太陽能電池材料-第一章PPT課件

1、太陽能電池材料主樓B6051課程介紹太陽能電池材料是新能源材料與器件專業(yè)本科生的專業(yè)必修課。其預(yù)修課程有固體物理、半導(dǎo)體物理、材料分析方法等。本課程的目的在于使學(xué)生理解典型太陽能電池原理及所用功能材料特性，了解太陽能電池材料的特點和制備技術(shù)，掌握太陽能電池材料的特性、結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。2課程介紹太陽電池材料概論、太陽電池材料的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、太陽電池材料分析技術(shù)、太陽電池的基本原理與測試方法、晶體硅太陽電池材料、染料敏化/有機聚合物/鈣鈦礦太陽電池材料、硅基薄膜太陽電池材料、III-V族化合物太陽電池材料、 銅銦鎵硒薄膜太陽電池材料等。3課程介紹講授方式：以課堂講授為

2、主?？己朔绞剑嚎己朔绞綖榭荚嚒＞C合成績根據(jù)平時成績和期末成績評定，平時成績占30% ，期末成績占70% 。平時成績：出勤情況+作業(yè)。不定期點名?。ㄟt到15min算曠課）每章結(jié)束將會有作業(yè)。期末成績：閉卷考試，考察平時學(xué)習(xí)的內(nèi)容。學(xué)時數(shù)： 64學(xué)時 學(xué)分數(shù)： 4 學(xué)分4課程介紹推薦教材和參考書目太陽能電池 材料制造 檢測技術(shù)，翁敏航，科學(xué)出版社，2013太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用，熊少珍，朱美芳，科學(xué)出版社，2009半導(dǎo)體器件導(dǎo)論，Donald A. Neaman，清華大學(xué)出版社， 2006納米材料與太陽能利用，沈輝等，化學(xué)工業(yè)出版社，20125課程介紹太陽能電池材料課程結(jié)構(gòu)：以不同類型電池材料為主線

3、。針對特定類型電池，講述所用材料的制備技術(shù)、性能及器件性能等相關(guān)知識。學(xué)習(xí)重點：材料的制備技術(shù)材料結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)材料對電池性能的影響6第一章 太陽能電池材料概論71.1 章節(jié)重點與學(xué)習(xí)目標1.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源1.3 太陽光的使用與光電轉(zhuǎn)換1.4 太陽能電池的種類和發(fā)展1.5 太陽能電池的其他信息1.1 章節(jié)重點與學(xué)習(xí)目標介紹發(fā)展太陽能電池材料的原因、太陽能電池材料發(fā)展歷史及分類、太陽能電池材料的發(fā)展現(xiàn)狀與研究重點。學(xué)生在學(xué)完本章課程后需了解：發(fā)展太陽能電池的必要性。太陽能電池的發(fā)展歷史。太陽能電池的種類與性能。各種太陽能電池的優(yōu)缺點。太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與研究重點。81.2 能源現(xiàn)

4、狀與可再生能源全球變暖：91.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源能源危機：能源需求增長，傳統(tǒng)能源面臨枯竭101.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源可再生能源種類：太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地熱能、海水溫差等。111.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源121.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源131.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源141.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源太陽能電池及其模塊在使用上的優(yōu)點：對于人類歷史而言，太陽能取之不盡、用之不竭。太陽能的提供無需任何能源運轉(zhuǎn)費，無需燃料，無需廢棄物與污染，無轉(zhuǎn)動組件，無噪聲。機械磨損較少，可使用20年以上。太陽能可以直接將光能轉(zhuǎn)換為直流電能，發(fā)電規(guī)模彈性較大。太陽能電池種類眾多，外形、尺寸可隨意變化，

5、應(yīng)用廣泛。可與建筑物相結(jié)合。151.2 能源現(xiàn)狀與可再生能源太陽能電池及其模塊在使用上的缺點：目前成本相對昂貴。轉(zhuǎn)換效率只有15-20%，大規(guī)模發(fā)電需要較大的面積。目前常用的結(jié)晶硅電池的發(fā)電受天氣影響較大，在弱光、晨昏與陰雨天時，電量會降低。但是：各國對太陽能電池都有較大的補助政策，太陽能電池的技術(shù)開發(fā)進展很大，太陽能電池成本逐漸降低，新型適合各種需求的太陽能電池也逐漸被開發(fā)并走向產(chǎn)業(yè)化。太陽能電池擁有極大的發(fā)展空間。161.3 太陽光的使用與光電轉(zhuǎn)換太陽輻射與吸收：黑體輻射，太陽表面溫度為6000K左右，地球大氣中所產(chǎn)生的各種物理過程和物理現(xiàn)象，都直接或者間接地依靠太陽輻射的能量進行。地球所

6、接收的太陽能量換算成電力表示約為1.77*1014KW，這大概是全球平均年消耗電力的100000倍。太陽輻射強度：表征太陽輻射能強弱的物理量，即表示單位時間內(nèi)處置投射在單位面積上的太陽輻射能，用I表示，單位為cal/(cm*min)。達到地球大氣頂端的太陽輻射強度，主要由以下因素決定：日地距離、太陽高度、日照時間。171.3 太陽光的使用與光電轉(zhuǎn)換181.3 太陽光的使用與光電轉(zhuǎn)換太陽光的光電轉(zhuǎn)換：太陽光照射到可吸收光譜的半導(dǎo)體光電材料后，光子將會以電子/空穴的方式輸出。在光電轉(zhuǎn)換過程中，吸收的光譜能量由吸收材料的所決定。19光伏轉(zhuǎn)換（Photovoltaic）：Photo-光，voltaic

7、-電太陽能電池：是一種光電轉(zhuǎn)換的器件，經(jīng)太陽光照射后可以把光的能量轉(zhuǎn)換為電能。1.3 太陽光的使用與光電轉(zhuǎn)換201.4 太陽能電池的種類和發(fā)展太陽能電池種類很多，以材料（光吸收材料）分主要可分為：21太陽能電池硅晶體硅單晶硅晶片多晶硅晶片硅基薄膜非晶多晶微晶化合物III-V族化合物銅銦鎵硒有機染料敏化有機聚合物模塊效率15-17%模塊效率13-16%模塊效率6%模塊效率10-13%模塊效率大于12%模塊開發(fā)中1.4 太陽能電池的種類和發(fā)展晶體硅晶片型太陽能電池：單晶硅芯片與多晶硅芯片效能：單晶硅芯片效率高；多晶硅成本較低。優(yōu)點：可量產(chǎn)，是目前市場主流；模塊穩(wěn)定，使用期限長，一般可達20年。缺點

8、：能源回收周期較長；硅片不透光，不適于建筑一體化應(yīng)用。硅晶片型太陽能電池制備221.4 太陽能電池的種類和發(fā)展硅基薄膜太陽能電池：非晶、微晶、多晶、結(jié)晶效能：非晶較低6%；結(jié)晶模塊效率10-13%。優(yōu)點：制備與模塊一體成型，適合建筑一體化使用；制備與設(shè)備技術(shù)發(fā)展較快；可大面積且定制化生產(chǎn)，也可制作柔性電池。缺點：非晶硅電池效率較低，且穩(wěn)定性差；鍍膜設(shè)備技術(shù)門檻高；整廠輸出的設(shè)備價格高。231.4 太陽能電池的種類和發(fā)展III-V族化合物太陽能電池：主要有GaAs、GaInP等效能：聚光型GaAs是目前效率最高的，大于30%。優(yōu)點：GaAs效率大部分超過20%以上；器件制備類似與發(fā)光二極管，因此

9、可將發(fā)電與照明相結(jié)合。高效率、低重量、耐輻射特性，是目前太空衛(wèi)星及聚光太陽能電池的主流。缺點：生產(chǎn)設(shè)備與材料昂貴， 大面積制備困難；聚光型砷 化鎵的成本極高，每瓦成本 是其他電池的百倍以上。241.4 太陽能電池的種類和發(fā)展II-VI族化合物太陽能電池：主要有CuInGaSe2 (CIGS)、CuInSe2、CdTe等.效能：模塊效率CIGS12%,CdTe10%。優(yōu)點：CIGS可通過卷印制備用于柔性基板生產(chǎn)。缺點：材料部分成本毒性高，存在嚴重環(huán)保問題；部分原料儲量有限；CIGS大面積材料制備困難度較大。251.4 太陽能電池的種類和發(fā)展染料敏化太陽能電池：染料吸收太陽光效能：實驗室效率最高1

10、5%。模塊開發(fā)中。優(yōu)點：材料成本低；制備簡單；可大面積制備；可柔性。缺點：技術(shù)不成熟，商業(yè)化模塊效率低； 封裝較為復(fù)雜；穩(wěn)定性較差。261.4 太陽能電池的種類和發(fā)展有機聚合物太陽能電池：采用有機聚合物PCBM/P3HT等效能：實驗室效率最高10%。模塊開發(fā)中。優(yōu)點：材料成本低；制備簡單；可大面積制備；可柔性。缺點：技術(shù)不成熟，商業(yè)化模塊效率低； 封裝較為復(fù)雜；穩(wěn)定性較差。271.4 太陽能電池的種類和發(fā)展太陽能電池的發(fā)展1893年法國實驗物理學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)，簡稱為光伏效應(yīng)。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒

11、太陽能電池。1883年美國發(fā)明家CharlesFritts描述了第一塊硒太陽能電池的原理。1904年Hallwachs發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅（Cu/Cu2O）結(jié)合在一起具有光敏特性；德國物理學(xué)家愛因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文。1918年波蘭科學(xué)家Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝。 281.4 太陽能電池的種類和發(fā)展1921年德國物理學(xué)家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎。 1930年B.Lang研究氧化亞銅/銅太陽能電池，發(fā)表“新型光伏電池”論文；W.Schottky發(fā)表“新型氧化亞銅光電池”論文。1932年A

12、udobert和Stora發(fā)現(xiàn)硫化鎘(CdS)的光伏現(xiàn)象。1933年L.O.Grondahl發(fā)表“銅-氧化亞銅整流器和光電池”論文1951年生長p-n結(jié)，實現(xiàn)制備單晶鍺電池。1953年Wayne州立大學(xué)DanTrivich博士完成基于太陽光普的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個理論計算。291.4 太陽能電池的種類和發(fā)展1954年RCA實驗室的P.Rappaport等報道硫化鎘的光伏現(xiàn)象，(RCA:RadioCorporationofAmerica,美國無線電公司)。 貝爾(Bell)實驗室研究人員D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson報道4.5%效率的

13、單晶硅太陽能電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月后效率達到6%。1955年西部電工（WesternElectric）開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利，在亞利桑那大學(xué)召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為2%的商業(yè)太陽能電池產(chǎn)品，電池為14mW/片，25美元/片，相當于1785USD/W。 1956年P(guān).Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder發(fā)表“鍺和硅p-n結(jié)電子電流效應(yīng)”的文章。301.4 太陽能電池的種類和發(fā)展1957年Hoffman電子的單晶硅電池效率達到8%；D. M. Chapin, C. S. Fuller和G.L.Pearson獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)。1958

14、年美國信號部隊的T.Mandelkorn制成n/p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要；Hoffman電子的單晶硅電池效率達到9%；第一個光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒1號發(fā)射，光伏電池100c，0.1W,為一備用的5mW話筒供電。1959年Hoffman電子實現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達到10%，并通過用網(wǎng)柵電極來顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險家6號發(fā)射，共用9600片太陽能電池列陣，每片2c，共20W。1960年Hoffman電子實現(xiàn)單晶硅電池效率達到14%。311.4 太陽能電池的種類和發(fā)展1977年世界光伏電池超過500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronsk

15、i在W. E. Spear的1975年控制p-n結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個非晶硅(a-Si)太陽能電池。1984年面積為929c的商品化非晶硅太陽能電池組件問世。1985年單晶硅太陽能電池售價10USD/W；澳大利亞新南威爾土大學(xué)MartinGreen研制單晶硅的太陽能電池效率達到20%。1991年瑞士Gratzel教授研制的納米TiO2染料敏化太陽能電池效率達到7%。1999年美國NREL的M. A. Contreras等報道銅銦錫（CIS）太陽能電池效率達到18.8%；非晶硅太陽能電池占市場份額12.3%。321.4 太陽能電池的種類和發(fā)展2000年WuX.，DhereR.G.，Aib

16、inD.S.等報道碲化鎘（CdTe）太陽能電池效率達到16.4%；單晶硅太陽能電池售價約為3USD/W。2003年德國FraunhoferISE的LFC（Laserfired-contact）晶體硅太陽能電池效率達到20%。2004德國FraunhoferISE多晶硅太陽能電池效率達到20.3%；非晶硅太陽能電池占市場份額4.4%，降為1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。331.4 太陽能電池的種類和發(fā)展341.4 太陽能電池的種類和發(fā)展351.4 太陽能電池的種類和發(fā)展361.4 太陽能電池的種類和發(fā)展371.4 太陽能電池的種類和發(fā)展發(fā)展方向新材料：化合物、硅基薄膜

17、、染料敏化、聚合物等新型電池材料新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)：疊層電池、光學(xué)運籌（optical managing）新一代太陽能電池：寬帶隙電池：量子點電池可見光利用：多激子產(chǎn)生的電池結(jié)構(gòu)、熱載流子電池紅外部分能量利用：中間帶電池（量子點中間帶、高失配合金）、并聯(lián)式疊層結(jié)構(gòu)、表面等離基元381.5 其他信息太陽能電池生產(chǎn)廠商：中國：尚德、英利、晶澳、天合、阿特斯等國際主要生產(chǎn)廠商：391.5 其他信息太陽能電池技術(shù)知識領(lǐng)域：電子：pn結(jié)、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真。光電：防反射層、透明導(dǎo)電膜、集光器設(shè)計等。材料：各種半導(dǎo)體、陶瓷、高分子或金屬等材料的物理與化學(xué)特性。制備：鍍膜技術(shù)與封裝技術(shù)。機械：生產(chǎn)設(shè)備、器件的熱

18、、應(yīng)力等設(shè)計。太陽能電池材料課程主要內(nèi)容：材料物理化學(xué)特性：材料結(jié)構(gòu)、光電、電化學(xué)、力、熱特性等。材料制備：制備技術(shù)、不同技術(shù)對材料性能影響器件：不同材料界面特性（pn結(jié)等）、材料對器件性能影響401.5 其他信息專有名詞：光電效應(yīng)（photoelectric effect）：在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電 。光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。太陽能電池（solar cell）：通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽能電池組件（solar cell module）：單體太陽電池不能直接做電源使用。作電源必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接和嚴密封裝成組件。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。41本章作業(yè)題目：說明太陽能電池的種類（以材料分）及其優(yōu)缺點。你認為比較有潛力的太陽能電池（材料）及原因。要求：手寫，交A4紙，本周四上課前交。所寫的內(nèi)容可以比講課時詳細。詳細資料參考書里及網(wǎng)上有很多。42下次課：課程內(nèi)容