第五章太陽(yáng)能電池材料教材

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(yīng)用電池應(yīng)用3第五章第五章 太陽(yáng)能電池材料太陽(yáng)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(dá)每年排放的二氧化碳達(dá)210210萬噸，并呈上升趨勢(shì)，造成萬噸，并呈上升趨勢(shì)，造成 全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)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(yáng)能電池發(fā)展背景太陽(yáng)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(yáng)能電池發(fā)展背景太陽(yáng)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(huì)導(dǎo)致油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì)導(dǎo)致“溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)”，也不會(huì)造成環(huán)境污染也不會(huì)造成環(huán)境污染 使用方便使用方便同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制，利用同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。成本低。太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)p 1893年年 法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效

3、應(yīng)光生伏特效應(yīng)”，即，即“光光伏效應(yīng)伏效應(yīng)”。p 1954年年 恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的單晶太陽(yáng)能電池，效率為單晶太陽(yáng)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(yīng)，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(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽(yáng)能電池。膜太陽(yáng)能電池。p 1958年年 太陽(yáng)能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒太陽(yáng)能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星號(hào)衛(wèi)星電源。電源。太陽(yáng)能電池發(fā)展歷史太陽(yáng)能電池發(fā)展歷史太陽(yáng)能電池基本原理太陽(yáng)能電池基本原理1 本征半導(dǎo)

4、體本征半導(dǎo)體n 本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價(jià)鍵本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價(jià)鍵圖1.1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 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(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價(jià)鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個(gè)空位，稱此空位為空穴。 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.2所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。n N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價(jià)元

5、素，如磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)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(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。圖1.3 N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) n P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價(jià)元素，如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)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(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。圖1.4 P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 3. PN結(jié)的形成結(jié)的形成 多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖1.5所示。圖1.5 P型和N型半導(dǎo)體交界

6、處載流子的擴(kuò)散 由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴(kuò)散的結(jié)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(cè)形成一個(gè)不能移動(dòng)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(jié)，如圖1.6所示。圖1.6 PN結(jié)的形成 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體V 當(dāng)太陽(yáng)光入射到太陽(yáng)電池表面上后當(dāng)太陽(yáng)光入射到太陽(yáng)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(jié)中產(chǎn)生電子結(jié)中產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在p-np-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，空穴向空穴向p p區(qū)移動(dòng)，電子向區(qū)移動(dòng)，電子向n n區(qū)移動(dòng)，從而在區(qū)移動(dòng)，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(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池 多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池的分類（按基體材料分（按基體材料分 ）太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池 單晶化合物太陽(yáng)能電池單晶化合物太陽(yáng)能電池 多晶化合物太陽(yáng)能電池多晶化合物太陽(yáng)能電池 非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)能電池 結(jié)晶系太陽(yáng)能電池結(jié)晶系太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池 有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池 p第一代：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч鑳煞N第一代：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч鑳煞N單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率

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

9、陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池 (Single Crystaline-Si) 單晶硅太陽(yáng)能電池制造工程由單晶硅太陽(yáng)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(jié)、加入電極，制成電池結(jié)、加入電極，制成電池片。片。 生產(chǎn)工藝：生產(chǎn)工藝： 導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 檢測(cè)檢測(cè) 鍍鋁電極鍍鋁電極 沉積沉積PN結(jié)結(jié) 老化老化 檢測(cè)檢測(cè) 封裝封裝 成品檢測(cè)成品檢測(cè)單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅

10、太陽(yáng)能電池(2)多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池(Polycrystaline-Si) 在制作多晶硅太陽(yáng)能電池時(shí)，作為在制作多晶硅太陽(yáng)能電池時(shí)，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(jī)切成薄片，再加工成電池。機(jī)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(gòu)成的。其晶有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)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(jí)，大級(jí)，大顆粒尺寸可達(dá)顆粒尺寸可達(dá)m級(jí)。級(jí)。 多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池

11、(3)非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)能電池(Amorphous-Si) 非晶硅非晶硅(又稱又稱 -Si)太陽(yáng)能電池一般太陽(yáng)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(jié)晶非晶硅中由于原子排列缺少結(jié)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(jié)中，隧道電流往往占主結(jié)中，隧道電流往往占主導(dǎo)地位，使其呈現(xiàn)無整流特性，不能導(dǎo)地位，使其呈現(xiàn)無整流特

12、性，不能制作太陽(yáng)能電池。制作太陽(yáng)能電池。 三種硅基太陽(yáng)能電池性能分析三種硅基太陽(yáng)能電池性能分析 (4)微晶硅微晶硅(c-Si)太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 非晶硅對(duì)紅外區(qū)域太陽(yáng)輻射不非晶硅對(duì)紅外區(qū)域太陽(yáng)輻射不敏感，本身具有光致衰退效應(yīng)，穩(wěn)敏感，本身具有光致衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不好，在非晶硅薄膜基礎(chǔ)上經(jīng)定性不好，在非晶硅薄膜基礎(chǔ)上經(jīng)退火處理得到微晶硅薄膜太陽(yáng)能電退火處理得到微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，穩(wěn)定性和光轉(zhuǎn)換效率得到提高。池，穩(wěn)定性和光轉(zhuǎn)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(yáng)能電池微晶硅太陽(yáng)能電池 (1)單晶化合物太陽(yáng)能電池單晶化合物太陽(yáng)能電池 單晶化合物

13、太陽(yáng)能電池主要有單晶化合物太陽(yáng)能電池主要有砷化鎵砷化鎵( GaAs)太陽(yáng)能電池。砷化鎵太陽(yáng)能電池。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(jié)電池中效率最高的電這是單結(jié)電池中效率最高的電池，多結(jié)聚光砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率池，多結(jié)聚光砷化鎵電池的轉(zhuǎn)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(yīng)用。應(yīng)用。 但是砷化鎵電池價(jià)格昂貴，而且但是砷化鎵電池價(jià)格昂貴，而且砷是有毒元素，所以極少在地面應(yīng)用。砷是有毒元素，所以極少在地面應(yīng)用。無機(jī)化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池 (2)多晶化合物太陽(yáng)能電池多晶化合物太陽(yáng)能電池 多晶化合物太陽(yáng)能電

14、池的多晶化合物太陽(yáng)能電池的類型很多，目前已實(shí)際應(yīng)用的類型很多，目前已實(shí)際應(yīng)用的主要有碲化鎘主要有碲化鎘(CdTe)太陽(yáng)能電太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒池、銅銦鎵硒( CIGS)太陽(yáng)能電太陽(yáng)能電池等。池等。 無機(jī)化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池 (2)多晶化合物太陽(yáng)能電池多晶化合物太陽(yáng)能電池 碲化鎘太陽(yáng)能電池：碲化鎘太陽(yáng)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(jī)化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池 銅銦鎵硒（銅銦鎵硒（CIGS）太陽(yáng)）太陽(yáng)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(yáng)能電池，通過磁控濺射、太陽(yáng)能電池，通過磁控濺射、真空蒸發(fā)等方法，在基底上

15、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分步蒸發(fā)法和金法主要有多元分步蒸發(fā)法和金屬預(yù)置層后硒化法等。屬預(yù)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(yáng)能電池多晶化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)化合物太陽(yáng)能電池1. 有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)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(yáng)能等為基體材料的太陽(yáng)能電池。如有機(jī)電池。如有機(jī)PN結(jié)太陽(yáng)能電結(jié)太陽(yáng)能電池，有機(jī)肖特基太陽(yáng)能電池池，有機(jī)肖特基太陽(yáng)能電池等。等。 如聚乙烯

16、太陽(yáng)能電池、如聚乙烯太陽(yáng)能電池、共軛聚合物共軛聚合物/C60復(fù)合體系太復(fù)合體系太陽(yáng)能電池等。陽(yáng)能電池等。 有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池2009年年4月月26日日nature photonics上的高效單結(jié)電池上的高效單結(jié)電池2. 敏化納米晶太陽(yáng)能電池敏化納米晶太陽(yáng)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(jí)半導(dǎo)體為電極，使用米級(jí)半導(dǎo)體為電極，使用染料敏化、無機(jī)窄禁帶寬染料敏化、無機(jī)窄禁帶寬度半導(dǎo)體敏化、過渡金屬度半導(dǎo)體敏化、過渡金屬離子摻雜敏化、有機(jī)染料離子摻雜敏化、有機(jī)染料/無機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合敏化以及無

17、機(jī)半導(dǎo)體復(fù)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(yáng)能電池。制成的太陽(yáng)能電池。有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)化合物太陽(yáng)能電池基本原理：基本原理： 染料分子吸收太陽(yáng)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(yáng)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(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入 TiO2 導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜 , 然然后通過外回路產(chǎn)生光電流。后通過外回路產(chǎn)生光電流。敏化納米晶太陽(yáng)能電池敏化納米晶太陽(yáng)能電池各類太能能性能比較各類

18、太能能性能比較各類太陽(yáng)能性能比較各類太陽(yáng)能性能比較各類太陽(yáng)能性能比較各類太陽(yáng)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)多元化合物多元化合物薄膜太陽(yáng)能薄膜太陽(yáng)能電池電池砷化鎵砷化鎵 19 32%2330%MOVPE和和LPPE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 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(jià)格低廉價(jià)格低廉性能良好性能良好工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)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(yáng)能電池納米晶

19、化學(xué)太陽(yáng)能電池811%58%溶膠凝膠溶膠凝膠法法水熱反應(yīng)水熱反應(yīng)濺射法濺射法成本低廉成本低廉工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)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(yáng)能電池陽(yáng)能電池 35% 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各類太陽(yáng)能性能比較各類太陽(yáng)能性能比較建筑設(shè)施航天航空交通設(shè)施家電方面太陽(yáng)能車通信方面領(lǐng)域太陽(yáng)能電池應(yīng)用太陽(yáng)能電池應(yīng)用 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能電池的應(yīng)用（10KW光伏發(fā)電組）光伏發(fā)電組）建建筑筑設(shè)設(shè)施施太陽(yáng)能屋頂發(fā)電裝置太陽(yáng)能屋頂發(fā)電裝置太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能與民用建筑的結(jié)合太陽(yáng)能與民用建筑的結(jié)合太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能電池的應(yīng)用太陽(yáng)能