第五章太阳能电池材料

1、Outline背景及发展历程背景及发展历程1基本原理基本原理2电池分类电池分类4发展前景发展前景5电池应用电池应用3第五章第五章 太阳能电池材料太阳能电池材料能源枯竭能源枯竭 石油：石油：4242年，天然气：年，天然气：6767年，煤：年，煤：200200年年 。环境污染环境污染 每年排放的二氧化碳达每年排放的二氧化碳达210210万吨，并呈上升趋势，造成万吨，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。影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 CxHy + O2 H2O

2、+ CO2 + SO2 + NOx 太阳能电池发展背景太阳能电池发展背景 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太阳能电池发展背景 洁净能源洁净能源与与 石石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应温室效应”，也不会造成环境污染也不会造成环境污染 使用方便使用方便同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。成本低。太阳能的优点太阳能的优点p 1893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

3、应光生伏特效应”，即，即“光光伏效应伏效应”。p 1954年年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的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，效率为单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化同年，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。膜太阳能电池。p 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首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星号卫星电源。电源。太阳能电池发展历史太阳能电池发展历史太阳能电池基本原理太阳能电池基本原理1 本征半导

4、体本征半导体n 本征半导体的原子结构及共价键本征半导体的原子结构及共价键图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构 n 本征激发和两种载流子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。2 杂质半导体杂质半导体 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 N型半导体型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元

5、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型半导体主要靠自由电子导电。图1.3 N型半导体的共价键结构 n P型半导体型半导体 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型半导体主要靠空穴导电。图1.4 P型半导体共价键结构 3. PN结的形成结的形成 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1.5 P型和N型半导体交界

6、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1.6 PN结的形成 P P型半导体型半导体n n型半导体型半导体V 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所吸收得能量大于禁带宽度，在宽度，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，结内建电场作用下，空穴向空穴向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

7、形成空穴积累，在区形成空穴积累，在n n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 太阳能电池的分类太阳能电池的分类（按基体材料分（按基体材料分 ）太阳能电池太阳能电池硅太阳能电池硅太阳能电池 单晶化合物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多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 结晶系太阳能电池结晶系太阳能电池无机化合物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有机化合物太阳能电池 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单晶硅电池转换效率

8、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：薄膜太阳能电池基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为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。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。系太阳能电池。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。太阳能电池的分类太阳能电池的分类硅太阳能电池硅太阳能电池（按基体材料分（按基体材料分 ）(1)单晶硅太

9、阳能电池单晶硅太阳能电池 (Single Crystaline-Si) 单晶硅太阳能电池制造工程由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。电池片工程和模板工程组成。p电池片工程大致可分为如下电池片工程大致可分为如下三部分：三部分： 从原材料制造单晶硅棒。从原材料制造单晶硅棒。 将单晶硅棒切断，加工成半圆片将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。状。 形成形成pn结、加入电极，制成电池结、加入电极，制成电池片。片。 生产工艺：生产工艺： 导电玻璃导电玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 检测检测 镀铝电极镀铝电极 沉积沉积PN结结 老化老化 检测检测 封装封装 成品检测成品检测单晶硅太阳能电池单晶硅

10、太阳能电池(2)多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si) 在制作多晶硅太阳能电池时，作为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。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粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大级，大颗粒尺寸可达颗粒尺寸可达m级。级。 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池

11、(3)非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si) 非晶硅非晶硅(又称又称 -Si)太阳能电池一般太阳能电池一般是用是用高频辉光放电高频辉光放电等方法使硅烷等方法使硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的。非晶硅的禁带气体分解沉积而成的。非晶硅的禁带宽度为宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到，通过掺硼或掺磷可得到P型型 -Si或或N型型 -Si。 非晶硅中由于原子排列缺少结晶非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的非晶硅非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现无整流特性，不能导地位，使其呈现无整流特

12、性，不能制作太阳能电池。制作太阳能电池。 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，光致衰退效应应9%-13%9%-13

13、% (4)微晶硅微晶硅(c-Si)太阳能电池太阳能电池 非晶硅对红外区域太阳辐射不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。池，稳定性和光转换效率得到提高。（禁带宽度接近单晶硅，为（禁带宽度接近单晶硅，为1.12eV）。微晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池 (1)单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池 单晶化合物太阳能电池主要有单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓砷化镓( GaAs)太阳能电池。砷化镓太阳能

14、电池。砷化镓的能隙为的能隙为1.4eV，是很理想的电池材，是很理想的电池材料。料。 这是单结电池中效率最高的电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池，多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过已超过40%。所以早期在空间得到了。所以早期在空间得到了应用。应用。 但是砷化镓电池价格昂贵，而且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。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 多晶化合物太阳能电池的多晶化合物太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉主

15、要有碲化镉(CdTe)太阳能电太阳能电池、铜铟镓硒池、铜铟镓硒( CIGS)太阳能电太阳能电池等。池等。 无机化合物太阳能电池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 碲化镉太阳能电池：碲化镉太阳能电池：PVD（物理气相沉积）工艺、溅射（物理气相沉积）工艺、溅射工艺工艺无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳）太阳能电池是近年发展起来的新型能电池是近年发展起来的新型太阳能电池，通过磁控溅射、太阳能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元

16、分步蒸发法和金法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等。属预置层后硒化法等。 基底一般用玻璃，也可以基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔性村底。用不锈钢作为柔性村底。 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池无机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有机化合物太阳能电池 以以酞菁、卟啉、酞菁、卟啉、苝苝、叶、叶绿素绿素等为基体材料的太阳能等为基体材料的太阳能电池。如有机电池。如有机PN结太阳能电结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池池，有机肖特基太阳能电池等。等。 如聚乙烯太阳能电池、如聚乙烯太阳能电池、共轭聚合物共轭聚合物/C60复合体系太复合体系太阳能电池等。

17、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有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池2009年年4月月26日日nature photonics上的高效单结电池上的高效单结电池2. 敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池 以以TiO2、ZnO、SnO2等宽禁带的氧化物型的纳等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极，使用米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽染料敏化、无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。制成的

18、太阳能电池。有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池基本原理：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导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入解质中得到补偿，进入 TiO2 导带中的电于最终进入导电膜导带中的电于最终进入导电膜 , 然然后通过外回路产生光电流。后通过外回路产生光电流。敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池各类太能能性能比较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种类种类材料材料太阳能单太阳能单电池效率电

19、池效率太阳能电太阳能电池模块效池模块效率率主要制备方法主要制备方法优点优点缺点缺点硅系太硅系太阳能电阳能电池池单晶硅单晶硅1524%1320%表面结构化表面结构化发射区钝化发射区钝化分区掺杂分区掺杂效率最高效率最高技术成熟技术成熟工艺繁琐工艺繁琐成本高成本高多晶硅多晶硅1017%1015%化学气相沉积化学气相沉积法法液相外延法液相外延法溅射沉积法溅射沉积法无效率衰退问题无效率衰退问题成本远低于单晶成本远低于单晶硅硅效率低于效率低于单晶硅单晶硅非晶硅非晶硅813%510%反应溅射法反应溅射法PECVD法法LPCVD法法成本较低成本较低转换效率较高转换效率较高稳定性不稳定性不高高各类太阳能性能比较

20、各类太阳能性能比较种类种类材料材料 单电池单电池效率效率模块效率模块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点多元化合物多元化合物薄膜太阳能薄膜太阳能电池电池砷化镓砷化镓 19 32%2330%MOVPE和和LPPE技术技术效率较高效率较高成本较单成本较单晶硅低晶硅低易于规模易于规模生产生产原材料镉原材料镉有剧毒有剧毒碲化镉碲化镉 1015%710%铜铟硒铜铟硒 1012%810%真空蒸镀真空蒸镀法和硒化法和硒化法法价格低廉价格低廉性能良好性能良好工艺简单工艺简单原材料来原材料来源比较有源比较有限限纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池811%58%溶胶凝胶溶胶凝胶法法水热反应水热反应溅射

21、法溅射法成本低廉成本低廉工艺简单工艺简单性能稳定性能稳定 聚合物多层修饰电极型太聚合物多层修饰电极型太阳能电池阳能电池 35% 处于研发处于研发当中当中易制作易制作材料广泛材料广泛成本低成本低寿命短寿命短各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较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太阳能电池应用 太阳能电池的应用太阳能电池的应用（10KW光伏发电组）光伏发电组）建建筑筑设设施施太阳能屋顶发电装置太阳能屋顶发电装置太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能与民用建筑的结合太阳能与民用建筑的结合太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能服饰太阳能服饰太阳能电池的应用太阳能电池的应用

22、太阳能与风能发电系统太阳能与风能发电系统太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能自行太阳能自行车车太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电车太阳能电车太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电车太阳能电车太阳能车站太阳能车站太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能飞机太阳能飞机太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能飞机太阳能飞机太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能发电厂太阳能发电厂太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能在偏远地区的运用太阳能在偏远地区的运用太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能在沙漠地区的运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太阳能电池的应用通信方面通信