A-太阳能电池概述

太阳能电池概述一背景介绍二太阳能电池发展历史三太阳能电池的应用四太阳能电池材料五单晶硅太阳能电池生产简易流程六太阳能电池的发展方向A-太阳能电池概述Energy&NanotechnologyConference,RiceIniversity,May3,2003人类未来50年面临的十大难题一背景介绍A-太阳能电池概述化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的综合评估结果表明：近50年全球大部分增暖，非常可能(90%以上)是人类活动的结果，特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大气的污染物中，有约80%的烟尘、87%的SO2和67%的NOx来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾、酸雨以及其它光化学烟雾等。化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照2008年的开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采42年，天然气和煤炭分别可供应60年和122年。2008年我国煤炭储采比约为41年，天然气和石油储采比分别约为32年和11年。必须加强替代能源包括核能、风能、太阳能、水能、地热和海洋能等的开发利用。2011-2012年我国能源科学发展战略报告全人类的挑战A-太阳能电池概述太阳能的优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为3.8×1023KW左右，其中约22亿分之一到达地球，约1.2×1014KW(1.35KW/m2,太阳常数)，这相当于现在地球上消耗能量的约1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取自不尽，用之不竭的。太阳能的缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所提供的能源占世界商业能源总量不足1%。太阳能利用的优点和缺点A-太阳能电池概述半导体太阳能电池：通过光电转换装置把太阳辐射能转换成电能是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能电池太阳能电池：将太阳能转化为电能的装置。A-太阳能电池概述

几千年来人类无意识地利用太阳能来取暖和晾晒物品，直到19世纪末才出现了第一台太阳能热水器，而第一片太阳能电池的出现则是在1954年，其发展过程简列如下：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。二太阳能电池发展历史A-太阳能电池概述太阳能电池的发展历史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。

自50年代研制成第一块实用的硅太阳能电池、60年代太阳能电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个世纪。发展到今天，世界太阳能电池组件的年产量达200MW以上。

A-太阳能电池概述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三太阳能电池的应用A-太阳能电池概述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A-太阳能电池概述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A-太阳能电池概述太阳能电池的应用建筑设施A-太阳能电池概述太阳能电池的应用

A-太阳能电池概述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A-太阳能电池概述太阳能电池的应用太阳能汽车A-太阳能电池概述太阳能电池的应用家电方面手提灯节能灯充电器A-太阳能电池概述A-太阳能电池概述全球太阳能电池市场A-太阳能电池概述太阳能电池转换效率太阳能电池转换效率：Pm为太阳能电池最大输出功率；AiPin为照射到电池的总辐射能影响转化效率的因素：1太阳光的反射，反射率降低转换效率增大；2半导体带隙，存在一个合适的能带间隙；3光生载流子寿命，载流子的停留时间和半导体特性，以及掺杂特性、晶体缺陷以及杂质浓度等有关。世界科技报道[]消息：美国特拉华大学最新研制的超高效硅太阳能电池，在标准的陆地日光条件下，其太阳能转换效率达到创纪录的42.8%，比其他种类太阳能电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。这项技术将在世界范围内改变电力的产生方式。

A-太阳能电池概述太阳能电池发展的主要制约因素1太阳能电池造价高、电价贵：电池由1972年500$/W，降低到4$/W；2太阳能转换效率低，一般小于20%；3太阳光能量密度低；4太阳能发电受时间和气候影响大；5太阳能电池的材料普遍资源少，价格高。A-太阳能电池概述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四太阳能电池材料A-太阳能电池概述太阳能电池材料按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）无机化合物太阳能电池如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池

A-太阳能电池概述晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池包括单晶硅、多晶硅、带状硅、单晶硅薄膜等类型，具有性能稳定、资源丰富、无毒性等有点，是市场的主导产品。缺点：单晶硅面积小，制造成本高。晶体硅太阳能电池结构和原理图晶体硅太阳能电池结构PN结、背电极、减反射层、面电极、光栅。2005年A-太阳能电池概述单晶硅太阳能电池外观单晶硅太阳能电池典型结构单晶硅太阳能电池目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很高，限制了大量广泛和普遍使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

A-太阳能电池概述单晶硅太阳能电池性能改善措施性能改善措施：1采用埋层电极；2表面钝化和绒化，降低光反射；3密栅工艺；4优化背电极及接触电极技术埋栅太阳能电池BCSC影响单晶硅电池性能因素：1表面光反射损失；2电池表面栅线遮光影响；3光传导损失；4内部和表面复合损失。背面局部扩散太阳能电池PERLA-太阳能电池概述单晶硅太阳电池的制作过程：

①砂子还原成冶金级硅：石英砂(SiO2)在电弧炉中用C还原为Si和CO，纯度一般95-99%，杂质为Fe、Al、Ga、Mg等。②冶金级硅提纯为半导体级硅：由工业硅制成硅的卤化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通过还原剂还原成为元素硅，最后长成棒状(或针状、块状)多晶硅。③半导体级硅转变为硅片：多晶硅经过区熔法(Fz)和坩埚直拉法(CG)制成单晶硅棒。④硅片制成太阳电池：主要包括表面准备（化学处理和表面腐蚀）、扩散制(P-N)结、去边、去除背结、制作上下电极、制作减反射膜等。⑤太阳电池封装成电池组件：将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件，主要有上盖板、粘接剂、底板、边框等部分。五单晶硅太阳能电池生产简易流程A-太阳能电池概述硅太阳能电池制造工艺A-太阳能电池概述1.清洗蚀刻2.磷扩散P-typewafer单晶硅太阳能电池制造A-太阳能电池概述3.鍍抗反射层4.网印5.烧结单晶硅太阳能电池制造A-太阳能电池概述多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池特点：1光电转换效率低于单晶硅电池，其光电转换效率约12％左右；2使用寿命比单晶硅太阳能电池短；3和单晶硅一样没光致衰退效应；4制作成本降低。5多晶硅薄膜电池受到广泛重视。多晶硅太阳能电池A-太阳能电池概述非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池特点能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好(充电效率高)存在光致衰减效应非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池本征吸收系数大低成本非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功；目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10％左右。A-太阳能电池概述低成本晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270m，硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%；非晶硅薄膜太阳电池的厚度<0.5um。主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，是太阳能电池的主要发展方向。A-太阳能电池概述非晶硅太阳能电池存在的问题效率较低单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。A-太阳能电池概述稳定性问题

非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。A-太阳能电池概述非晶硅太阳电池的市场大规模地成本发电站1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。弱光下使用由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。A-太阳能电池概述与建筑相配合,建造太阳能房非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。A-太阳能电池概述中国非晶硅太阳电池产业目前中国已有的非晶硅太阳能电池生产线序号单位名称产能备注1天津津能5MWp2哈尔滨克罗拉太阳能1MWp3深圳拓日<14深圳创益<15深圳日月潭<16北京世华筹建中7泉州筹建中A-太阳能电池概述化合物太阳能电池化合物太阳能电池的特点光电转化效率高、转换效率提高空间大。美国Tecstar公司已研制成功了用于空间的、效率达到33.4%的太阳电池（InGaP/GaAs电池）。材料消耗少。化合物半导体材料的带隙1.4eV，对阳光吸收系数更大，使得这些材料适合制作薄膜电池。化合物太阳电池的品种多，应用范围广泛。抗辐射性好，适用于空间飞行器电源等特殊应用。A-太阳能电池概述砷化镓(GaAs)太阳电池

砷化镓属于Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料，能隙(bandgap，又叫禁带宽度forbiddenbandwidth)为1.4eV，并且耐高温性强，最高转换效率可达30%。砷化镓系列太阳能电池包括单晶GaAs、多晶GaAs、镓铝砷-GaAs异质结、金属-半导体GaAs、金属-绝缘体-半导体GaAs、GaSb（锑化镓）、GaInP等。A-太阳能电池概述砷化镓(GaAs)太阳电池砷化镓(GaAs)太阳电池特点：砷化镓系列太阳能电池具有很高的光发射系数和光吸收系数砷化镓系列太阳能电池比硅具有更高的理论转换效率较好的抗辐射性能易于获得晶格匹配和光谱匹配A-太阳能电池概述CdTe太阳能电池CdTe太阳能电池结构示意图CdTe太阳能电池性能光电转换效率高（27%），对可见光吸收系数大；稳定性好，结构简单，易工业化成本低存在Cd毒性CdTe太阳能电池结构PN结：n-CdS/p-CdTeA-太阳能电池概述CdTe电池组件制备CdTe电池组件制备工艺流程CdS、CdTe薄膜的制备技术真空蒸发法、溅射法、近空间升华法、元素汽相化合法、电化学沉积法等。其中真空蒸发法、溅射法的生产成本高,不适于规模化生产。A-太阳能电池概述近空间升华法（CSS）沉积装置如图所示。采用高纯CdTe薄片或粉料作源,两石墨块的间距约1～30mm,衬底温度550～650℃,源温度比衬底高80～100℃,反应室充N2,真空度为7.5×102～7.5×103Pa。再经过氧气或氯气表面钝化；硝酸、硝酸-冰乙酸等溶液择优腐蚀，获取具有绒面结构的CdTe薄膜。A-太阳能电池概述CuInSe(CIS)太阳能电池MoCIS低阻CIS高阻CdS高阻CdS地阻CIS太阳能电池结构CuInSe(CIS)结构PN结：n-CdS/p-CISCIS太阳能电池性能光电转换效率高（18%），对可见光吸收系数大；稳定性好，抗辐照能力强。目前制备CIS和CIGS吸收层的生长方法有真空蒸发法，Cu-In合金膜的硒化处理法，近空间气相输运法，喷涂热解法及射频溅射法。A-太阳能电池概述有机太阳能电池工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。

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，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供0.7V的电压。特点：原料来源广泛，易成型，可大面积成膜，通过化学修饰调控性能，价格低，制备工艺简单，稳定性高。A-太阳能电池概述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A-太阳能电池概述

色素敏化光化学太阳能电池阳极：染料敏化半导体薄膜TiO2、阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-电池结构将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上，再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极，在工作电极和对电极（通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃）之间是含有氧化还原物质对(常用I2和I-)的液体电解质，它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。A-太阳能电池概述工作原理在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。

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BachU,LupoD,ComteP,etal.Nature,1998,395:583O’ReganB.andGrätzelM.,Nature,1991,353,737~7401991年，瑞士GrätzelM.以较低的成本得到了>7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。研究进展与光合作用中心叶绿体结构相比，染料敏化太阳能电池具有类似的结构。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样，基于纳米晶电极的太阳能电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。模拟植物光合作用原理制造太阳能电池一直是人类的一个梦想，经过近二十年的发展，这一梦想越来越接近于实现并造福人类社会。A-太阳能电池概述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15~24%13~20%表面结构化发