第5章 光電材料

1、5.1 光電子發(fā)射材料光電子發(fā)射材料 5.2 光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料 5.3 光電動(dòng)勢(shì)材料光電動(dòng)勢(shì)材料 n光電材料是能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷囊活惸芰哭D(zhuǎn)換功 能材料。主要有光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料和 光電動(dòng)勢(shì)材料。 （1 1）光電子發(fā)射原理、光電導(dǎo)原理、光電）光電子發(fā)射原理、光電導(dǎo)原理、光電 動(dòng)勢(shì)原理動(dòng)勢(shì)原理 （2 2）光電子發(fā)射材料及其特征值）光電子發(fā)射材料及其特征值 （3 3）光電導(dǎo)材料及其特征值）光電導(dǎo)材料及其特征值 （4 4）光電動(dòng)勢(shì)材料及其特征值）光電動(dòng)勢(shì)材料及其特征值 5.1 光電材料原理光電材料原理 5.1.1、光電子光電子發(fā)射材料原理發(fā)射材料原理 n光電子發(fā)射材料又稱之為外光電效應(yīng)材料

2、。當(dāng)光 照射到材料上，光被材料吸收產(chǎn)生發(fā)射電子的現(xiàn) 象稱為光電子發(fā)射現(xiàn)象。 n具有這種現(xiàn)象的材料稱為光電子發(fā)射材料。 n光電子發(fā)射現(xiàn)象是光-電子能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 （一）光（一）光-電子能轉(zhuǎn)換效應(yīng)電子能轉(zhuǎn)換效應(yīng) 當(dāng)光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能 量克服電子結(jié)合能（E結(jié)合）和給予電子運(yùn)動(dòng)速 度（v）。依能量守恒原理，可以得到下式： 2 mv 2 1 Eh 結(jié)合 n當(dāng)v0時(shí)，上式可變?yōu)閔0=E結(jié)合，這時(shí)光能完全 用于克服電子的結(jié)合能。 （二）能帶結(jié)構(gòu)（二）能帶結(jié)構(gòu) n與能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。能帶結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 n對(duì)于固體材料來說，一般采用以下表示式： E結(jié)合= +Eg =+ n圖51 能帶結(jié)構(gòu)

3、圖 為導(dǎo)帶底到靜止自由電子能級(jí)差， 即是電子親和勢(shì)，=Ee-Ec； Ee為靜止自由電子能級(jí)，即導(dǎo)帶頂端能級(jí)； Ec為導(dǎo)帶底端能級(jí)； Eg為禁帶寬度，Eg=Ec-Ev； Ev為價(jià)帶頂端能級(jí)； 為費(fèi)米能級(jí)到靜止自由電子能級(jí)的能量差，也 即是逸出功，=Ee-EF； EF為費(fèi)米能級(jí)； 為價(jià)帶頂端到費(fèi)米能級(jí)的能量差，=EF-Ev。 E結(jié)合=+Eg=Ee-Ec+Ec-Ev=Ee-Ev=Ee-EF+EF-Ev =+ （a）對(duì)于金屬來說，因?yàn)榻饘贈(zèng)]有禁帶，所以導(dǎo) 帶和價(jià)帶重疊，趨近于零，因而 E結(jié)合=+Eg=+= E 結(jié) 合結(jié) 合主要取決于 主要取決于的大小的大小。的大小一般在 11.5eV之間。逸出功等于電

4、子親和勢(shì)，因此， 只要克服電子親和勢(shì)，電子便可逸出。 （b）對(duì)于半導(dǎo)體，價(jià)電子逸出體外的條件是價(jià)電 子吸收光子的能量以后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，然 后再向表面擴(kuò)散，它的能量如果大于 +Eg時(shí)，則 電子可以逸出體外。能量大于Eg的電子（只有處 于導(dǎo)帶上的電子）稱為熱電子。 E結(jié)合 結(jié)合主要取決于 主要取決于與與Eg之和之和。但是，對(duì)于熱電子 來說，電子逸出只要克服 。 為正時(shí)稱為正電 子親和勢(shì)。 為負(fù)時(shí)，稱為負(fù)電子親和勢(shì)。 二、光電子發(fā)射材料的種類二、光電子發(fā)射材料的種類 1 1、正電子親和勢(shì)陰極材料（、正電子親和勢(shì)陰極材料（ 00） 這類材料有單堿-銻正電子親和勢(shì)陰極材料，多堿- 銻正電子親和勢(shì)陰

5、極材料等。 2 2、負(fù)電子親和勢(shì)陰極材料（、負(fù)電子親和勢(shì)陰極材料（ 00） 這些材料包括硅、磷化鎵、銦化砷鎵、磷化砷鎵銦。 三、光電子發(fā)射材料的應(yīng)用三、光電子發(fā)射材料的應(yīng)用 利用光電子發(fā)射原理，可以把光電子發(fā)射材料做成 光電陰極。半導(dǎo)體負(fù)電子親和勢(shì)陰極廣泛地用于儀 器，工業(yè)，軍事等方面，與過去的多堿光陰極相比 有很大的優(yōu)越性。 一、光電導(dǎo)原理一、光電導(dǎo)原理 受光輻射電導(dǎo)急劇上升的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。 具有此現(xiàn)象的材料叫光電導(dǎo)材料，又稱作內(nèi)光電 效應(yīng)材料或光敏材料。 光照到半導(dǎo)體（或絕緣體）上，價(jià)帶的電子接受 能量，使電子脫離共價(jià)鍵。當(dāng)光的能量達(dá)到禁帶 寬度的能量值時(shí)，價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，因而

6、 在晶體中產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴，這兩種 載流子都參與導(dǎo)電。由于光的作用產(chǎn)生的附加電 導(dǎo)稱之為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。 按光電導(dǎo)原理也可以反過來了解禁帶寬度。當(dāng)光 的能量增加到一定值時(shí)，光電導(dǎo)急劇上升，此時(shí) 的光頻v與禁帶寬度的關(guān)系為Eg= h。 光電導(dǎo)這種附加的電導(dǎo)來自附加的載流子，這種 載流子可以來自帶間躍遷，也可以來自雜質(zhì)激發(fā)， 因此，光電導(dǎo)有本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)之分。 附加光電導(dǎo) =-0 式中：為光照時(shí)的電導(dǎo)率；0為無光照時(shí)的 電導(dǎo)率。 因此，要制成較靈敏的光敏電阻，要求/0 有較大的值。 三、光電導(dǎo)材料的種類三、光電導(dǎo)材料的種類 光電導(dǎo)材料可分為三大類： 1、光電導(dǎo)半導(dǎo)體:ZnO 2、光

7、電導(dǎo)陶瓷:CdS 3、有機(jī)高分子光導(dǎo)體:PNVC 四、光電導(dǎo)材料的應(yīng)用四、光電導(dǎo)材料的應(yīng)用 光電導(dǎo)材料主要是應(yīng)用光生載流子產(chǎn)生光導(dǎo)效 應(yīng)的原理，它常用作光探測(cè)的光敏感器件的材 料。 在光照下，半導(dǎo)體p-n結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差 的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。具有此效應(yīng)的材 料叫光生伏特材料，又稱光電動(dòng)勢(shì)材料。 光電動(dòng)勢(shì)原理，簡言之是在光照下，在光電 動(dòng)勢(shì)材料上形成阻擋層，兩面可以產(chǎn)生電動(dòng) 勢(shì)。太陽能電池和光生伏特檢測(cè)器都是光電 動(dòng)勢(shì)材料的重要應(yīng)用。 一、光電動(dòng)勢(shì)原理一、光電動(dòng)勢(shì)原理 （一）半導(dǎo)體p-n結(jié)的電子-空穴情況 如果像圖5-3那樣，一個(gè)n型半導(dǎo)體與一個(gè)p型半 導(dǎo)體接觸，將會(huì)在結(jié)的p側(cè)存在自由空穴

8、以及相 等濃度的（）電離受主雜質(zhì)原子，這樣才能保 持電中性。在結(jié)的n側(cè)存在自由電子以及相等數(shù) 目的（）電離施主雜質(zhì)原子。 n圖5-3 由單晶制成的p-n結(jié) 于是在p側(cè)多數(shù)載流子為空穴，在n側(cè)則相反，多 數(shù)載流子為電子，這種情況如圖54所示。 由圖54可見，在無外加電場(chǎng)時(shí)，結(jié)區(qū)的空穴濃 度和電子濃度的變化。載流子與受主和施主雜質(zhì) 原子處于熱平衡，因此，在晶體中各處空穴濃度 與電子濃度之和為常值，符合質(zhì)量作用規(guī)律。 n圖5-4 p-n結(jié)的載流子濃度 在每側(cè)都存在低濃度的少數(shù)載流子，與多數(shù)載流 子處于熱平衡。聚集在p側(cè)的空穴傾向于通過擴(kuò) 散均勻地分布滿整個(gè)晶體，電子傾向于從n側(cè)擴(kuò) 散出去。但是擴(kuò)散會(huì)

9、破壞電中性。一旦發(fā)生載流 子擴(kuò)散就必將引起少量電荷轉(zhuǎn)移，因而在p側(cè)留 下過量（）電離受主原子，而在n側(cè)留下過量 （）電離施主原子，如圖55所示。 n圖55 pn結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)圖 由此產(chǎn)生的電荷偶極層就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自n區(qū)指 向p區(qū)的電場(chǎng)，阻止繼續(xù)擴(kuò)散，維持兩種載流子類 型的分離。這種在pn結(jié)區(qū)附近由受主（）離 子與施主（）離子產(chǎn)生的靜電勢(shì)梯度阻止擴(kuò)散。 這種pn結(jié)區(qū)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)。 由于存在這種偶極層，晶體內(nèi)的靜電勢(shì)在p n結(jié)區(qū)就出現(xiàn)一個(gè)突變。在偶極層中，正電層和負(fù) 電層中的電子和空穴的數(shù)目都是很少的，因此它 的電阻很高，這一層稱為阻擋層，阻擋層起到阻 止電子和空穴擴(kuò)散的作用。有了阻擋層才能使擴(kuò)

10、 散達(dá)到平衡。 盡管有內(nèi)建電場(chǎng)存在，但是在整個(gè)pn結(jié)中 沒有剩余的空穴和電子，因此pn結(jié)中并無外場(chǎng) 電動(dòng)勢(shì)，外電場(chǎng)為零。 （二）光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 對(duì)于上述情況，如果光照射到pn結(jié)的接觸面時(shí)， 情況就大不一樣，這時(shí)pn結(jié)能夠吸收光子，由 于光激發(fā)而使電子和空穴激發(fā)。又由于有內(nèi)建電 場(chǎng)的存在，受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，空穴將向p區(qū) 移動(dòng)而積累，而電子則相反，向n區(qū)移動(dòng)而積累， 從而形成凈空間電荷。 這些空間電荷不能夠越過阻擋層而復(fù)合，這樣必 將有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。在這種情況下，pn結(jié)就形成 光電池。 5.1.4 光電動(dòng)勢(shì)材料的特征值光電動(dòng)勢(shì)材料的特征值 1、開路電壓V0 V0表示光電池在開路時(shí)的電壓。 2、短

11、路電流I0 I0表示光電池在外電路短路時(shí)的電流。 3、轉(zhuǎn)換效率 為光電池的最大輸出功率與入射到光電池結(jié) 面上的輻射功率之比。與禁帶寬度有關(guān)。一般 應(yīng)選擇禁帶寬度為0.91.5eV的材料做光電池。 是表征光生電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。 4、光譜響應(yīng)曲線 光譜響應(yīng)曲線是表示開路電壓、短路電流、轉(zhuǎn) 換效率與波長的關(guān)系曲線。 二、光電動(dòng)勢(shì)材料的種類二、光電動(dòng)勢(shì)材料的種類 光電池中最活躍的領(lǐng)域是太陽能電池，太陽 能電池所用的材料主要有以下幾種： 1、硅太陽能電池 硅太陽能電池可分為單晶硅、多晶硅和非晶 硅太陽能電池三種。 2、薄膜太陽能電池 3、陶瓷太陽能電池 4、金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）太陽能電池 5、

12、pn異質(zhì)結(jié)太陽能電池 三、光電動(dòng)勢(shì)材料的應(yīng)用三、光電動(dòng)勢(shì)材料的應(yīng)用 主要用于開發(fā)太陽能電池，但目前光電轉(zhuǎn)換 效率不高。 5.2.1 光電子發(fā)射材料的特征值光電子發(fā)射材料的特征值 1、臨閾頻率0（紅限0：波長上限，長波邊界） 每種光電子發(fā)射材料都有其臨閾頻率0，0為光 電子發(fā)射效應(yīng)的頻率下限。 由于h0=E結(jié)合，則0=E結(jié)合/h。v0時(shí)，材料才能發(fā)射光電子。 2、積分靈敏度S 積分靈敏度S定義為最大光電流I（A）與入射 光通量（lm）的比值，即 S=I/ 一般S=1020%，其中8090%損失掉。 圖5.2 S與關(guān)系圖 n4、靈敏閾 接受光輻射的裝置能夠發(fā)現(xiàn)的最小輻射量稱 為該裝置的靈敏閾。 n

13、3、光譜靈敏度 積分靈敏度S與波長有關(guān)。S與關(guān)系如圖5-2所 示。 5.2.2 光電導(dǎo)材料的特征值光電導(dǎo)材料的特征值 1、積分靈敏度S 積分靈敏度S代表光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，也就是 單位光入射通量產(chǎn)生的電導(dǎo)率的附加值的大小。 S=/。式中為入射光通量（lm），為電 導(dǎo)率。 2、光譜靈敏度 用S-光譜曲線表示光譜靈敏度。 3、靈敏閾 能測(cè)出該材料光電導(dǎo)的最小光輻射量稱為靈敏閾。 v序言序言 v太陽能電池簡介太陽能電池簡介 v太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理 v太陽能電池分類太陽能電池分類 v太陽能電池對(duì)材料的要求太陽能電池對(duì)材料的要求 v各類太陽能電池的制造方法及研究狀況各類太陽能電池的制造方

14、法及研究狀況 v利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn) v太陽能電池的展望太陽能電池的展望 1、地球每天接收的太陽能，相當(dāng)于整個(gè)世界 一年所消耗的總能量的200倍。太陽每秒發(fā) 出的能量就大約相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤完 全燃燒時(shí)所釋放出的全部熱量。 2、太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生 清潔能源。 太陽能電池是太陽能利用的重要途徑之一太陽能電池是太陽能利用的重要途徑之一 u 二十一世紀(jì)將是能源危機(jī)和能源革命的世紀(jì)。眾二十一世紀(jì)將是能源危機(jī)和能源革命的世紀(jì)。眾 所周知，世界上已探明的石油存儲(chǔ)量只能供應(yīng)所周知，世界上已探明的石油存儲(chǔ)量只能供應(yīng)4040至至5050 年，世界上石油儲(chǔ)量

15、年，世界上石油儲(chǔ)量67%67%在中東，我國在中東，我國20042004年進(jìn)口原油年進(jìn)口原油 1.21.2億噸和成品油億噸和成品油40004000萬噸。我國已探明煤炭儲(chǔ)存量約萬噸。我國已探明煤炭儲(chǔ)存量約 82008200億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，利用目前的工藝技術(shù)，可以安全開億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，利用目前的工藝技術(shù)，可以安全開 采的總儲(chǔ)量約采的總儲(chǔ)量約15001500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，20042004年我國煤炭能源年我國煤炭能源 消耗為消耗為19.619.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照目前能源消耗增長的速億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照目前能源消耗增長的速 率來計(jì)算的話，則我國的煤炭僅能夠滿足率來計(jì)算的話，則我國的煤炭僅能夠滿足303040

16、40年的年的 使用。常規(guī)能源是地球使用。常規(guī)能源是地球4646億年形成過程中，太陽給予億年形成過程中，太陽給予 地球能源的儲(chǔ)存，可是在我們幾代人的發(fā)展過程中，地球能源的儲(chǔ)存，可是在我們幾代人的發(fā)展過程中， 就將這種常規(guī)能源消耗殆盡，這不僅危及到我國的持就將這種常規(guī)能源消耗殆盡，這不僅危及到我國的持 續(xù)發(fā)展，而且也是危及到中華民族的能否繼續(xù)生存發(fā)續(xù)發(fā)展，而且也是危及到中華民族的能否繼續(xù)生存發(fā) 展的大事。展的大事。 u我國已決定發(fā)展核電，在未來十幾年內(nèi)將興建約我國已決定發(fā)展核電，在未來十幾年內(nèi)將興建約4040個(gè)百萬個(gè)百萬 千瓦級(jí)核電組，如果千瓦級(jí)核電組，如果20202020年我國電力裝機(jī)總量達(dá)到年

17、我國電力裝機(jī)總量達(dá)到9 9億千億千 瓦，則核電只占總裝機(jī)容量的幾個(gè)百分點(diǎn)，但是預(yù)計(jì)我國瓦，則核電只占總裝機(jī)容量的幾個(gè)百分點(diǎn)，但是預(yù)計(jì)我國 在按照目前的耗能情況比例上升，到在按照目前的耗能情況比例上升，到20202020年全國消耗常規(guī)年全國消耗常規(guī) 能源為能源為6060億噸，所排放的億噸，所排放的COCO2 2將高達(dá)將高達(dá)200200億噸以上，對(duì)人類億噸以上，對(duì)人類 的生存環(huán)境將造成嚴(yán)重的影響。我國天然鈾資源短缺，大的生存環(huán)境將造成嚴(yán)重的影響。我國天然鈾資源短缺，大 力進(jìn)口天然鈾，將會(huì)遇到更為嚴(yán)重的困難，人們還寄托希力進(jìn)口天然鈾，將會(huì)遇到更為嚴(yán)重的困難，人們還寄托希 望于釷，如果釷能發(fā)電，那將提

18、供我國上千年的能源需求，望于釷，如果釷能發(fā)電，那將提供我國上千年的能源需求， 但是釷能否實(shí)現(xiàn)象鈾一樣的發(fā)電，目前尚無結(jié)論。我國東但是釷能否實(shí)現(xiàn)象鈾一樣的發(fā)電，目前尚無結(jié)論。我國東 海、南海的能源開發(fā)有待積極進(jìn)行國際協(xié)作開發(fā)，其儲(chǔ)量海、南海的能源開發(fā)有待積極進(jìn)行國際協(xié)作開發(fā)，其儲(chǔ)量 尚未可知。常規(guī)能源的消耗量不可逆轉(zhuǎn)的，也是有盡時(shí)的。尚未可知。常規(guī)能源的消耗量不可逆轉(zhuǎn)的，也是有盡時(shí)的。 u 太陽能就是無污染的巨大能源，太陽實(shí)時(shí)給予地太陽能就是無污染的巨大能源，太陽實(shí)時(shí)給予地 球的能量是人類每天所消耗的能量的上萬倍，其中球的能量是人類每天所消耗的能量的上萬倍，其中 70%70%以上的能量是給予了大

19、海，陸地的降雨量、沿海以上的能量是給予了大海，陸地的降雨量、沿海 的臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)都是太陽能轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)形式。據(jù)專家計(jì)的臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)都是太陽能轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)形式。據(jù)專家計(jì) 算，我國陸地每年接受太陽輻射的能量約為算，我國陸地每年接受太陽輻射的能量約為2400024000億億 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這是取之不盡、用之不竭的綠色能源。問噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這是取之不盡、用之不竭的綠色能源。問 題是應(yīng)該盡快地研制出價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)換效率較高的光題是應(yīng)該盡快地研制出價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)換效率較高的光 伏電池。目前的太陽能電池每三千瓦約需一萬美元，伏電池。目前的太陽能電池每三千瓦約需一萬美元， 價(jià)格十分昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過我們的國家和人民所能承價(jià)格十分昂

20、貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過我們的國家和人民所能承 受的極限。研制廉價(jià)和轉(zhuǎn)化效率高的太陽能電池的歷受的極限。研制廉價(jià)和轉(zhuǎn)化效率高的太陽能電池的歷 史使命就責(zé)無旁貸地落在光電子科技工作者的肩上。史使命就責(zé)無旁貸地落在光電子科技工作者的肩上。 太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生 的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。 地球赤道的周長為地球赤道的周長為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得，從而可計(jì)算出，地球獲得 的能量可達(dá)的能量可達(dá)173,000TW（1tw=1012w）。）。在海平面上在海平面上 的

21、標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)，地球表面某一點(diǎn)24h的年平的年平 均輻射強(qiáng)度為均輻射強(qiáng)度為0.20kw/m2，相當(dāng)于有，相當(dāng)于有102,000TW 的能量，的能量， 人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式 的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總 量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽 能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是 開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。

22、太陽能的這些特點(diǎn)開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點(diǎn) 會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層 的能量僅為其總輻射能量（約為的能量僅為其總輻射能量（約為3.751026W）的）的22億分之一，但已高億分之一，但已高 達(dá)達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500 萬噸煤萬噸煤 它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：它同以往其他電源

23、發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)： 無枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電無枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電 處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。 10% 24% 40% 26% 傳統(tǒng)礦石能源傳統(tǒng)礦石能源 不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭 可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺堋⒊毕堋⑻柲艿瓤稍偕茉矗猴L(fēng)能、地?zé)崮堋⑺堋⒊毕堋⑻柲艿?資源豐富、利用方便、潔凈無污染資源豐富、利用方便、潔凈無污染 石油石油 煤煤 天然氣天然氣 世界的能源結(jié)構(gòu)世界的能源結(jié)構(gòu) 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整 太陽能利用的

24、重要途徑之一是研制太陽能電池！太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！ 每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸 礦石能源開采高峰20202030年 世界和中國主要常規(guī)能 源儲(chǔ)量預(yù)測(cè) 19541954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太 陽能電池，效率為陽能電池，效率為4%4%，于，于19581958年應(yīng)用到美國的先鋒年應(yīng)用到美國的先鋒1 1 號(hào)人造衛(wèi)星上。號(hào)人造衛(wèi)星上。 太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場(chǎng)合進(jìn)入到地面太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場(chǎng)合進(jìn)入到地面 應(yīng)用中。一個(gè)應(yīng)用中。一個(gè)4KW4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿足普通的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿

25、足普通 家庭的用電需要，每年少排放的家庭的用電需要，每年少排放的COCO2 2的數(shù)量相當(dāng)于一的數(shù)量相當(dāng)于一 輛家庭轎車的年排放量。輛家庭轎車的年排放量。 由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在太陽由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在太陽 能電池的價(jià)格不到能電池的價(jià)格不到2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代的年代的1%1%。預(yù)期。預(yù)期1010年內(nèi)太年內(nèi)太 陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與 火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。目前，年均增長率火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。目前，年均增長率35%35%，是能源技術(shù)，是能源技術(shù) 領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。 光伏效應(yīng)

26、 太陽光譜圖太陽光譜圖 太陽能電池的發(fā)電原理是基于光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect) 由太陽光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì)。 UV Visible Infrared 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電 效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下： 圖圖中，正電荷表示硅原子，中，正電荷表示硅原子， 負(fù)電荷負(fù)電荷表示圍繞在硅表示圍繞在硅原子原子 旁邊的四個(gè)電子。旁邊的四個(gè)電子。 太陽能電池利用原理 采用采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)型半導(dǎo) 體與體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通

27、常是硅或鍺）型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺） 基片上基片上,在它們的交界面就在它們的交界面就形成形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱稱PN結(jié)。結(jié)。 P型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（P指指positive，帶正電的）：由單晶硅通，帶正電的）：由單晶硅通 過特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)過特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi) 部形成帶正電部形成帶正電的的空穴空穴； N型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（N指指negative，帶負(fù)電的）：由單晶硅通，帶負(fù)電的）：由單晶硅通 過特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)過特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi) 部形成帶負(fù)電的自由電子；部形成帶負(fù)電

28、的自由電子； 當(dāng)當(dāng)晶片受光后，晶片受光后，PN結(jié)中，結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往型半導(dǎo)體的空穴往P 型區(qū)移動(dòng)，而型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成型區(qū)移動(dòng)，從而形成 從從N型區(qū)到型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，結(jié)中形成電勢(shì)差， 這就形成了電源。這就形成了電源。 1 1、硅系太陽能電池硅系太陽能電池 2 2、多元化合物薄膜太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池 3 3、有機(jī)薄膜太陽能電池有機(jī)薄膜太陽能電池 4 4、染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池 據(jù)所用材料分據(jù)所用材料分 砷化鎵砷化鎵III-VIII-V化合物化合物 硫化鎘硫化鎘 銅銦硒銅

29、銦硒 單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池 多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池 非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池 無機(jī)太陽能電池?zé)o機(jī)太陽能電池 半導(dǎo)體硅半導(dǎo)體硅 ( (單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等） 化合物半導(dǎo)體（化合物半導(dǎo)體（GaAsGaAs、CuInSeCuInSe2 2、CdTeCdTe、InPInP等）等） 有機(jī)太陽能電池有機(jī)太陽能電池 有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對(duì)苯乙炔等）有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對(duì)苯乙炔等） 染料敏化（光化學(xué)）太陽能電池（染料敏化（光化學(xué)）太陽能電池（納米納米TiOTiO2 2等）等） 按照所用材料的不同按照所用材料的不

30、同： 半導(dǎo)體中可以利用各種勢(shì)壘如半導(dǎo)體中可以利用各種勢(shì)壘如p-np-n結(jié)、肖特基勢(shì)壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏結(jié)、肖特基勢(shì)壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏 效應(yīng)。效應(yīng)。 當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載 流子，所產(chǎn)生的電子流子，所產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù)空穴對(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù) 電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流 向電負(fù)載。向電負(fù)載。 工作原理 無機(jī)太陽能電池研究進(jìn)展 表表1 1 無機(jī)太陽能

31、電池的性能及應(yīng)用無機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用 有機(jī)太陽能電池，顧名有機(jī)太陽能電池，顧名 思義，就是由有機(jī)材料思義，就是由有機(jī)材料 構(gòu)成核心部分的太陽能構(gòu)成核心部分的太陽能 電池電池 。 研究進(jìn)展研究進(jìn)展: : 美國加州伯克利美國加州伯克利 分?？茖W(xué)家在分校科學(xué)家在20022002年利用塑年利用塑 料納米技術(shù)研制出第一代塑料納米技術(shù)研制出第一代塑 料太陽能電池，可以安裝在料太陽能電池，可以安裝在 一系列便攜式設(shè)備及可穿戴一系列便攜式設(shè)備及可穿戴 式電子設(shè)備上。提供式電子設(shè)備上。提供0.7V0.7V的的 電壓電壓。 特點(diǎn)：價(jià)格低、易成型，通特點(diǎn)：價(jià)格低、易成型，通 過 化 學(xué) 修 飾 調(diào) 控 性 能

32、 。過 化 學(xué) 修 飾 調(diào) 控 性 能 。 染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作 用原理，研制出來的一種新型太陽電池，用原理，研制出來的一種新型太陽電池， 其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、 工藝技術(shù)相對(duì)簡單，在大面積工業(yè)化生工藝技術(shù)相對(duì)簡單，在大面積工業(yè)化生 產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料 和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分 材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類 環(huán)境具有重要的意義。自從環(huán)境具有重要的意義。自從1991199

33、1年瑞士年瑞士 洛桑高工（洛桑高工（EPFLEPFL）M. GrtzelM. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的教授領(lǐng)導(dǎo)的 研究小組在該技術(shù)上去的突破以來，歐、研究小組在該技術(shù)上去的突破以來，歐、 美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。 染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到1919 世紀(jì)早期的照相術(shù)。世紀(jì)早期的照相術(shù)。 18371837年，年，DaguerreDaguerre制出了世界上第一張照片。制出了世界上第一張照片。 兩年后，兩年后，F(xiàn)ox TalbotFox Talbot將鹵化銀用于照片制作，將鹵化銀用于照片制作， 但是由于鹵化

34、銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長 波可見光，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提波可見光，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提 高。高。 18831883年，德國光電化學(xué)專家年，德國光電化學(xué)專家VogelVogel發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料 能使鹵化銀乳狀液對(duì)更長的波長敏感，這是對(duì)能使鹵化銀乳狀液對(duì)更長的波長敏感，這是對(duì) 染料敏化效應(yīng)的最早報(bào)導(dǎo)。使用有機(jī)染料分子染料敏化效應(yīng)的最早報(bào)導(dǎo)。使用有機(jī)染料分子 可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對(duì)可見光的響應(yīng)范圍可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對(duì)可見光的響應(yīng)范圍 到紅光甚至紅外波段，這使得到紅光甚至紅外波段，這使得“全色全色”寬譜黑寬譜黑 白膠片乃至現(xiàn)

35、在的彩色膠片成為可能。白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。 18871887年，年，MoserMoser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電 極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸 到光電化學(xué)領(lǐng)域。到光電化學(xué)領(lǐng)域。19641964年，年，NambaNamba和和HishikiHishiki發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 同一種染料對(duì)照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是同一種染料對(duì)照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是 染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時(shí)不能確定其染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時(shí)不能確定其 機(jī)理，即不確定敏化到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是機(jī)理，即不確定敏化

36、到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是 通過能量的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。直到通過能量的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。直到2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代， 德國的德國的TributschTributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在 一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，才使人們認(rèn)識(shí)到光一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，才使人們認(rèn)識(shí)到光 照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入 半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根 本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。 但是由于當(dāng)時(shí)的光電化學(xué)電池采用

37、的是致密半但是由于當(dāng)時(shí)的光電化學(xué)電池采用的是致密半 導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單 層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻 礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá)礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá) 不到應(yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆?；虿坏綉?yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆?；?表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一 直沒有取得非常理想的效果。直沒有取得非常理想的效果。 19911991年年， Grtzel Grtzel在在OReganORegan的啟發(fā)

38、下，應(yīng)用了的啟發(fā)下，應(yīng)用了 OReganORegan制備的比表面積很大的納米制備的比表面積很大的納米TiO2TiO2顆粒，顆粒， 使電池的效率一舉達(dá)到使電池的效率一舉達(dá)到7.9 %7.9 %，取得了染料敏化，取得了染料敏化 太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說，納米技太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說，納米技 術(shù)促進(jìn)了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。術(shù)促進(jìn)了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。 染料敏化太陽能電池（染料敏化太陽能電池（DSSCsDSSCs） 電池結(jié)構(gòu) 陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜染料敏化半導(dǎo)體薄膜 TiO2、 、染料 染料 陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃鍍鉑的導(dǎo)電玻璃 ORegan B.and Grtzel M.

39、, Nature, 1991,353,737740 半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定 種類種類材料材料 太陽能太陽能 單電池單電池 效率效率 太陽能太陽能 電池模電池模 塊效率塊效率 主要制備主要制備 方法方法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 硅系硅系 太陽太陽 能電能電 池池 單晶單晶 硅硅 151524%24%131320%20% 表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu) 化化 發(fā)射區(qū)鈍發(fā)射區(qū)鈍 化化 分區(qū)摻雜分區(qū)摻雜 效率最高效率最高 技術(shù)成熟技術(shù)成

40、熟 工藝繁工藝繁 瑣瑣 成本高成本高 多晶多晶 硅硅 a a 101017%17%101015%15% 化學(xué)氣相化學(xué)氣相 沉積法沉積法 液相外延液相外延 法法 濺射沉積濺射沉積 法法 無效率衰退無效率衰退 問題問題 成本遠(yuǎn)低于成本遠(yuǎn)低于 單晶硅單晶硅 效率低效率低 于單晶于單晶 硅硅 非晶非晶 硅硅 8 813%13%510% 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射 法法 PECVDPECVD法法 LPCVDLPCVD法法 成本較低成本較低 轉(zhuǎn)換效率較轉(zhuǎn)換效率較 高高 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 不高不高 種類種類材料材料 單電單電 池效池效 率率 模塊效率模塊效率 主要制備主要制備 方法方法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) 多元化合多元化合

41、 物薄膜太物薄膜太 陽能電池陽能電池 砷化鎵砷化鎵 1919 32%32% 232330%30% MOVPEMOVPE和和 LPELPE技術(shù)技術(shù) 效率較高效率較高 成本較單成本較單 晶硅低晶硅低 易于規(guī)模易于規(guī)模 生產(chǎn)生產(chǎn) 原材料鎘原材料鎘 有劇毒有劇毒 碲化鎘碲化鎘 1010 15%15% 7 710%10% 銅銦硒銅銦硒 1010 12%12% 8 810%10% 真空蒸鍍真空蒸鍍 法和硒化法和硒化 法法 價(jià)格低廉價(jià)格低廉 性能良好性能良好 工藝簡單工藝簡單 原材料來原材料來 源比較有源比較有 限限 納米晶化學(xué)太陽能電池納米晶化學(xué)太陽能電池8 811%11%8%8% 溶膠凝膠溶膠凝膠 法法

42、 水熱反應(yīng)水熱反應(yīng) 濺射法濺射法 成本低廉成本低廉 工藝簡單工藝簡單 性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定 有機(jī)薄膜太陽能電池有機(jī)薄膜太陽能電池 3 35%5% 處于研發(fā)處于研發(fā) 當(dāng)中當(dāng)中 易制作易制作 材料廣泛材料廣泛 成本低成本低 壽命短壽命短 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 屬于可再生能源，不必屬于可再生能源，不必 擔(dān)心能源枯竭擔(dān)心能源枯竭 太陽能本身并不會(huì)給地太陽能本身并不會(huì)給地 球增加熱負(fù)荷球增加熱負(fù)荷 運(yùn)行過程中低污染、平運(yùn)行過程中低污染、平 穩(wěn)無噪音穩(wěn)無噪音 發(fā)電裝置需要極少的維發(fā)電裝置需要極少的維 護(hù)護(hù), ,壽命可達(dá)壽命可達(dá)2020年年 所產(chǎn)生的電力既可供家所產(chǎn)生的電力既可供家 庭單獨(dú)使用也可并入電庭單獨(dú)使用也可并

43、入電 網(wǎng)網(wǎng) 用途廣泛用途廣泛 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 受地域及天氣影響較大受地域及天氣影響較大 由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會(huì)占由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會(huì)占 去較大的面積去較大的面積 光電轉(zhuǎn)化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式光電轉(zhuǎn)化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式 偏高偏高 目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶 態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達(dá)態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達(dá) 0以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換 效率最低，但價(jià)格最便宜，今后最有希望用于一般效率最低，但價(jià)格最便宜，今后

44、最有希望用于一般 發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變 換效率達(dá)到換效率達(dá)到0，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到美美 元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。 當(dāng)然當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽電池效率，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽電池效率 要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體 同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池，光電變換同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池，光電變換 效率可達(dá)，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是效率可達(dá)，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是 由于它太貴，

45、目前只能限于在衛(wèi)星上使用。由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。 八、太陽能電池的展望八、太陽能電池的展望 uIII-VIII-V族化合物及族化合物及銅銦硒銅銦硒等系由稀有元素所制備，等系由稀有元素所制備， 但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導(dǎo)地但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導(dǎo)地 位。位。 u另兩類電池染料敏化太陽能電池和有機(jī)薄膜太陽能另兩類電池染料敏化太陽能電池和有機(jī)薄膜太陽能 電池，它們的研究剛剛起步，短時(shí)間內(nèi)不可能替代電池，它們的研究剛剛起步，短時(shí)間內(nèi)不可能替代 硅系太陽能電池。硅系太陽能電池。 u從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，多晶硅和非晶硅從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，

46、多晶硅和非晶硅 薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo) 產(chǎn)品。產(chǎn)品。 u今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中 在如何降低成本上來，近來國外曾采用某些技術(shù)制在如何降低成本上來，近來國外曾采用某些技術(shù)制 得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達(dá)得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達(dá) 到降低成本的目的，效果還是比較理想的到降低成本的目的，效果還是比較理想的。 太陽能電池在航天技術(shù)發(fā)展中有著不可替代的作用。太陽能電池在航天技術(shù)發(fā)展中有著不可替代的作用。 由于材料與器材結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)由于材料

47、與器材結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā), ,太陽電能池的太陽電能池的 地面應(yīng)用的潛在能力得到了發(fā)揮。地面應(yīng)用的潛在能力得到了發(fā)揮。 從微觀上認(rèn)識(shí)光伏太陽能電池的本質(zhì)，開展原位表從微觀上認(rèn)識(shí)光伏太陽能電池的本質(zhì)，開展原位表 征和超快時(shí)間分辨技術(shù)研究光生電子的遷移傳輸規(guī)征和超快時(shí)間分辨技術(shù)研究光生電子的遷移傳輸規(guī) 律，為人們?cè)O(shè)計(jì)較高光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料及律，為人們?cè)O(shè)計(jì)較高光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料及 染料敏化劑提供理論指導(dǎo)。染料敏化劑提供理論指導(dǎo)。 太陽能的開發(fā)利用是人類進(jìn)入太陽能的開發(fā)利用是人類進(jìn)入2121世紀(jì)必須解決的難世紀(jì)必須解決的難 題。題。太陽能電池作為清潔太陽能轉(zhuǎn)換裝置將有利于太陽能電池作為清潔太陽

48、能轉(zhuǎn)換裝置將有利于 緩解世界的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。太陽能電池緩解世界的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。太陽能電池 的研究有著重要的意義。的研究有著重要的意義。 1、傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，嚴(yán)重的環(huán) 境污染制約了世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。 2、能源的需求有增無減，能源資源已成為重 要的戰(zhàn)略物資。 3、太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的 可再生 能源。 4、世界各國競(jìng)相出臺(tái)發(fā)展可再生能源的扶持 政策、法令、法規(guī)。 5、從2006年1月1開始，我國可再生能源法 開始實(shí)施。 根據(jù)歐盟的預(yù)測(cè)：根據(jù)歐盟的預(yù)測(cè)： 到到20302030年年 太陽能太陽能發(fā)電將占總能耗發(fā)電將占總能耗10%10%以上以上 可再生能

49、源可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占在總能源結(jié)構(gòu)中占30%30% 到到20502050年年 太陽能太陽能發(fā)電將占總能耗發(fā)電將占總能耗20%20% 可再生能源可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占在總能源結(jié)構(gòu)中占50%50%以上以上 1 1、世界光伏電池產(chǎn)量快速增長，最近年的、世界光伏電池產(chǎn)量快速增長，最近年的 平均增長速度超過平均增長速度超過0%0%。 20052005年世界太陽電池產(chǎn)量達(dá)到年世界太陽電池產(chǎn)量達(dá)到1650MW1650MW， 比比20042004增加了增加了38%38%。日本光伏電池產(chǎn)量再次。日本光伏電池產(chǎn)量再次 領(lǐng)先增長到領(lǐng)先增長到762MW762MW，增長率為，增長率為27%27%；歐洲產(chǎn)；歐洲

50、產(chǎn) 量增加量增加48%48%，達(dá)到，達(dá)到464MW464MW；美國增加；美國增加12%12%，達(dá)，達(dá) 到到156MW156MW；世界其他地區(qū)增加；世界其他地區(qū)增加96%96%，達(dá)到，達(dá)到 274MW274MW。 二、世界光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用特點(diǎn)二、世界光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用特點(diǎn) 公司公司2005年產(chǎn)量年產(chǎn)量排名排名2006年預(yù)測(cè)產(chǎn)量年預(yù)測(cè)產(chǎn)量排名排名 夏普夏普428 MW兆兆 瓦瓦 1500 MW1 Q-Cells166 MW2234 MW2 京瓷京瓷142 MW3175 MW3 三洋三洋125 MW4150 MW4 三菱三菱100 MW5125 MW6 肖特肖特95 MW6110 MW7 BP太陽能太陽能

51、86 MW7105 MW10 尚德尚德82 MW8150 MW4 茂迪茂迪60 MW9110 MW7 Detsche cell 包括殼牌太陽能包括殼牌太陽能 96 MW 殼牌太陽能殼牌太陽能 59 10110 MW7 2 2、在光伏應(yīng)用和安裝方面，德日美依然是、在光伏應(yīng)用和安裝方面，德日美依然是 世界三個(gè)最大最主要的光伏應(yīng)用市場(chǎng)。世界三個(gè)最大最主要的光伏應(yīng)用市場(chǎng)。 20052005年全球安裝太陽電池組件年全球安裝太陽電池組件1460MW,1460MW, 比前一年增長了比前一年增長了34%34%。德國安裝。德國安裝837MW,837MW,比比 前一年增長了前一年增長了53%53%；占世界安裝量的

52、；占世界安裝量的57%57%； 日本安裝日本安裝292MW,292MW,比前一年增長了比前一年增長了14% 14% ，占，占 世界安裝量的世界安裝量的20%20%；美國安裝；美國安裝102MW102MW，占世，占世 界安裝量的界安裝量的7%7%；歐洲其它地區(qū)安裝；歐洲其它地區(qū)安裝88MW88MW， 占世界安裝量的占世界安裝量的6%6%；世界其它地區(qū)安裝；世界其它地區(qū)安裝 146MW146MW，占世界安裝量的，占世界安裝量的10%10%。 2005年世界各地光伏安裝量及所占比例 地區(qū)地區(qū)2005年安裝年安裝 量（量（MW） 德國德國837 日本日本292 美國美國102 歐洲其它地區(qū)歐洲其它地區(qū)

53、88 世界其它地區(qū)世界其它地區(qū)146 3 3、晶體硅太陽電池繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，、晶體硅太陽電池繼續(xù)保持領(lǐng)先地位， 占據(jù)了占據(jù)了90%90%以上的份額，其中多晶硅太以上的份額，其中多晶硅太 陽電池的份額為陽電池的份額為52.3%52.3%，單晶硅為，單晶硅為 38.3%38.3%，帶硅，帶硅/ /片硅電池片硅電池2.9%2.9%。預(yù)計(jì)今。預(yù)計(jì)今 后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導(dǎo)地位。后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導(dǎo)地位。 1999200020012002200320042005 單晶硅單晶硅40.837.434.636.432.236.238.3 多晶硅多晶硅42.148.250.251.657.254.752

54、.3 帶硅帶硅/片硅片硅4.14.35.64.64.43.32.9 非晶硅非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7 銻化鎘銻化鎘0.50.30.50.71.11.11.6 銅銦化錫銅銦化錫0.20.20.20.20.60.40.2 年份年份200420052006(e)2007(e)2008(e) 全球硅料產(chǎn)量全球硅料產(chǎn)量(噸噸)2800032000360004200052000 半導(dǎo)體消耗量半導(dǎo)體消耗量(噸噸)1800018000189001984520837 太陽能硅料太陽能硅料(噸噸)1000014000171002215531163 每瓦消耗量每瓦消耗量(克克)1312111

55、110 硅片產(chǎn)量硅片產(chǎn)量(MW)7691167155520142833 電池片產(chǎn)量電池片產(chǎn)量(MW)900137382923703333 電池片需求量電池片需求量(MW)12001560202826363427 供需缺口供需缺口(MW)30018719926794 公司名稱公司名稱產(chǎn)量產(chǎn)量(噸噸)擴(kuò)產(chǎn)后的產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)后的產(chǎn)能(噸噸) 20042005200620072008 Hemlock(美國美國)7000740077001000011000 Wacker(德國德國)50005000550065009000 Tokuyama(日本日本)52005200540054008400 MEMC(美國美國/意大利意大利