第28页/共36页层转移第29页/共36页影响CIGS光伏特性的因素太阳能电池的转换效率受反射损失、光损失、能量损失、电压因子和复合所造成的损失等因素的影响。本征缺陷、杂质、错配以及第二相等的存在均影响CIGS材料的性能。荧光光谱测试表明CIGS材料中存在本征缺陷时，可能产生较低能级，增加非直接复合几率。提高材料制备时的生长温度，有利于点缺陷向晶粒表面或晶界扩散，从而减小晶粒内部的缺陷密度。第31页/共36页铜铟镓硒薄膜太阳电池制备工艺铜铟镓硒薄膜太阳电池是在玻璃或其它廉价材料上沉积多层薄膜，薄膜总厚度仅为34微米。该电池成本低，约为晶体硅太阳电池的1213左右；性能稳定，没有衰退现象抗辐射能力强，适合于空间使用；弱光特性好，在阴雨天也有较高的输出功率：光电转换效率是所有薄膜电池中最高的。其具体制备工艺流程见下图1。第32页/共36页第33页/共36页CIGS薄膜的制备方法薄膜的制备方法目前制备CIS的方法很多，但主要有两种思路：一是直接蒸发Cu、In、Se3种独立元素，使其气体化合制得CIS；二是硒化铜铟合金，对该合金直接加元素Se或在H Se气氛中加Se。工艺方法主要有蒸镀法、磁控溅射、分子束外延技术、喷雾热解及快速凝固技术等。第34页/共36页CIGS薄膜的制备方法薄膜的制备方法具体方法蒸度法蒸度法分子束外延法分子束外延法电沉积法电沉积法溅射法溅射法喷涂热解法喷涂热解法第35页/共36页感谢您的观看。第36页/共36页
