第五章太陽能電池材料

1、Outline背景及發(fā)展歷程背景及發(fā)展歷程1基本原理基本原理2電池分類電池分類4發(fā)展前景發(fā)展前景5電池應用電池應用3第五章第五章 太陽能電池材料太陽能電池材料能源枯竭能源枯竭 石油：石油：4242年，天然氣：年，天然氣：6767年，煤：年，煤：200200年年 。環(huán)境污染環(huán)境污染 每年排放的二氧化碳達每年排放的二氧化碳達210210萬噸，并呈上升趨勢，造成萬噸，并呈上升趨勢，造成 全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重 影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。 CxHy + O2 H2O

2、+ CO2 + SO2 + NOx 太陽能電池發(fā)展背景太陽能電池發(fā)展背景 資源豐富資源豐富 4040分鐘照射地球輻射的能量分鐘照射地球輻射的能量全球人類一年的能量需求全球人類一年的能量需求太陽能電池發(fā)展背景太陽能電池發(fā)展背景 潔凈能源潔凈能源與與 石石 油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應溫室效應”，也不會造成環(huán)境污染也不會造成環(huán)境污染 使用方便使用方便同水能、風能等新能源相比，不受地域的限制，利用同水能、風能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。成本低。太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點p 1893年年 法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效

3、應光生伏特效應”，即，即“光光伏效應伏效應”。p 1954年年 恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽能電池，效率為單晶太陽能電池，效率為6%。 同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽能電池。膜太陽能電池。p 1958年年 太陽能電池首次在空間應用，裝備美國先鋒太陽能電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星號衛(wèi)星電源。電源。太陽能電池發(fā)展歷史太陽能電池發(fā)展歷史太陽能電池基本原理太陽能電池基本原理1 本征半導

4、體本征半導體n 本征半導體的原子結構及共價鍵本征半導體的原子結構及共價鍵圖1.1 硅和鍺的原子結構和共價鍵結構 n 本征激發(fā)和兩種載流子本征激發(fā)和兩種載流子 溫度越高，半導體材料中產生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。 本征半導體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.2所示為本征激發(fā)所產生的電子空穴對。2 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中加入微量雜質，可使其導電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質的性質不同，雜質半導體分為兩類：電子型（N型）半導體和空穴型（P型）半導體。n N型半導體型半導體在硅（或鍺）半導體晶體中，摻入微量的五價元

5、素，如磷（P）、砷（As）等，則構成N型半導體。 N型半導體中，自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。N型半導體主要靠自由電子導電型半導體主要靠自由電子導電。圖1.3 N型半導體的共價鍵結構 n P型半導體型半導體 在硅（或鍺）半導體晶體中，摻入微量的三價元素，如硼（B）、銦（In）等，則構成P型半導體。 P型半導體中，空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導體主要靠空穴導電型半導體主要靠空穴導電。圖1.4 P型半導體共價鍵結構 3. PN結的形成結的形成 多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運動稱為擴散運動，如圖1.5所示。圖1.5 P型和N型半導體交界

6、處載流子的擴散 由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴散的結果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結，如圖1.6所示。圖1.6 PN結的形成 P P型半導體型半導體n n型半導體型半導體V 當太陽光入射到太陽電池表面上后當太陽光入射到太陽電池表面上后, ,所吸收得能量大于禁帶所吸收得能量大于禁帶寬度，在寬度，在p-np-n結中產生電子結中產生電子- -空穴對，在空穴對，在p-np-n結內建電場作用下，結內建電場作用下，空穴向空穴向p p區(qū)移動，電子向區(qū)移動，電子向n n區(qū)移動，從而在區(qū)移動，從而在p p區(qū)

7、形成空穴積累，在區(qū)形成空穴積累，在n n區(qū)形成電子積累。若電路閉合，形成電流。區(qū)形成電子積累。若電路閉合，形成電流。單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池 太陽能電池的分類太陽能電池的分類（按基體材料分（按基體材料分 ）太陽能電池太陽能電池硅太陽能電池硅太陽能電池 單晶化合物太陽能電池單晶化合物太陽能電池 多晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池 非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池 結晶系太陽能電池結晶系太陽能電池無機化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池 有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池 p第一代：單晶硅和多晶硅兩種第一代：單晶硅和多晶硅兩種單晶硅電池轉換效率

8、最高，但生產成本高。單晶硅電池轉換效率最高，但生產成本高。p第二代：薄膜太陽能電池第二代：薄膜太陽能電池基于薄膜技術基礎之上，主要采用非晶硅及氧化物等為基于薄膜技術基礎之上，主要采用非晶硅及氧化物等為材料。效率比第一代低，但生產成本最低。材料。效率比第一代低，但生產成本最低。p第三代：化合物薄膜太陽能電池（銅銦硒第三代：化合物薄膜太陽能電池（銅銦硒（CIS）等及薄膜）等及薄膜Si系太陽能電池。系太陽能電池。轉化效率高，低成本，存在潛在龐大的經(jīng)濟效應。轉化效率高，低成本，存在潛在龐大的經(jīng)濟效應。太陽能電池的分類太陽能電池的分類硅太陽能電池硅太陽能電池（按基體材料分（按基體材料分 ）(1)單晶硅太

9、陽能電池單晶硅太陽能電池 (Single Crystaline-Si) 單晶硅太陽能電池制造工程由單晶硅太陽能電池制造工程由電池片工程和模板工程組成。電池片工程和模板工程組成。p電池片工程大致可分為如下電池片工程大致可分為如下三部分：三部分： 從原材料制造單晶硅棒。從原材料制造單晶硅棒。 將單晶硅棒切斷，加工成半圓片將單晶硅棒切斷，加工成半圓片狀。狀。 形成形成pn結、加入電極，制成電池結、加入電極，制成電池片。片。 生產工藝：生產工藝： 導電玻璃導電玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 檢測檢測 鍍鋁電極鍍鋁電極 沉積沉積PN結結 老化老化 檢測檢測 封裝封裝 成品檢測成品檢測單晶硅太陽能電池單晶硅

10、太陽能電池(2)多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池(Polycrystaline-Si) 在制作多晶硅太陽能電池時，作為在制作多晶硅太陽能電池時，作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅錠，然后使用切割后澆鑄成正方形的硅錠，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。機切成薄片，再加工成電池。 多晶硅薄膜是由許多大小不等和具多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構成的。其晶有不同晶面取向的小晶粒構成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百粒尺寸一般約在幾十至幾百nm級，大級，大顆粒尺寸可達顆粒尺寸可達m級。級。 多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池

11、(3)非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池(Amorphous-Si) 非晶硅非晶硅(又稱又稱 -Si)太陽能電池一般太陽能電池一般是用是用高頻輝光放電高頻輝光放電等方法使硅烷等方法使硅烷(SiH4)氣體分解沉積而成的。非晶硅的禁帶氣體分解沉積而成的。非晶硅的禁帶寬度為寬度為1.7eV，通過摻硼或摻磷可得到，通過摻硼或摻磷可得到P型型 -Si或或N型型 -Si。 非晶硅中由于原子排列缺少結晶非晶硅中由于原子排列缺少結晶硅中的規(guī)則性，缺陷多，因此單純的硅中的規(guī)則性，缺陷多，因此單純的非晶硅非晶硅P-N結中，隧道電流往往占主結中，隧道電流往往占主導地位，使其呈現(xiàn)無整流特性，不能導地位，使其呈現(xiàn)無整流特

12、性，不能制作太陽能電池。制作太陽能電池。 三種硅基太陽能電池性能分析三種硅基太陽能電池性能分析種類種類優(yōu)勢優(yōu)勢劣勢劣勢轉換效率轉換效率單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池轉化效率最高，技術最為轉化效率最高，技術最為成熟成熟硅消耗量大，成本高，工藝硅消耗量大，成本高，工藝復雜復雜16%-20%16%-20%多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池轉化效率較高轉化效率較高多晶硅生產工藝復雜，供應多晶硅生產工藝復雜，供應受限制受限制14%-16%14%-16%非晶硅薄膜太陽能非晶硅薄膜太陽能電池電池成本低，可大規(guī)模生產成本低，可大規(guī)模生產轉換效率不高，光致衰退效轉換效率不高，光致衰退效應應9%-13%9%-13

13、% (4)微晶硅微晶硅(c-Si)太陽能電池太陽能電池 非晶硅對紅外區(qū)域太陽輻射不非晶硅對紅外區(qū)域太陽輻射不敏感，本身具有光致衰退效應，穩(wěn)敏感，本身具有光致衰退效應，穩(wěn)定性不好，在非晶硅薄膜基礎上經(jīng)定性不好，在非晶硅薄膜基礎上經(jīng)退火處理得到微晶硅薄膜太陽能電退火處理得到微晶硅薄膜太陽能電池，穩(wěn)定性和光轉換效率得到提高。池，穩(wěn)定性和光轉換效率得到提高。（禁帶寬度接近單晶硅，為（禁帶寬度接近單晶硅，為1.12eV）。微晶硅太陽能電池微晶硅太陽能電池 (1)單晶化合物太陽能電池單晶化合物太陽能電池 單晶化合物太陽能電池主要有單晶化合物太陽能電池主要有砷化鎵砷化鎵( GaAs)太陽能電池。砷化鎵太陽能

14、電池。砷化鎵的能隙為的能隙為1.4eV，是很理想的電池材，是很理想的電池材料。料。 這是單結電池中效率最高的電這是單結電池中效率最高的電池，多結聚光砷化鎵電池的轉換效率池，多結聚光砷化鎵電池的轉換效率已超過已超過40%。所以早期在空間得到了。所以早期在空間得到了應用。應用。 但是砷化鎵電池價格昂貴，而且但是砷化鎵電池價格昂貴，而且砷是有毒元素，所以極少在地面應用。砷是有毒元素，所以極少在地面應用。無機化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池 (2)多晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池 多晶化合物太陽能電池的多晶化合物太陽能電池的類型很多，目前已實際應用的類型很多，目前已實際應用的主要有碲化鎘主

15、要有碲化鎘(CdTe)太陽能電太陽能電池、銅銦鎵硒池、銅銦鎵硒( CIGS)太陽能電太陽能電池等。池等。 無機化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池 (2)多晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池 碲化鎘太陽能電池：碲化鎘太陽能電池：PVD（物理氣相沉積）工藝、濺射（物理氣相沉積）工藝、濺射工藝工藝無機化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池 銅銦鎵硒（銅銦鎵硒（CIGS）太陽）太陽能電池是近年發(fā)展起來的新型能電池是近年發(fā)展起來的新型太陽能電池，通過磁控濺射、太陽能電池，通過磁控濺射、真空蒸發(fā)等方法，在基底上沉真空蒸發(fā)等方法，在基底上沉積銅銦鎵硒薄膜，薄膜制作方積銅銦鎵硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元

16、分步蒸發(fā)法和金法主要有多元分步蒸發(fā)法和金屬預置層后硒化法等。屬預置層后硒化法等。 基底一般用玻璃，也可以基底一般用玻璃，也可以用不銹鋼作為柔性村底。用不銹鋼作為柔性村底。 (2)多晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池無機化合物太陽能電池1. 有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池 以以酞菁、卟啉、酞菁、卟啉、苝苝、葉、葉綠素綠素等為基體材料的太陽能等為基體材料的太陽能電池。如有機電池。如有機PN結太陽能電結太陽能電池，有機肖特基太陽能電池池，有機肖特基太陽能電池等。等。 如聚乙烯太陽能電池、如聚乙烯太陽能電池、共軛聚合物共軛聚合物/C60復合體系太復合體系太陽能電池等。

17、陽能電池等。 有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池2009年年4月月26日日nature photonics上的高效單結電池上的高效單結電池2. 敏化納米晶太陽能電池敏化納米晶太陽能電池 以以TiO2、ZnO、SnO2等寬禁帶的氧化物型的納等寬禁帶的氧化物型的納米級半導體為電極，使用米級半導體為電極，使用染料敏化、無機窄禁帶寬染料敏化、無機窄禁帶寬度半導體敏化、過渡金屬度半導體敏化、過渡金屬離子摻雜敏化、有機染料離子摻雜敏化、有機染料/無機半導體復合敏化以及無機半導體復合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法表面沉積貴金屬等方法制成的太陽能電池。制成的

18、太陽能電池。有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池基本原理：基本原理： 染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的子快速注入到緊鄰的TiO2 導帶，染料中失去的電子則很快從電導帶，染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償，進入解質中得到補償，進入 TiO2 導帶中的電于最終進入導電膜導帶中的電于最終進入導電膜 , 然然后通過外回路產生光電流。后通過外回路產生光電流。敏化納米晶太陽能電池敏化納米晶太陽能電池各類太能能性能比較各類太能能性能比較各類太陽能性能比較各類太陽能性能比較種類種類材料材料太陽能單太陽能單電池效率電

19、池效率太陽能電太陽能電池模塊效池模塊效率率主要制備方法主要制備方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點硅系太硅系太陽能電陽能電池池單晶硅單晶硅1524%1320%表面結構化表面結構化發(fā)射區(qū)鈍化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜分區(qū)摻雜效率最高效率最高技術成熟技術成熟工藝繁瑣工藝繁瑣成本高成本高多晶硅多晶硅1017%1015%化學氣相沉積化學氣相沉積法法液相外延法液相外延法濺射沉積法濺射沉積法無效率衰退問題無效率衰退問題成本遠低于單晶成本遠低于單晶硅硅效率低于效率低于單晶硅單晶硅非晶硅非晶硅813%510%反應濺射法反應濺射法PECVD法法LPCVD法法成本較低成本較低轉換效率較高轉換效率較高穩(wěn)定性不穩(wěn)定性不高高各類太陽能性能比較

20、各類太陽能性能比較種類種類材料材料 單電池單電池效率效率模塊效率模塊效率主要制備主要制備方法方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點多元化合物多元化合物薄膜太陽能薄膜太陽能電池電池砷化鎵砷化鎵 19 32%2330%MOVPE和和LPPE技術技術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)模生產生產原材料鎘原材料鎘有劇毒有劇毒碲化鎘碲化鎘 1015%710%銅銦硒銅銦硒 1012%810%真空蒸鍍真空蒸鍍法和硒化法和硒化法法價格低廉價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太陽能電池納米晶化學太陽能電池811%58%溶膠凝膠溶膠凝膠法法水熱反應水熱反應濺射

21、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 聚合物多層修飾電極型太聚合物多層修飾電極型太陽能電池陽能電池 35% 處于研發(fā)處于研發(fā)當中當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各類太陽能性能比較各類太陽能性能比較建筑設施航天航空交通設施家電方面太陽能車通信方面領域太陽能電池應用太陽能電池應用 太陽能電池的應用太陽能電池的應用（10KW光伏發(fā)電組）光伏發(fā)電組）建建筑筑設設施施太陽能屋頂發(fā)電裝置太陽能屋頂發(fā)電裝置太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能與民用建筑的結合太陽能與民用建筑的結合太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能服飾太陽能服飾太陽能電池的應用太陽能電池的應用

22、太陽能與風能發(fā)電系統(tǒng)太陽能與風能發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能自行太陽能自行車車太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能電車太陽能電車太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能電車太陽能電車太陽能車站太陽能車站太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能飛機太陽能飛機太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能飛機太陽能飛機太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能發(fā)電廠太陽能發(fā)電廠太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能在偏遠地區(qū)的運用太陽能在偏遠地區(qū)的運用太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能在沙漠地區(qū)的運用太陽能在沙漠地區(qū)的運用太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能電池的應用太陽能電池的應用交通設施交通設施 交通交通/ /鐵路信號燈鐵路信號燈 交通警示交通警示/ /標志燈標志燈 高空障礙燈高空障礙燈太陽能電池的應用太陽能電池的應用通信方面通信