薄膜太陽能電池【優(yōu)質(zhì)教育】

1、薄膜太陽能電池,組員：王文麗 孫有政 呂立鋒 晉俊超 楊鳴春,1,全面分析,主要內(nèi)容,太陽能薄膜的性能表征,4,1,薄膜太陽能電池介紹,2,全面分析,背景介紹,3,全面分析,1993年，歐洲CIS(EuroCIS)研究中心使用CdSCu(In,Ga)Se2結(jié)構(gòu)，成功將效率提升到15左右,1996年，美國可在生能源國家實驗室(NERL) 效率提高到了177。直到現(xiàn)在為止，NERL已將效率再往上提升至195,研究歷程,南開大學(xué)的CIS 太陽能電池研究小組,在CIGS太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率上已經(jīng)達到121左右,4,全面分析,發(fā)展現(xiàn)狀,我國高度重視薄膜太陽能電池技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，與國際先進水平差距逐步

2、縮小，積極有序地發(fā)展。截至2008年底，我國已建成并投產(chǎn)的14家薄膜太陽能電池企業(yè)的產(chǎn)能約達125.9MW，年產(chǎn)量約為46MW。截止2009年底，已開工建設(shè)和已開展前期工作宣布建設(shè)的薄膜太陽能電池項目將近40個，按其規(guī)劃，2014年前全部建成后的產(chǎn)能將高達約4000MW,5,全面分析,薄膜太陽能電池的原理,主要是利用光伏效應(yīng)(photovoltaic effect)將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種P-N結(jié)半導(dǎo)體裝置,當晶片的接觸面受光后，只要光子的能量等于或大于Eg，就會把電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶中留下一個空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如果所產(chǎn)生的電子-空穴對有足夠長的壽命，各自擴散到p-n 結(jié)的勢壘

3、區(qū)附近，在p-n 結(jié)的內(nèi)建電場作用下被互相分離，光生的非平衡空穴往帶負電的p 型區(qū)移動，電子往帶正電的n 型區(qū)移動。在p-n 結(jié)開路情況下。n 區(qū)邊界將積累非平衡電子，p 區(qū)邊界將積累非平衡空穴，產(chǎn)生一個與p-n 結(jié)內(nèi)建電場方向相反的光生電場Voc，這就是光伏效應(yīng)。在p-n 結(jié)短路情況下光生電子和光生空穴分別產(chǎn)生電流Jn 和Jp，總的光生電流密度Jsc為兩者之和。此時在晶片的兩邊加上電極并引入負載，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，p-n 結(jié)起到了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。光照在接觸面產(chǎn)生的電子空穴對愈多，電流愈大,6,全面分析,薄膜太陽能電池的特色,1.相同遮蔽面積下功

4、率損失較小(弱光情況下的發(fā)電性佳) 2.沒有內(nèi)部電路短路問題(聯(lián)機已經(jīng)在串聯(lián)電池制造時內(nèi)建) 3.照度相同下?lián)p失的功率較晶圓太陽能電池少 4.有較佳的功率溫度系數(shù) 5.較高的累積發(fā)電量 6.只需少量的硅原料 7.較佳的光傳輸 8.厚度較晶圓太陽能電池薄 9.材料供應(yīng)無慮 10.可與建材整合性運用(BIPV,7,全面分析,非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si,微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si,化合物半導(dǎo)體II-IV 族（CdS、CdTe、CuInSe2,色素敏化染料(Dye-Sensi

5、tized Solar Cell,有機導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells,CIGS (銅銦硒化物,太陽能電池的分類,8,全面分析,薄膜太陽能模塊結(jié)構(gòu)圖,薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導(dǎo)電層、電器功能盒、膠合材料、半導(dǎo)體層.等,9,全面分析,半透明式的太陽能電池模：建筑整合式太陽能應(yīng)用,薄膜太陽能之應(yīng)用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行,薄膜太陽能模塊之應(yīng)用：屋頂、建筑整合式、遠程電力供應(yīng)、國防,薄膜太陽電池產(chǎn)品應(yīng)用,10,全面分析,國內(nèi)投資狀況,11,全面分析,國外投資狀況,12,全面分析,染料敏化太陽能電池,孫有政,13,全面分析,染料敏化太陽能電池結(jié)

6、構(gòu),14,全面分析,Click to add title in here,TiO2薄膜的性能及應(yīng)用,15,全面分析,TiO2薄膜的常用制備工藝,16,全面分析,太陽能薄膜制備方法,17,全面分析,溶膠凝膠法制備TiO2太陽能薄膜,18,全面分析,制備納米TiO2粒子溶膠或前軀體,19,全面分析,實驗舉例,20,全面分析,存在的問題及改進,顯然，通過涂覆的辦法只能得到小尺寸的薄膜，而我們希望薄膜的尺寸越大越好。 使用絲網(wǎng)印刷法制備出大面積的TiO2薄膜，具體工藝如下,21,全面分析,硅薄膜太陽能電池,呂立鋒,22,全面分析,硅薄膜太陽能電池,硅薄膜太陽能電池可以分為以下三類,23,全面分析,硅薄

7、膜太陽能電池,晶體硅太陽電池是光伏市場的主導(dǎo)產(chǎn)品之一,薄膜硅太陽能電池,特點,生產(chǎn)工藝,高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展,不采用由硅原料、硅錠、硅片到太陽電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽電池 的工藝路線，發(fā)展薄膜太陽電池的技術(shù),材料大多來自半導(dǎo)體硅材料的 外品和單晶硅的頭尾料,原料緊缺,制作成本高，不能滿足光伏工業(yè)發(fā)展的需要,硅材料是構(gòu)成晶體硅太陽電 池組件成本中很難降低的部分,全球太陽能電池最大的生產(chǎn)企業(yè)日本夏普電器公司董事長片山干雄指出：“2013年之前是薄膜硅和結(jié)晶硅齊頭并進，2013年以后薄膜硅將成主流。,24,全面分析,多晶硅薄膜太陽能電池制備,目前，制備多晶硅薄膜太陽能電池多

8、采用各種化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝和快熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）工藝。 此外還有半導(dǎo)體液相外延生長法、固相結(jié)晶法和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜太陽能電池,25,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,26,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,三種主要的制備方法中，PECVD法最為成熟，在低溫下就可以制備非晶硅太陽能電池。 等離子體增強化學(xué)氣相沉積：是在沉積室內(nèi)建立高壓電場，反應(yīng)氣體在一定氣壓和高壓電場作用下，產(chǎn)生輝光放電，反應(yīng)氣體被激發(fā)成非常活潑的分子、原子、離子和原子團構(gòu)成的等離子體，大大降低了沉積反應(yīng)溫度，加速了化學(xué)反應(yīng)過

9、程，提高了沉積速率,27,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,三室連續(xù)PEVCVD沉積系統(tǒng)。該沉積系統(tǒng)由PIN三個反應(yīng)室、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、激勵電源與襯底加熱系統(tǒng)等主要單元組成。PIN三個反應(yīng)室都開有觀察窗口，P室和N室分別進行p型與n型材料的沉積，I室用于制備本征層(i層)材料,28,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,a-Si：H主要制備流程如下,29,全面分析,微晶硅薄膜制備方法,制備微晶硅材料的主要技術(shù)方法包括3種化學(xué)氣相沉積法最早用于沉積微晶硅的技術(shù)的是： 1. 射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD。 2. 甚高頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法（VHF-PECVD） 3.

10、熱絲化學(xué)氣相沉積（HW-CVD,30,全面分析,太陽能薄膜的性能表征,晉俊超,31,全面分析,薄膜結(jié)構(gòu)與形貌表征,薄膜的表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)對光生載流子的收集起著決定性的作用，光生載流子對薄膜的光電化學(xué)活性又起著決定性作用。 不同方法制備的薄膜組成和微結(jié)構(gòu)不同，薄膜的性能存在顯著的差異！應(yīng)對其表面結(jié)構(gòu)和形貌進行表征！以達到太陽薄膜光電轉(zhuǎn)化設(shè)計的最優(yōu)化,32,全面分析,1 薄膜結(jié)構(gòu)與形貌表征,紫外可見光分光光度計，測量薄膜的透光率。 利用薄膜厚度測試儀監(jiān)測膜厚或用稱重法計算出膜厚。 采用X射線衍射（XRD）測薄膜的晶相組成 研究非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)或是晶化，主要是通過測量Raman譜中TO模式的變化來實現(xiàn)的。

11、 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察成膜質(zhì)量、表面形貌、以及薄膜的析晶情況等,33,全面分析,1 薄膜結(jié)構(gòu)與形貌表征,用掃描電鏡自帶的電子能譜損失譜(EDS)測 定薄膜的組成元素分布和均勻性，結(jié)合電鏡形貌較準確的判定相關(guān)微區(qū)結(jié)構(gòu)的成分，通過計算獲得各組成成分的相對含量。 用原子力顯微鏡觀察Ti02薄膜的三維顯微圖像。 直流四探針法是測量薄膜材料的電阻率,34,全面分析,1 薄膜結(jié)構(gòu)與形貌表征,采用X射線衍射（XRD）測薄膜的晶相組成,掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜的表面形貌、顯微結(jié)構(gòu)及薄膜斷面、膜厚等,35,全面分析,1 薄膜結(jié)構(gòu)與形貌表征,用掃描電鏡自帶的電子能譜損失譜(EDS)測定薄膜的組成元

12、素分布和均勻性，結(jié)合電鏡形貌較準確的判定相關(guān)微區(qū)結(jié)構(gòu)的成分，通過計算獲得各組成成分的相對含量,用原子力顯微鏡觀察Ti02薄膜的三維顯微圖像,36,全面分析,電流電壓關(guān)系曲線(lV曲線)測量,電流 一 電壓關(guān)系曲線(I一V曲線)在工程科學(xué)中是極其重要而又常用的關(guān)系曲線，在太陽能電池的研究中，I一V曲線測量也是非常重要的研究手段,手動測量IV曲線電路圖,太陽能電池的光電流一光電壓曲線(I-V曲線)和功率一光電壓曲線,37,全面分析,DSSC電池的組裝及其光電性能測試,采用恒電位儀，檢流計，電阻箱及球形標準氙（AM 1.5）組成的測量系統(tǒng)來測量所組裝太陽能電池的性能。 以球形氙燈為光源對電池進行照射

13、，通過電阻箱來調(diào)節(jié)電阻，通過恒電位儀記錄開路電壓Voc，直流檢流計記錄短路電流Isc,38,全面分析,DSSC電池的測試,在 染 料 敏化太陽能電池中，通過I一V曲線測試可以得到的描述其光電性能的重要參數(shù)有以下幾個: 光電轉(zhuǎn)換效率IPCE 、短路電流Isc、開路電壓Voc 、填充因子FF 和電池的總效率 等。 光電轉(zhuǎn)換效率是入射單色光的光子變成電流的轉(zhuǎn)換效率（IPCE）。 短路電流是指電路處于短路（即電阻為零，只連接對電極和安培計）時的電流，它是光電池所能產(chǎn)生的最大光電流，此時的光電壓為零。 開路電壓Uoc 是指電路處于開路（即電阻為無窮大，只連接參比電極和伏特計）時的電壓，是光電池所能產(chǎn)生的

14、最大電壓，此時的電流為零,39,全面分析,DSSC電池的光電性能測試,當太陽能電池接上負載電阻后，太陽能電池的輸出電壓和電流隨著負載電阻的變化而變化，當負載電阻R=Rm 時，太陽能電池的輸出功率為最大，即最大功率Pm，對應(yīng)電壓Um 和電流Im，可知Pm = ImUm。 填充因子FF 是表征太陽能電池輸送電力的一個指標，將最大功率Pm 和Uoc 與Isc 之積的比值定義為填充因子FF，即FF = Pm / UocIscImUm /UocIsc 。 光生電流的效率即光電池總的光電轉(zhuǎn)換效率，定義為最大輸出功率和入射太陽光的能量（Pin）之比可通過下式來計算： 總= Pm / Pin,40,全面分析,

15、入射單色光的光電轉(zhuǎn)化效率（IPCE）測量,IPCE即入射單色光子電子轉(zhuǎn)化效率，定義為單位時間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)Ne與單位時間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比。測試IPCE曲線，可以了解被測的電池樣品在哪些波長范圍內(nèi)可以獲得較高的光子電子轉(zhuǎn)化效率，即可以得到該電池的光譜響應(yīng)情況,染料敏化太陽能電池IPCE曲線,41,全面分析,新型太陽能電池及展望,楊鳴春,42,全面分析,目前，市場上的太陽能電池主要以硅基太陽能電池為主，其中又以多晶硅電池為主流。 近年來，多晶硅原料價格的迅速攀升，使其成本進一步提高，多晶硅市場價由2005年的55美元每千克漲到2007年的400美元每千克，導(dǎo)致太陽能電池的發(fā)電成本

16、提高到56元每千瓦時，約為煤電成本的10倍，且項目投資高、能耗大，一般建1000t的工廠需要18個月的工期，投資額高達10億元以上,43,全面分析,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，太陽能薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率得到了迅速地提高，與晶體硅電池相比雖然還有較大的差距，但是其用料少、工藝簡單、能耗低、成本低等優(yōu)勢越來越被業(yè)界人士所接受,44,全面分析,目前太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向可以歸納為：薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及新概念太陽能電池（即染料敏化電池,45,全面分析,Click to add title in here,疊層電池,疊層太陽能電池的疊層結(jié)構(gòu) 可以拓寬吸收光譜（每一疊層單 元感光部分的光

17、響應(yīng)性能不同， 可分別吸收利用不同波段的太陽 光）；同時各器件間的耦合效應(yīng) 將整體的光能轉(zhuǎn)換效率達到更高 水平，從而最大限度地將光能變 成電能,46,全面分析,柔性電池,柔性電池通常采用柔韌的聚合物半導(dǎo)體作為感光組元組裝器件，或者采用導(dǎo)電的 柔性有機基板電極作為組 裝器件。 柔性電池能用在平板 類太陽能電池難以勝任的 許多領(lǐng)域，例如太陽能汽 車、飛機、飛艇、建筑、 紡織品、帳篷、服裝、頭 盔，玩具等特殊曲面上,47,全面分析,染料敏化太陽能電池,染料敏化太陽能電池被 稱為第三代太陽能電池太陽 能電池，其制備工藝簡單， 不需昂貴又耗能的高溫、高 真空處理，也不需要高純原 料，成本僅為硅基太陽能電 池的15110。可以做