太阳能电池材料PPT课件

1、.,1,太阳能电池材料 于刚,材料概论专题内容,.,2,Outline,.,3,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,.,4,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 + O2 H2O + CO2 + SO

2、2 + NOx,太阳能电池发展背景,.,5,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,.,6,1893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

3、，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,.,7,1958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,.,8,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

4、，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,.,9,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,.,10,太阳能电池应用,.,11,太阳能电池的应用,（10KW光伏发电组）,.,12,建筑设施,.,13,太阳能屋顶发电装置,太阳能电池的应用,.,14,太阳能与民用建筑的结合,太阳能电池的应用,.,15,太阳能服

5、饰,太阳能电池的应用,.,16,太阳能与风能发电系统,太阳能电池的应用,.,17,太阳能自行车,太阳能电池的应用,.,18,太阳能电车,太阳能电池的应用,.,19,太阳能电车,.,20,太阳能车站,太阳能电池的应用,.,21,太阳能飞机,太阳能电池的应用,.,22,太阳能飞机,太阳能电池的应用,.,23,太阳能发电厂,太阳能电池的应用,.,24,太阳能在偏远地区的运用,太阳能电池的应用,.,25,太阳能在沙漠地区的运用,太阳能电池的应用,.,26,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,.,27,通信方面 光缆维护站 小型通信机 信号发射塔

6、,太阳能电池的应用,.,28,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,.,29,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,.,30,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 ）,.,31,目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录,.,32,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

7、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,.,33,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 BGraetzel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,.,34,硅太阳能电池（按基体材料分 ）,单晶硅太阳能电池 (Single Crystaline-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

8、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。,.,35,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,.,36,(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,.,37,(3)非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si) 非晶硅(

9、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,.,38,非晶硅太阳能电池,.,39,三种硅基太阳能电池性能分析,.,40,(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

10、晶硅，为1.12eV）。,微晶硅太阳能电池,.,41,(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,.,42,(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,.,43,(2)多晶化合物太阳能电池 碲化镉

11、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,.,44,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,.,45,1. 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,.,46,有机化合物太阳能电池,2009年4月26日nature photonics上的高效单结电池,.,47,2. 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,.,48,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