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太阳能电池材料 材料概论 专题内容 Outline 其 其 石油 煤 天然气 其他 世界 中国和世界的能源结构 太阳能电池发展背景 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 O2H2O CO2 SO2 NOx 太阳能电池发展背景 资源丰富40分钟照射地球辐射的能量 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 1893年法国科学家贝克勒尔发现 光生伏特效应 即 光伏效应 1930年肖特基提出Cu2O势垒的 光伏效应 理论 同年 朗格首次提出用 光伏效应 制造 太阳电池 使太阳能变成电能 1941年奥尔在硅上发现光伏效应 1954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 制成了第一块薄膜太阳能电池 太阳能电池发展历史 1958年太阳能电池首次在空间应用 装备美国先锋1号卫星电源 1959年第一个多晶硅太阳能电池问世 效率达5 1975年非晶硅太阳能电池问世 1980年单晶硅太阳能电池效率达20 砷化镓电池达22 5 多晶硅电池达14 5 硫化镉电池达9 15 1998年单晶硅光伏电池效率达25 荷兰政府提出 荷兰百万个太阳光伏屋顶计划 到2020年完成 太阳能电池发展历史 太阳能电池是由电性质不同的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 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p n结中产生电子 空穴对 在p n结内建电场作用下 空穴向p区移动 电子向n区移动 从而在p区形成空穴积累 在n区形成电子积累 若电路闭合 形成电流 太阳能电池基本原理 太阳能电池应用 太阳能电池的应用 10KW光伏发电组 建筑设施 太阳能屋顶发电装置 太阳能电池的应用 太阳能与民用建筑的结合 太阳能电池的应用 太阳能服饰 太阳能电池的应用 太阳能与风能发电系统 太阳能电池的应用 太阳能自行车 太阳能电池的应用 太阳能电车 太阳能电池的应用 太阳能电车 太阳能车站 太阳能电池的应用 太阳能飞机 太阳能电池的应用 太阳能飞机 太阳能电池的应用 太阳能发电厂 太阳能电池的应用 太阳能在偏远地区的运用 太阳能电池的应用 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 交通设施交通 铁路信号灯交通警示 标志灯高空障碍灯 太阳能电池的应用 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 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 太阳能电池的应用 家电方面手提灯节能灯充电器 太阳能电池的应用 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 目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录 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 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材料 效率比第一代低 但生产成本最低 第三代 化合物薄膜太阳能电池 铜铟硒 CIS 等及薄膜Si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 太阳能电池的分类 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 B Graetzel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 硅太阳能电池 按基体材料分 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 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 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 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 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 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 非晶硅太阳能电池 三种硅基太阳能电池性能分析 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 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 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 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 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 铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池是近年发展起来的新型太阳能电池 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 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 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 2 敏化纳米晶太阳能电池以TiO2 ZnO SnO2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 基本原理 染料分子吸