光电功能材料分类和工作原理

1、光电功能材料分类和工作原理光电功能材料分类和工作原理3. 光功能材料 3.1. 激光材料 非线性光学材料 3.3. 光纤材料 3.4. 光电显示材料 3.5. 光伏材料及太阳能电池 3.6. 纳米材料 3.7. 液晶材料与LCD目录光电功能材料分类和工作原理内容序言太阳能电池简介太阳能电池工作原理太阳能电池分类太阳能电池对材料的要求各类太阳能电池的制造方法及研究状况利用太阳能电池发电的优缺点太阳能电池的展望光电功能材料分类和工作原理一、序言1、地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。2、太阳

2、能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一光电功能材料分类和工作原理 二十一世纪将是能源危机和能源革命的世纪。众所周知，世界上已探明的石油存储量只能供应40至50年，世界上石油储量67%在中东，我国2004年进口原油亿吨和成品油4000万吨。我国已探明煤炭储存量约8200亿吨标准煤，利用目前的工艺技术，可以安全开采的总储量约1500亿吨标准煤，2004年我国煤炭能源消耗为亿吨标准煤，按照目前能源消耗增长的速率来计算的话，则我国的煤炭仅能够满足3040年的使用。常规能源是地球46亿年形成过程中，太阳给予地球能源的储存，可是在我们几代人的发展过程中，就将这种常规

3、能源消耗殆尽，这不仅危及到我国的持续发展，而且也是危及到中华民族的能否继续生存发展的大事。 光电功能材料分类和工作原理我国已决定发展核电，在未来十几年内将兴建约40个百万千瓦级核电组，如果2020年我国电力装机总量达到9亿千瓦，则核电只占总装机容量的几个百分点，但是预计我国在按照目前的耗能情况比例上升，到2020年全国消耗常规能源为60亿吨，所排放的CO2将高达200亿吨以上，对人类的生存环境将造成严重的影响。我国天然铀资源短缺，大力进口天然铀，将会遇到更为严重的困难，人们还寄托希望于钍，如果钍能发电，那将提供我国上千年的能源需求，但是钍能否实现象铀一样的发电，目前尚无结论。我国东海、南海的能

4、源开发有待积极进行国际协作开发，其储量尚未可知。常规能源的消耗量不可逆转的，也是有尽时的。 光电功能材料分类和工作原理 太阳能就是无污染的巨大能源，太阳实时给予地球的能量是人类每天所消耗的能量的上万倍，其中70%以上的能量是给予了大海，陆地的降雨量、沿海的台风、飓风都是太阳能转化的表现形式。据专家计算，我国陆地每年接受太阳辐射的能量约为24000亿吨标准煤，这是取之不尽、用之不竭的绿色能源。问题是应该尽快地研制出价格低廉、转换效率较高的光伏电池。目前的太阳能电池每三千瓦约需一万美元，价格十分昂贵，远远地超过我们的国家和人民所能承受的极限。研制廉价和转化效率高的太阳能电池的历史使命就责无旁贷地落

5、在光电子科技工作者的肩上。光电功能材料分类和工作原理太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW（1tw=1012w） 。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为2，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能

6、的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。 光电功能材料分类和工作原理太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤 它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；获取能源花费的时间短。光电功能材料分类和工作原理能源状况传统矿石能源不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等资源丰富、利用方便、洁净无污染石油煤

7、天然气其他世界的能源结构能源结构调整太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨矿石能源开采高峰20202030年光电功能材料分类和工作原理世界和中国主要常规能源储量预测光电功能材料分类和工作原理二、太阳能电池简介1、太阳光能转换成电能的装置，采用半导体产生PN结来获得电位。2、太阳能电池是物理电池之一。 光电功能材料分类和工作原理太阳能电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需

8、要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。光电功能材料分类和工作原理三、太阳能电池工作原理光伏效应光电功能材料分类和工作原理太阳光谱图太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。UV Visible Infrared48%光电功能材料分类和工作原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体

9、主要结构如下： 图中，正电荷表示硅原子， 负电荷表示围绕在硅原 子旁边的四个电子。太阳能电池利用原理光电功能材料分类和工作原理采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴； N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子； 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动

10、，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。 光电功能材料分类和工作原理四、太阳能电池的分类 1、硅系太阳能电池 2、多元化合物薄膜太阳能电池 3、有机薄膜太阳能电池 4、染料敏化太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池光电功能材料分类和工作原理太阳能电池的种类无机太阳能电池半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）染料敏化（光化学）太阳能电池（纳米TiO2等）按照所用材料的不同

11、：光电功能材料分类和工作原理无机太阳能电池半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 工作原理光电功能材料分类和工作原理无机太阳能电池研究进展表1 无机太阳能电池的性能及应用光电功能材料分类和工作原理有机太阳能电池有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池 。 研究进展: 美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安

12、装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。光电功能材料分类和工作原理染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。光电功能材料分类和工作原理染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池

13、的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。1837年，Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后，Fox Talbot将卤化银用于照片制作，但是由于卤化银的禁带宽度较大，无法响应长波可见光，所以相片质量并没有得到很大的提高。1883年，德国光电化学专家Vogel发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感，这是对染料敏化效应的最早报导。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围到红光甚至红外波段，这使得“全色”宽谱黑白胶片乃至现在的彩色胶片成为可能。光电功能材料分类和工作原理染料敏化太阳能电池1887年，Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上，从而将染料敏化的概念从照相

14、术领域延伸到光电化学领域。1964年，Namba和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。直到20世纪60年代，德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。光电功能材料分类和工作原理染料敏化太阳能电池但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很

15、少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1991年，Grtzel在ORegan的启发下，应用了ORegan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒，使电池的效率一举达到7.9 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化太阳能电池的发展。 光电功能材料分类和工作原理 染料敏化太阳能电池（DSSCs）电池结构 阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料阴极：镀铂的导电玻璃ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,

16、353,737740光电功能材料分类和工作原理五、太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定光电功能材料分类和工作原理六、各类太阳能电池的制造方法及研究状况种类材料太阳能单电池效率太阳能电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a1017%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光电功能材

17、料分类和工作原理种类材料 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19 32%2330%MOVPE和LPE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%8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定有机薄膜太阳能电池35%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短光电功能材料分类和工作原理七、利用太阳能电池发电的优缺点优点：属于可再生能源，不必担心能源枯竭太阳能本身并不会给地球增加热负荷运行过程中低污染、平稳无噪音发电装置需

18、要极少的维护,寿命可达20年所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网用途广泛光电功能材料分类和工作原理缺点：受地域及天气影响较大由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高光电功能材料分类和工作原理 目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的

19、由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。八、太阳能电池的展望光电功能材料分类和工作原理八、太阳能电池的展望III-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池很难占据主导地位。另两类电池染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅

20、薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。光电功能材料分类和工作原理小 结太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。由于材料与器材结构的研究与开发,太阳电能池的地面应用的潜在能力得到了发挥。从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材料及染料敏化剂提供理论指导。太阳能的开发利用是人类进入21世纪必须解决的难题。太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重要的意义。光电功能材料分类和工作原理光伏产业的发展1、传统的化石能源资源日益枯竭，

21、严重的环境污染 制约了世界经济的可持续发展。2、能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战 略物资。3、太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生 能源。4、世界各国竞相出台发展可再生能源的扶持政策、 法令、法规。5、从2006年1月1开始，我国可再生能源法开 始实施。光电功能材料分类和工作原理根据欧盟的预测：到2030年 太阳能发电将占总能耗10%以上 可再生能源在总能源结构中占30%到2050年 太阳能发电将占总能耗20% 可再生能源在总能源结构中占50%以上光电功能材料分类和工作原理1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均增长速度超过0%。 2005年世界太阳电池产量达到1650MW，

22、比2004增加了38%。日本光伏电池产量再次领先增长到762MW，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到464MW；美国增加12%，达到156MW；世界其他地区增加96%，达到274MW。二、世界光伏产业及应用特点光电功能材料分类和工作原理历年世界太阳电池产量光电功能材料分类和工作原理世界顶级十家太阳能电池生产厂2005年及2006（预测）产量公司2005年产量排名2006年预测产量排名夏普428 MW兆瓦 1500 MW1Q-Cells166 MW2234 MW2京瓷142 MW3175 MW3三洋125 MW4150 MW4三菱100 MW5125 MW6肖特95 MW6110 MW7B

23、P太阳能86 MW7105 MW10尚德82 MW8150 MW4茂迪60 MW9110 MW7Detsche cell包括壳牌太阳能 96 MW壳牌太阳能5910110 MW7光电功能材料分类和工作原理2、在光伏应用和安装方面，德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场。 2005年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%。德国安装837MW,比前一年增长了53%；占世界安装量的57%；日本安装292MW,比前一年增长了14% ，占世界安装量的20%；美国安装102MW，占世界安装量的7%；欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%；世界其它地区安装146MW，占世界安装量

24、的10%。 光电功能材料分类和工作原理2005年世界各地光伏安装量及所占比例地区2005年安装量（MW）德国837日本292美国102欧洲其它地区88世界其它地区146光电功能材料分类和工作原理3、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，其中多晶硅太阳电池的份额为52.3%，单晶硅为38.3%，带硅/片硅电池2.9%。预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。光电功能材料分类和工作原理1995-2005年各类太阳电池的产量百分比（%）1999200020012002200320042005单晶硅40.837.434.636.432.236.238.3多晶硅42.148.250.251

25、.657.254.752.3带硅/片硅4.14.35.64.64.43.32.9非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7锑化镉0.50.30.50.71.11.11.6铜铟化锡0.20.20.20.20.60.40.2光电功能材料分类和工作原理2004-2008年多晶硅原料的产量及预测年份200420052006(e)2007(e)2008(e)全球硅料产量(吨)2800032000360004200052000半导体消耗量(吨)1800018000189001984520837太阳能硅料(吨)1000014000171002215531163每瓦消耗量(克)1312111110硅片

26、产量(MW)7691167155520142833电池片产量(MW)900137382923703333电池片需求量(MW)12001560202826363427供需缺口(MW)30018719926794光电功能材料分类和工作原理2004-2008年世界主要高纯多晶硅制造商产量和生产能力一览表公司名称产量(吨)扩产后的产能(吨)20042005200620072008Hemlock(美国)7000740077001000011000Wacker(德国)50005000550065009000Tokuyama(日本)52005200540054008400MEMC(美国/意大利)25003700520064008000REC SGS(美国)21002300270060007400REC AsiMI(美国)22003000330033003300三菱(日本/美国)28002800280028002800住友钛(日本)700700700700700光电功能材料分类和工作原理我国1、近几年来太阳电池产量迅速增长。1958年 开始研究太阳电池1971年 首次将光伏电池成功应用于东方红2号卫星1973年 开始太阳电池地面应用从七十年代初到八十年代末，由于成本高，太阳