太阳能电池材料.pptx

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1、Outline背景及发展历程1基本原理2电池分类4发展前景5电池应用3第1页/共55页其其煤石油天然气其他中国石油煤天然气其他世界中国和世界的能源结构中国和世界的能源结构太阳能电池发展背景 第2页/共55页 能源枯竭石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染每年排放的二氧化碳达210万吨，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 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。中华人民共和国国家发展和改革委员会中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书中华人民共和国国家发展和改革委员会中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书 CxHy+O2 H2O+CO

2、2+SO2+NOx 太阳能电池发展背景 第3页/共55页资源丰富资源丰富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 洁净能源与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染使用方便同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太阳能的优点太阳能的优点第4页/共55页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“光伏效应光伏效应”。p1930年年肖特基提出肖特基提出Cu2O势垒的势垒的“光伏效应光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用理论。同年，朗

3、格首次提出用“光伏光伏效应效应”制造制造“太阳电池太阳电池”，使太阳能变成电能。，使太阳能变成电能。p1941年年奥尔在硅上发现光伏效应。奥尔在硅上发现光伏效应。p1954年年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率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，效率为为6%。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，制成了第一块薄膜太阳能电池。成了第一块薄膜太阳能电池。太阳能电池发展历史第5页/共55页1958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

4、首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。号卫星电源。1959年年第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。1975年年非晶硅太阳能电池问世。非晶硅太阳能电池问世。1980年年单晶硅太阳能电池效率达单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池达，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达，硫化镉电池达9.15%。1998年年单晶硅光伏电池效率达单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶荷兰百万个太阳光伏屋顶计划计划”，到，到2020年完成。年完成。太阳能电池发展历史第6页/共55页太阳能电池是由电性

5、质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，一边是p区,一边是n区，在两个相互接触的界面附近形成一个结叫p-n结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。太阳能电池基本原理第7页/共55页 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宽度，在所吸收得能量大于禁带宽度，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，空穴向结内建电场作用下，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。区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。若电路闭

6、合，形成电流。太阳能电池基本原理第8页/共55页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第9页/共55页太阳能电池的应用（10KW光伏发电组）第10页/共55页建筑设施第11页/共55页太阳能屋顶发电装置太阳能电池的应用第12页/共55页太阳能与民用建筑的结合太阳能电池的应用第13页/共55页太阳能服饰太阳能电池的应用第14页/共55页太阳能与风能发电系统太阳能电池的应用第15页/共55页太阳能自行车太阳能电池的应用第16页/共55页太阳能电车太阳能电池的应用第17页/共55页太阳能电车第18页/共55页太阳能车站太阳能电池的应用第19页/共55页太阳能飞机太阳能电池

7、的应用第20页/共55页太阳能飞机太阳能电池的应用第21页/共55页太阳能发电厂太阳能电池的应用第22页/共55页太阳能在偏远地区的运用太阳能电池的应用第23页/共55页太阳能在沙漠地区的运用太阳能电池的应用第24页/共55页太阳能电池的应用太阳能电池的应用交通设施交通设施交通交通/铁路信号灯铁路信号灯交通警示交通警示/标志灯标志灯高空障碍灯高空障碍灯太阳能电池的应用第25页/共55页通信方面光缆维护站小型通信机信号发射塔太阳能电池的应用第26页/共55页航空航天卫星供电电池航天飞机供电探测器电池太阳能电池的应用第27页/共55页太阳能电池的应用太阳能电池的应用家电方面手提灯节能灯充电器太阳能

8、电池的应用第28页/共55页太阳能电池硅太阳能电池 单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池 结晶系太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池 太阳能电池的分类（按基体材料分）第29页/共55页目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录电池种类电池种类转换效率转换效率研发单位研发单位备注备注单晶硅电池单晶硅电池24.7澳大利亚新南威尔士大学澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积面积背接触聚光单晶硅电池背接触聚光单晶硅电池26.8美国美国Sunpower公司公司96倍聚光倍聚光GaAs多结电池多结电池40.7德国斯派克德国斯派克Lab3

9、33倍聚光倍聚光多晶硅电池多晶硅电池20.3德国弗朗霍夫研究所德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积面积InGaP/GaAs30.28日本能源公司日本能源公司4cm2面积面积非晶硅电池非晶硅电池12.8美国美国USSC公司公司0.27cm2面积面积CIGS电池电池19.9美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室0.41cm2面积面积CdTe电池电池16.5美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室1.032cm2面积面积多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池16.6德国斯图加特大学德国斯图加特大学4.017cm2面积面积纳米硅电池纳米硅电池10.1日本钟渊公司日本钟渊公司2 m膜（玻璃衬底）膜（玻璃衬底）

10、染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池11.0瑞士洛桑联邦理工学院瑞士洛桑联邦理工学院0.25cm2面积面积第30页/共55页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p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p基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化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。物等为材料。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

11、阳能电池。p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。太阳能电池的分类第31页/共55页A纳米晶体TiO_2多孔膜的制备、性能及其在太阳能电池中的应用BGraetzel型光电化学太阳能电池(PEC)研究进展C染料敏化TiO_2纳晶太阳能电池研究进展太阳能电池的分类第32页/共55页硅太阳能电池（按基体材料分）p单晶硅太阳能电池(SingleCrystaline-Si)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。p电池片工程大致可分为如下三部分：从原材料制造单晶硅棒。将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。形成pn结、加入电极，制成电池片。第33页/

12、共55页 生产工艺：生产工艺：导电玻璃膜切割清洗检测镀铝电极沉积PN结老化检测封装成品检测单晶硅太阳能电池第34页/共55页(2)多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)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。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。其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级。多晶硅太阳能电池第35页/共55页(3)非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)非晶硅(又称-Si)太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的

13、。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到P型-Si或N型-Si。非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现无整流特性，不能制作太阳能电池。非晶硅太阳能电池第36页/共55页非晶硅太阳能电池第37页/共55页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种类种类优势优势劣势劣势转换效率转换效率单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为转化效率最高，技术最为成熟成熟硅消耗量大，成本高，工艺硅消耗量大，成本高，工艺复杂复杂16%-20%16%-20%多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池转化效率较高转化效率较

14、高多晶硅生产工艺复杂，供应多晶硅生产工艺复杂，供应受限制受限制14%-16%14%-16%非晶硅薄膜太阳能非晶硅薄膜太阳能电池电池成本低，可大规模生产成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效转换效率不高，光致衰退效率率9%-13%9%-13%第38页/共55页(4)微晶硅(c-Si)太阳能电池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池，稳定性和光转换效率得到提高。（禁带宽度接近单晶硅，为1.12eV）。微晶硅太阳能电池第39页/共55页(1)单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)太阳能电池

15、。砷化镓的能隙为1.4eV，是很理想的电池材料。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已超过40%。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第40页/共55页(2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池等。无机化合物太阳能电池第41页/共55页(2)多晶化合物太阳能电池碲化镉太阳能电池：PVD（物理气相沉积）工艺、溅射工艺无机化合物太阳能电池第42页/共55页铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池是近年发展起来的新型太阳

16、能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔性村底。(2)多晶化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池第43页/共55页1.有机化合物太阳能电池以酞菁、卟啉、苝、叶绿素等为基体材料的太阳能电池。如有机PN结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池等。如聚乙烯太阳能电池、共轭聚合物/C60复合体系太阳能电池等。有机化合物太阳能电池第44页/共55页有机化合物太阳能电池2009年4月26日naturephotonics上的高效单结电池第45页/共55页2.敏化纳米晶太阳能电池以TiO2、ZnO、Sn

17、O2等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。有机化合物太阳能电池第46页/共55页基本原理：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解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。第47页/共55页敏化纳米晶太阳能电池第48页/共55页各类太能能性能比较各类太能能性能比较第49页/共55页各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较种类材料太阳能单电池效率太阳能电

18、池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅1524%1320%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅1017%1015%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅813%510%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高第50页/共55页各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较种类材料单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓1932%2330%MOVPE和LPPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉1015%710%铜铟硒1012%810%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池811%58%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定聚合物多层修饰电极型太阳能电池35%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短第51页/共55页各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较第52页/共55页太阳能电池的展望太阳能电池的展望第53页/共55页TheendThankyou第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页