太陽能電池材料

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1、太 陽 能 電 池 材 料于 剛材 料 概 論 專 題 內(nèi) 容 Outline背 景 及 發(fā) 展 歷 程1 基 本 原 理2 電 池 分 類4 發(fā) 展 前 景5 電 池 應 用3 其 6%2%17%75% 其煤 石 油 天 然 氣其 他中 國 10%24%40% 26%石油 煤 天 然 氣其 他 世 界中 國 和 世 界 的 能 源 結 構太 陽 能 電 池 發(fā) 展 背 景 能 源 枯 竭 石 油 ： 42年 ， 天 然 氣 ： 67年 ， 煤 ： 200年 。環(huán) 境 污 染 每 年 排 放 的 二 氧 化 碳 達 210萬 噸 ， 并 呈 上 升 趨 勢 ， 造 成 全 球 氣 候 變 暖

2、； 空 氣 中 大 量 二 氧 化 碳 ， 粉 塵 含 量 己 嚴 重 影 響 人 們 的 身 體 健 康 和 人 類 賴 以 生 存 的 自 然 環(huán) 境 。 中 華 人 民 共 和 國 國 家 發(fā) 展 和 改 革 委 員 會 中 國 新 能 源 與 可 再 生 能 源 發(fā) 展 規(guī) 劃 1999白 皮 書 中 華 人 民 共 和 國 國 家 發(fā) 展 和 改 革 委 員 會 中 國 新 能 源 與 可 再 生 能 源 發(fā) 展 規(guī) 劃 白 皮 書 CxHy + O2 H2O + CO2 + SO2 + NOx 太 陽 能 電 池 發(fā) 展 背 景 資 源 豐 富 40分 鐘 照 射 地 球 輻 射

3、的 能 量 全 球 人 類 一 年 的 能 量 需 求太 陽 能 電 池 發(fā) 展 背 景 潔 凈 能 源與 石 油 、 煤 炭 等 礦 物 燃 料 不 同 ， 不 會 導 致 “ 溫 室 效 應 ” ，也 不 會 造 成 環(huán) 境 污 染 使 用 方 便同 水 能 、 風 能 等 新 能 源 相 比 ， 不 受 地 域 的 限 制 ， 利 用成 本 低 。 太 陽 能 的 優(yōu) 點 p1893年 法 國 科 學 家 貝 克 勒 爾 發(fā) 現(xiàn) “ 光 生 伏 特 效 應 ” ， 即 “ 光伏 效 應 ” 。p1930年 肖 特 基 提 出 Cu2O勢 壘 的 “ 光 伏 效 應 ” 理 論 。 同 年

4、 ，朗 格 首 次 提 出 用 “ 光 伏 效 應 ” 制 造 “ 太 陽 電 池 ” ， 使 太 陽 能 變成 電 能 。 p1941年 奧 爾 在 硅 上 發(fā) 現(xiàn) 光 伏 效 應 。 p1954年 恰 賓 和 皮 爾 松 在 美 國 貝 爾 實 驗 室 ， 首 次 制 成 了 實 用 的單 晶 太 陽 能 電 池 ， 效 率 為 6%。 同 年 ， 韋 克 爾 首 次 發(fā) 現(xiàn) 了 砷 化鎵 有 光 伏 效 應 ， 并 在 玻 璃 上 沉 積 硫 化 鎘 薄 膜 ， 制 成 了 第 一 塊 薄膜 太 陽 能 電 池 。 太 陽 能 電 池 發(fā) 展 歷 史 1958年 太 陽 能 電 池 首

5、次 在 空 間 應 用 ， 裝 備 美 國 先 鋒 1號 衛(wèi)星 電 源 。 1959年 第 一 個 多 晶 硅 太 陽 能 電 池 問 世 ， 效 率 達 5%。 1975年 非 晶 硅 太 陽 能 電 池 問 世 。 1980年 單 晶 硅 太 陽 能 電 池 效 率 達 20%， 砷 化 鎵 電 池 達22.5%， 多 晶 硅 電 池 達 14.5%， 硫 化 鎘 電 池 達 9.15%。 1998年 單 晶 硅 光 伏 電 池 效 率 達 25%。 荷 蘭 政 府 提 出 “ 荷蘭 百 萬 個 太 陽 光 伏 屋 頂 計 劃 ” ， 到 2020年 完 成 。太 陽 能 電 池 發(fā) 展

6、歷 史 太 陽 能 電 池 是 由 電 性 質(zhì) 不同 的 n型 半 導 體 和 p型 半 導體 連 接 合 成 ， 一 邊 是 p區(qū) ,一 邊 是 n 區(qū) ， 在 兩 個 相 互接 觸 的 界 面 附 近 形 成 一 個結 叫 p - n結 ， 結 區(qū) 內(nèi) 形 成內(nèi) 建 電 場 ， 成 為 電 荷 運 動的 勢 壘 。太 陽 能 電 池 基 本 原 理 當 太 陽 光 入 射 到 太 陽 電 池 表 面 上 后 ,所 吸 收 得 能 量 大 于 禁 帶寬 度 ， 在 p-n結 中 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對 ， 在 p-n結 內(nèi) 建 電 場 作 用 下 ，空 穴 向 p區(qū) 移 動 ， 電 子

7、 向 n區(qū) 移 動 ， 從 而 在 p區(qū) 形 成 空 穴 積 累 ， 在n區(qū) 形 成 電 子 積 累 。 若 電 路 閉 合 ， 形 成 電 流 。太 陽 能 電 池 基 本 原 理 建筑設施航天航空交通設施家電方面太陽能車通信方面領域太 陽 能 電 池 應 用 太 陽 能 電 池 的 應 用 （ 10KW光 伏 發(fā) 電 組 ） 建筑設施 太 陽 能 屋 頂 發(fā) 電 裝 置太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 與 民 用 建 筑 的 結 合太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 服 飾太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 與 風 能 發(fā) 電 系 統(tǒng)太 陽 能 電 池 的 應 用

8、 太 陽 能 自 行車太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 電 車太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 電 車 太 陽 能 車 站太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 飛 機太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 飛 機太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 發(fā) 電 廠太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 在 偏 遠 地 區(qū) 的 運 用太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 在 沙 漠 地 區(qū) 的 運 用太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 電 池 的 應 用 交 通 設 施 交 通 /鐵 路 信 號 燈 交 通 警 示 /標 志 燈 高 空 障 礙

9、燈太 陽 能 電 池 的 應 用 通 信 方 面光 纜 維 護 站小 型 通 信 機信 號 發(fā) 射 塔太 陽 能 電 池 的 應 用 航 空 航 天衛(wèi) 星 供 電 電 池航 天 飛 機 供 電探 測 器 電 池太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 電 池 的 應 用家 電 方 面手 提 燈節(jié) 能 燈充 電 器太 陽 能 電 池 的 應 用 太 陽 能 電 池 硅 太 陽 能 電 池 單 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 多 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 非 晶 硅 太 陽 能 電 池 結 晶 系 太 陽 能 電 池 單 晶 硅 太 陽 能 電 池 多 晶 硅 太 陽 能 電 池

10、無 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 有 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 太 陽 能 電 池 的 分 類（ 按 基 體 材 料 分 ） 目 前 各 類 太 陽 能 電 池 的 實 驗 室 轉 換 效 率 的 記 錄電 池 種 類 轉 換 效 率 研 發(fā) 單 位 備 注單 晶 硅 電 池 24.7 澳 大 利 亞 新 南 威 爾 士 大 學 4cm2面 積背 接 觸 聚 光 單 晶 硅 電 池 26.8 美 國 Sunpower公 司 96倍 聚 光GaAs多 結 電 池 40.7 德 國 斯 派 克 Lab 333倍 聚 光多 晶 硅 電 池 20.3 德 國 弗 朗 霍 夫 研 究 所

11、 1.002cm 2面 積InGaP/GaAs 30.28 日 本 能 源 公 司 4cm2面 積非 晶 硅 電 池 12.8 美 國 USSC公 司 0.27cm2面 積CIGS電 池 19.9 美 國 可 再 生 能 源 實 驗 室 0.41cm2面 積CdTe電 池 16.5 美 國 可 再 生 能 源 實 驗 室 1.032cm2面 積多 晶 硅 薄 膜 電 池 16.6 德 國 斯 圖 加 特 大 學 4.017cm2面 積納 米 硅 電 池 10.1 日 本 鐘 淵 公 司 2 m膜 （ 玻 璃 襯 底 ）染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 11.0 瑞 士 洛 桑 聯(lián) 邦 理 工

12、 學 院 0.25cm 2面 積 p第 一 代 ： 單 晶 硅 和 多 晶 硅 兩 種p單 晶 硅 電 池 轉 換 效 率 最 高 ， 但 生 產(chǎn) 成 本 高 。p第 二 代 ： 薄 膜 太 陽 能 電 池p基 于 薄 膜 技 術 基 礎 之 上 ， 主 要 采 用 非 晶 硅 及 氧 化 物 等為 材 料 。 效 率 比 第 一 代 低 ， 但 生 產(chǎn) 成 本 最 低 。p第 三 代 ： 化 合 物 薄 膜 太 陽 能 電 池 （ 銅 銦 硒（ CIS） ） 等 及 薄 膜 Si系 太 陽 能 電 池 。p轉 化 效 率 高 ， 低 成 本 ， 存 在 潛 在 龐 大 的 經(jīng) 濟 效 應 。

13、太 陽 能 電 池 的 分 類 A 納 米 晶 體 TiO_2多 孔 膜 的 制 備 、 性 能 及 其 在 太 陽 能 電 池 中 的 應 用 B Graetzel型 光 電 化 學 太 陽 能 電 池 (PEC)研 究 進 展 C 染 料 敏 化 TiO_2納 晶 太 陽 能 電 池 研 究 進 展 太 陽 能 電 池 的 分 類 硅 太 陽 能 電 池 （ 按 基 體 材 料 分 ）p單 晶 硅 太 陽 能 電 池 (Single Crystaline-Si) 單 晶 硅 太 陽 能 電 池 制 造 工 程 由電 池 片 工 程 和 模 板 工 程 組 成 。p電 池 片 工 程 大 致

14、 可 分 為 如 下三 部 分 ： 從 原 材 料 制 造 單 晶 硅 棒 。 將 單 晶 硅 棒 切 斷 ， 加 工 成 半 圓片 狀 。 形 成 pn結 、 加 入 電 極 ， 制 成 電 池 片 。 生 產(chǎn) 工 藝 ： 導 電 玻 璃 膜 切 割 清 洗 檢 測 鍍 鋁 電 極 沉 積 PN結 老 化 檢 測 封 裝 成 品 檢 測單 晶 硅 太 陽 能 電 池 (2)多 晶 硅 太 陽 能 電 池 (Polycrystaline-Si) 在 制 作 多 晶 硅 太 陽 能 電 池 時 ， 作 為原 料 的 高 純 硅 不 是 拉 成 單 晶 ， 而 是 熔 化后 澆 鑄 成 正 方 形

15、 的 硅 錠 ， 然 后 使 用 切 割機 切 成 薄 片 ， 再 加 工 成 電 池 。 多 晶 硅 薄 膜 是 由 許 多 大 小 不 等 和 具有 不 同 晶 面 取 向 的 小 晶 粒 構 成 的 。 其 晶粒 尺 寸 一 般 約 在 幾 十 至 幾 百 nm級 ， 大顆 粒 尺 寸 可 達 m級 。 多 晶 硅 太 陽 能 電 池 (3)非 晶 硅 太 陽 能 電 池 (Amorphous-Si) 非 晶 硅 (又 稱 -Si)太 陽 能 電 池 一 般是 用 高 頻 輝 光 放 電 等 方 法 使 硅 烷 (SiH 4)氣 體 分 解 沉 積 而 成 的 。 非 晶 硅 的 禁 帶

16、寬 度 為 1.7eV， 通 過 摻 硼 或 摻 磷 可 得 到P型 -Si或 N型 -Si。 非 晶 硅 中 由 于 原 子 排 列 缺 少 結 晶硅 中 的 規(guī) 則 性 ， 缺 陷 多 ， 因 此 單 純 的非 晶 硅 P-N結 中 ， 隧 道 電 流 往 往 占 主導 地 位 ， 使 其 呈 現(xiàn) 無 整 流 特 性 ， 不 能制 作 太 陽 能 電 池 。 非 晶 硅 太 陽 能 電 池 非 晶 硅 太 陽 能 電 池 三 種 硅 基 太 陽 能 電 池 性 能 分 析種 類 優(yōu) 勢 劣 勢 轉 換 效 率單 晶 硅 太 陽 能 電 池 轉 化 效 率 最 高 ， 技 術 最 為成 熟

17、硅 消 耗 量 大 ， 成 本 高 ， 工 藝復 雜 16%-20%多 晶 硅 太 陽 能 電 池 轉 化 效 率 較 高 多 晶 硅 生 產(chǎn) 工 藝 復 雜 ， 供 應受 限 制 14%-16%非 晶 硅 薄 膜 太 陽 能電 池 成 本 低 ， 可 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) 轉 換 效 率 不 高 ， 光 致 衰 退 效率 9%-13% (4)微 晶 硅 (c-Si)太 陽 能 電 池 非 晶 硅 對 紅 外 區(qū) 域 太 陽 輻 射 不敏 感 ， 本 身 具 有 光 致 衰 退 效 應 ， 穩(wěn)定 性 不 好 ， 在 非 晶 硅 薄 膜 基 礎 上 經(jīng)退 火 處 理 得 到 微 晶 硅 薄 膜 太

18、 陽 能 電池 ， 穩(wěn) 定 性 和 光 轉 換 效 率 得 到 提 高 。（ 禁 帶 寬 度 接 近 單 晶 硅 ， 為 1.12eV） 。 微 晶 硅 太 陽 能 電 池 (1)單 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 單 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 主 要 有砷 化 鎵 ( G aAs)太 陽 能 電 池 。 砷 化 鎵的 能 隙 為 1.4eV， 是 很 理 想 的 電 池 材料 。 這 是 單 結 電 池 中 效 率 最 高 的 電池 ， 多 結 聚 光 砷 化 鎵 電 池 的 轉 換 效 率已 超 過 40%。 所 以 早 期 在 空 間 得 到 了應 用 。 但 是 砷 化

19、鎵 電 池 價 格 昂 貴 ， 而 且砷 是 有 毒 元 素 ， 所 以 極 少 在 地 面 應 用 。無 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 (2)多 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 多 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 的類 型 很 多 ， 目 前 已 實 際 應 用 的主 要 有 碲 化 鎘 (CdTe)太 陽 能 電池 、 銅 銦 鎵 硒 ( CIG S)太 陽 能 電池 等 。 無 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 (2)多 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池 碲 化 鎘 太 陽 能 電 池 ： PVD（ 物 理 氣 相 沉 積 ） 工 藝 、 濺 射工 藝 無 機 化 合

20、物 太 陽 能 電 池 銅 銦 鎵 硒 （ CIG S） 太 陽能 電 池 是 近 年 發(fā) 展 起 來 的 新 型太 陽 能 電 池 ， 通 過 磁 控 濺 射 、真 空 蒸 發(fā) 等 方 法 ， 在 基 底 上 沉積 銅 銦 鎵 硒 薄 膜 ， 薄 膜 制 作 方法 主 要 有 多 元 分 步 蒸 發(fā) 法 和 金屬 預 置 層 后 硒 化 法 等 。 基 底 一 般 用 玻 璃 ， 也 可 以用 不 銹 鋼 作 為 柔 性 村 底 。 (2)多 晶 化 合 物 太 陽 能 電 池無 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 1. 有 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 以 酞 菁 、 卟 啉 、 苝

21、 、 葉綠 素 等 為 基 體 材 料 的 太 陽 能電 池 。 如 有 機 PN結 太 陽 能 電池 ， 有 機 肖 特 基 太 陽 能 電 池等 。 如 聚 乙 烯 太 陽 能 電 池 、共 軛 聚 合 物 /C60復 合 體 系 太陽 能 電 池 等 。 有 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 有 機 化 合 物 太 陽 能 電 池2009年 4月 26日 nature photonics上 的 高 效 單 結 電 池 2. 敏 化 納 米 晶 太 陽 能 電 池 以 TiO2、 ZnO、 SnO2等 寬 禁 帶 的 氧 化 物 型 的 納米 級 半 導 體 為 電 極 ， 使 用染 料

22、 敏 化 、 無 機 窄 禁 帶 寬度 半 導 體 敏 化 、 過 渡 金 屬離 子 摻 雜 敏 化 、 有 機 染 料 /無 機 半 導 體 復 合 敏 化 以 及 TiO 2表 面 沉 積 貴 金 屬 等 方 法制 成 的 太 陽 能 電 池 。 有 機 化 合 物 太 陽 能 電 池 基 本 原 理 ： 染 料 分 子 吸 收 太 陽 光 能 躍 遷 到 激 發(fā) 態(tài) ， 激 發(fā) 態(tài) 不 穩(wěn) 定 ， 電子 快 速 注 入 到 緊 鄰 的 TiO2 導 帶 ， 染 料 中 失 去 的 電 子 則 很 快 從 電解 質(zhì) 中 得 到 補 償 ， 進 入 TiO2 導 帶 中 的 電 于 最 終

23、進 入 導 電 膜 , 然后 通 過 外 回 路 產(chǎn) 生 光 電 流 。 敏 化 納 米 晶 太 陽 能 電 池 各 類 太 能 能 性 能 比 較 各 類 太 陽 能 性 能 比 較種 類 材 料 太 陽 能 單電 池 效 率 太 陽 能 電池 模 塊 效率 主 要 制 備 方 法 優(yōu) 點 缺 點硅 系 太 陽 能 電池 單 晶 硅 1524% 1320% 表 面 結 構 化發(fā) 射 區(qū) 鈍 化分 區(qū) 摻 雜 效 率 最 高技 術 成 熟 工 藝 繁 瑣成 本 高多 晶 硅 1017% 1015% 化 學 氣 相 沉 積法液 相 外 延 法濺 射 沉 積 法 無 效 率 衰 退 問 題成 本

24、遠 低 于 單 晶硅 效 率 低 于單 晶 硅非 晶 硅 813% 510% 反 應 濺 射 法PECVD法LPCVD法 成 本 較 低轉 換 效 率 較 高 穩(wěn) 定 性 不高 各 類 太 陽 能 性 能 比 較種 類 材 料 單 電 池效 率 模 塊 效 率 主 要 制 備方 法 優(yōu) 點 缺 點多 元 化 合 物薄 膜 太 陽 能電 池 砷 化 鎵 19 32% 2330% MOVPE和LPPE技 術 效 率 較 高成 本 較 單晶 硅 低易 于 規(guī) 模生 產(chǎn) 原 材 料 鎘有 劇 毒碲 化 鎘 1015% 710% 銅 銦 硒 1012% 810% 真 空 蒸 鍍法 和 硒 化法 價 格 低 廉性 能 良 好工 藝 簡 單 原 材 料 來源 比 較 有限納 米 晶 化 學 太 陽 能 電 池 811% 58% 溶 膠 凝 膠法水 熱 反 應濺 射 法 成 本 低 廉工 藝 簡 單性 能 穩(wěn) 定 聚 合 物 多 層 修 飾 電 極 型 太陽 能 電 池 35% 處 于 研 發(fā)當 中 易 制 作材 料 廣 泛成 本 低 壽 命 短 各 類 太 陽 能 性 能 比 較 太 陽 能 電 池 的 展 望 The endThank you