太阳能电池材料.课件.ppt

1、太阳能电池材料研究进展太阳能电池材料研究进展组员：吴会耀组员：吴会耀 李长亮李长亮 贾子轩贾子轩 周立强周立强 p 1893年年 法国科学家贝克勒尔发现法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应光生伏特效应”，即，即“光光伏效应伏效应”。p 1930年年 肖特基提出肖特基提出Cu2O势垒的势垒的“光伏效应光伏效应”理论。同年，理论。同年，朗格首次提出用朗格首次提出用“光伏效应光伏效应”制造制造“太阳电池太阳电池”，使太阳能变，使太阳能变成电能。成电能。 p 1941年年 奥尔在硅上发现光伏效应。奥尔在硅上发现光伏效应。 p 1954年年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的恰宾和皮尔松在美

2、国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率为单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池。膜太阳能电池。太阳能电池发展历史太阳能电池发展历史 1958年年太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫号卫星电源。星电源。 1959年年第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。 1975年年非晶硅太阳能电池问世。非晶硅太阳能电池问世。 1980年年单晶硅太阳能电池效

3、率达单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池达，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达，硫化镉电池达9.15%。 1998年年单晶硅光伏电池效率达单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出。荷兰政府提出“荷荷兰百万个太阳光伏屋顶计划兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到，到2020年完成。年完成。太阳能电池发展历史太阳能电池发展历史太阳能电池太阳能电池硅太阳能电池硅太阳能电池 单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 结晶系太阳能电池结晶系太阳能电池单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳

4、能电池多晶硅太阳能电池 无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池 太阳能电池的分类太阳能电池的分类（按基体材料分（按基体材料分）目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录电池种类电池种类转换效率转换效率研发单位研发单位备注备注单晶硅电池单晶硅电池24.7澳大利亚新南威尔士大学澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积面积背接触聚光单晶硅电池背接触聚光单晶硅电池26.8美国美国Sunpower公司公司96倍聚光倍聚光GaAs多结电池多结电池40.7德国斯派克德国斯派克 Lab333倍聚光倍聚光多晶硅电池多晶硅电池20.3德国

5、弗朗霍夫研究所德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积面积InGaP/GaAs30.28日本能源公司日本能源公司4cm2面积面积非晶硅电池非晶硅电池12.8美国美国USSC公司公司0.27cm2面积面积CIGS电池电池19.9美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室0.41cm2面积面积CdTe电池电池16.5美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室1.032cm2面积面积多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池16.6德国斯图加特大学德国斯图加特大学4.017cm2面积面积纳米硅电池纳米硅电池10.1日本钟渊公司日本钟渊公司2 m膜（玻璃衬底）膜（玻璃衬底）染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池11.0瑞士

6、洛桑联邦理工学院瑞士洛桑联邦理工学院 0.25cm2面积面积p第一代：单晶硅和多晶硅两种第一代：单晶硅和多晶硅两种p单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。p第二代：薄膜太阳能电池第二代：薄膜太阳能电池p基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等为材料。效率比第一代低，但生产成本最低。为材料。效率比第一代低，但生产成本最低。p第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒（CIS）等及薄膜）等及薄膜Si系太阳能电池。系太阳能电池。p转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。转化效率

7、高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。太阳能电池的分类太阳能电池的分类A纳米晶体纳米晶体TiO_2多孔膜的制备、性能及其在太阳能电池中的应用多孔膜的制备、性能及其在太阳能电池中的应用 BGraetzel型光电化学太阳能电池型光电化学太阳能电池(PEC)研究进展研究进展 C染料敏化染料敏化TiO_2纳晶太阳能电池研究进展纳晶太阳能电池研究进展 太阳能电池的分类太阳能电池的分类硅太阳能电池硅太阳能电池（按基体材料分（按基体材料分）p单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池(SingleCrystaline-Si) 单晶硅太阳能电池制造工程由单晶硅太阳能电池制造工程由电池片工程和模板工程组成。电池片工程和模板

8、工程组成。p电池片工程大致可分为如下电池片工程大致可分为如下三部分：三部分：从原材料制造单晶硅棒。从原材料制造单晶硅棒。将单晶硅棒切断，加工成半圆将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。片状。形成形成pn结、加入电极，制成电结、加入电极，制成电池片。池片。 生产工艺：生产工艺： 导电玻璃导电玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 检测检测 镀铝电极镀铝电极 沉积沉积PN结结 老化老化 检测检测 封装封装 成品检测成品检测单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池(2)多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)在制作多晶硅太阳能电池时，作为在制作多晶硅太阳能电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，

9、而是熔化原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。机切成薄片，再加工成电池。多晶硅薄膜是由许多大小不等和具多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺寸一般约在几十至几百粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大级，大颗粒尺寸可达颗粒尺寸可达m级。级。多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 (3)非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)非晶硅非晶硅(又称又称 -Si)太阳能电池一般太阳能电池一般是用是用高频辉光放电高频辉光放电等方法使硅烷等方法使

10、硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的。非晶硅的禁带气体分解沉积而成的。非晶硅的禁带宽度为宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到，通过掺硼或掺磷可得到P型型 -Si或或N型型 -Si。非晶硅中由于原子排列缺少结晶非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的非晶硅非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现无整流特性，不能导地位，使其呈现无整流特性，不能制作太阳能电池。制作太阳能电池。非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 三种硅基太阳能电池性能分析三种硅基太阳能电池性能分析种类种类优势优势劣势劣势

11、转换效率转换效率单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为转化效率最高，技术最为成熟成熟硅消耗量大，成本高，工艺硅消耗量大，成本高，工艺复杂复杂16%-20%16%-20%多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池转化效率较高转化效率较高多晶硅生产工艺复杂，供应多晶硅生产工艺复杂，供应受限制受限制14%-16%14%-16%非晶硅薄膜太阳能非晶硅薄膜太阳能电池电池成本低，可大规模生产成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效转换效率不高，光致衰退效率率9%-13%9%-13% (4)微晶硅微晶硅(c-Si)太阳能电池太阳能电池非晶硅对红外区域太阳辐射不非晶硅对红外区域太阳辐射不敏感，本身具

12、有光致衰退效应，稳敏感，本身具有光致衰退效应，稳定性不好，在非晶硅薄膜基础上经定性不好，在非晶硅薄膜基础上经退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电池，稳定性和光转换效率得到提高。池，稳定性和光转换效率得到提高。（禁带宽度接近单晶硅，为（禁带宽度接近单晶硅，为1.12eV）。微晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池 (1)单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池主要有单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓砷化镓(GaAs)太阳能电池。砷化镓太阳能电池。砷化镓的能隙为的能隙为1.4eV，是很理想的电池材，是很理想的电池材料。料。这是单结电池中效率最高的电这是单结电池中效

13、率最高的电池，多结聚光砷化镓电池的转换效率池，多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过已超过40%。所以早期在空间得到了。所以早期在空间得到了应用。应用。但是砷化镓电池价格昂贵，而且但是砷化镓电池价格昂贵，而且砷是有毒元素，所以极少在地面应用。砷是有毒元素，所以极少在地面应用。无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池的多晶化合物太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉主要有碲化镉(CdTe)太阳能电太阳能电池、铜铟镓硒池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电太阳能电池等。池等。无机化合物太阳能电池无机化合

14、物太阳能电池 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池碲化镉太阳能电池：碲化镉太阳能电池：PVD（物理气相沉积）工艺、溅射（物理气相沉积）工艺、溅射工艺工艺无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）太阳）太阳能电池是近年发展起来的新型能电池是近年发展起来的新型太阳能电池，通过磁控溅射、太阳能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等。属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可以基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔

15、性村底。用不锈钢作为柔性村底。 (2)多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池无机化合物太阳能电池1.有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池以以酞菁、卟啉、苝、叶酞菁、卟啉、苝、叶绿素绿素等为基体材料的太阳能等为基体材料的太阳能电池。如有机电池。如有机PN结太阳能电结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池池，有机肖特基太阳能电池等。等。如聚乙烯太阳能电池、如聚乙烯太阳能电池、共轭聚合物共轭聚合物/C60复合体系太复合体系太阳能电池等。阳能电池等。有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池2009年年4月月26日日nature photoni

16、cs上的高效单结电池上的高效单结电池2.敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池以以TiO2、ZnO、SnO2等宽禁带的氧化物型的纳等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极，使用米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽染料敏化、无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。制成的太阳能电池。有机化合物太阳能电池有机化合物太阳能电池基本原理：基本原理： 染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电染料分子吸收太阳光能跃迁到激

17、发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜导带中的电于最终进入导电膜,然然后通过外回路产生光电流。后通过外回路产生光电流。敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池各类太能能性能比较各类太能能性能比较各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较种类种类材料材料太阳能单太阳能单电池效率电池效率太阳能电太阳能电池模块效池模块效率率主要制备方法主要制备方法优点优点缺点缺点硅系太硅系太阳能电阳能电池池单晶硅单晶硅1524%1320%表面结构化表面结构化

18、发射区钝化发射区钝化分区掺杂分区掺杂效率最高效率最高技术成熟技术成熟工艺繁琐工艺繁琐成本高成本高多晶硅多晶硅1017%1015%化学气相沉积化学气相沉积法法液相外延法液相外延法溅射沉积法溅射沉积法无效率衰退问题无效率衰退问题成本远低于单晶成本远低于单晶硅硅效率低于效率低于单晶硅单晶硅非晶硅非晶硅813%510%反应溅射法反应溅射法PECVD法法LPCVD法法成本较低成本较低转换效率较高转换效率较高稳定性不稳定性不高高各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较种类种类材料材料单电池单电池效率效率模块效率模块效率主要制备主要制备方法方法优点优点缺点缺点多元化合物多元化合物薄膜太阳能薄膜太阳能电池电池砷化

19、镓砷化镓1932%2330%MOVPE和和LPPE技术技术效率较高效率较高成本较单成本较单晶硅低晶硅低易于规模易于规模生产生产原材料镉原材料镉有剧毒有剧毒碲化镉碲化镉1015%710%铜铟硒铜铟硒1012%810%真空蒸镀真空蒸镀法和硒化法和硒化法法价格低廉价格低廉性能良好性能良好工艺简单工艺简单原材料来原材料来源比较有源比较有限限纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池811%58%溶胶凝胶溶胶凝胶法法水热反应水热反应溅射法溅射法成本低廉成本低廉工艺简单工艺简单性能稳定性能稳定聚合物多层修饰电极型太聚合物多层修饰电极型太阳能电池阳能电池35%处于研发处于研发当中当中易制作易制作材料广泛材料广泛成本低成本低寿命短寿命短各类太阳能性能比较各类太阳能性能比较太阳能电池的展望太阳能电池的展望TheendThankyouThe endthanks