第五章-太阳能电池材料.ppt

Outline,第五章太阳能电池材料,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。,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”。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。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。,太阳能电池发展历史,太阳能电池基本原理,1本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,图1.1硅和锗的原子结构和共价键结构,本征激发和两种载流子温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.2本征激发产生电子空穴对,2杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。,N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。,N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。,图1.3N型半导体的共价键结构,P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。,图1.4P型半导体共价键结构,3.PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.5所示。,图1.5P型和N型半导体交界处载流子的扩散,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.6所示。,图1.6PN结的形成,P型半导体,n型半导体,V,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。,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,太阳能电池的分类（按基体材料分）,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,无机化合物太阳能电池,有机化合物太阳能电池,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,硅太阳能电池（按基体材料分）,(1)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。,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。,敏化纳米晶太阳能电池,各类太能能性能比较,各类太阳能性能比较,各类太阳能性能比较,各类太阳能性能比较,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