新能源材料-太阳能电池材料课件.ppt

1、北航材料学院北航材料学院太阳能电池材料太阳能电池材料材料类型材料类型材料材料转化效率转化效率%硅硅多晶多晶912非晶（膜）非晶（膜）69单晶单晶20化合物半导化合物半导体体GaAs（晶）（晶）1830CdS，CdTe（膜）（膜）1012CuInSe2（膜）（膜）1012敏化纳米染料薄膜（大面积）敏化纳米染料薄膜（大面积）5 有机太阳能转换膜有机太阳能转换膜 5Global CO2 emissions from fossil fuel burning,cement production,and gas flaring for 1751-1999While gross domestic produ

2、ct(GDP)grew by 38 percent from 1990 to 2000,energy-related carbon dioxide emissions grew by 16 percent.GDP Growth and Carbon Dioxide EmissionsGDP Growth and Carbon Dioxide Emissionsu 太阳能太阳能：辐射于地面的太阳能：辐射于地面的太阳能1万万倍于目前人类所需能源，取之不尽，倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地，受地域和气候影响大。域和气候影响大。u 太阳能可分为

3、光伏能和太阳炉，光太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！电转换效率不高！太阳能热水器太阳能热水器太阳能汽车太阳能汽车Solar CellLoadICONVERTS INTO UVIRVisible01x10212x10213x10214x10210.511.522.533.54Photon Energy(eV)2/sec/eV0.4 mm2.0 mm0.7 mm1.0 mmc-Simc-Sic-Genc-GePhotons/mEnergy Band Structures and ConductivitySemiconductors and InsulatorsMetalsSi (4 v

4、alence electrons)P (5 valence electrons)For doping Results in extra electrons B (3 valence electrons)For dopingResults in extra holesContains positive mobile charge carriersContains negative mobile charge carriersStatic Electric Field-+Fixed dopant ions半导体光伏效应原理半导体光伏效应原理PN+-+-e+h阳光阳光NP-e+h+-半导体半导体P/

5、N 结结 太阳光照在半导体太阳光照在半导体p-np-n结上，形成新的空穴结上，形成新的空穴-电子对，在电子对，在p-np-n结电场的作用下，空穴由结电场的作用下，空穴由n n区流向区流向p p区，电子由区，电子由p p区流向区流向n n区，接区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。Solar power needs to be 10-100 Solar power needs to be 10-100 times cheaper to be competitivetimes cheaper to be competi

6、tive Even relatively low-tech wind Even relatively low-tech wind power has taken 20 years to power has taken 20 years to decrease in cost by 85%decrease in cost by 85%光电转换效率低光电转换效率低最近美国加最近美国加州大学开发州大学开发出多波段半出多波段半导体光电转导体光电转换材料，其换材料，其转换率高达转换率高达37%.硅材料制备硅材料制备1.多晶硅多晶硅 定向凝固定向凝固单晶硅单晶硅非晶硅非晶硅HSiPCathode(V+)P

7、lasma Confinement ChamberGND太阳能电池太阳能电池1.单晶硅单晶硅:光电转换率大于光电转换率大于20%,性能稳定性能稳定;价格高价格高.2.多晶硅多晶硅:光电转换率可达光电转换率可达 15%,价格低价格低.3.非晶硅非晶硅:光电转换率低光电转换率低;用料省用料省(1m mm;多晶硅多晶硅 50 m mm),无取向性无取向性,可大尺寸生产可大尺寸生产.晶体：士兵队列晶体：士兵队列非晶：电影院散场的观众非晶：电影院散场的观众 整体无序，但存在有规律的小集团，整体无序，但存在有规律的小集团，家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等。家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等。Crystall

8、ine StructureAmorphous StructureLeastcrystallineMostcrystallineAmorphous CrystallineNano-crystalline(nc)Amorphous(betweencrystals)Reflectance:(Measure of crystallinity)Electrical Conductivity:(Information about Carrier Concentration)Hot Probe Measurement:(Measure Sign of majority charge carrier)Ligh

9、t SourceSample Reflected Light185-2600 nmDetectorMonochromatorElectrodeElectrodeSi filmGlass SubstrateW dFilm Thickness(t)=oe-Ea/kT+V-A =qm mN =I V d/(t w)HotProbe(Cu)Cold Probe(Al)EV+V-N-doped SampleVoltmeter+-太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐射能之比的总辐射能之比 =P=Pm m/P/Pin in=V=Voc oc I Isc sc F

10、F/AFF/At t P Pin in转化效率转化效率入入 射射 光光光反射光反射光透射光透射表面复合表面复合体内复合体内复合电池电阻电池电阻输出电能输出电能 禁带宽度禁带宽度 温度温度 少数载流子寿命少数载流子寿命 掺杂浓度及其分布掺杂浓度及其分布 光强光强 电池电阻电池电阻按材料分为：按材料分为：1 1）硅电池）硅电池单晶硅，多晶硅，非晶硅单晶硅，多晶硅，非晶硅 2 2）化合物半导体电池）化合物半导体电池 CdTe CdTe，CIS/CIGSCIS/CIGS，GaAsGaAs，InPInP 3 3）有机电池）有机电池-聚合物多层修饰电极型太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池(染料敏化染

11、料敏化电池电池)技术成熟程度：技术成熟程度：1 1）晶体硅电池：）晶体硅电池：单晶硅，多晶硅单晶硅，多晶硅,GaAs,InP,GaAs,InP 2 2）薄膜电池：）薄膜电池：a-Sia-Si，CIGSCIGS，CdTe,CdTe,球形电池，多晶硅薄膜球形电池，多晶硅薄膜,染料敏化电池染料敏化电池 3 3）新型概念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电）新型概念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电池，杂质结电池池，杂质结电池(也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池。)按电池结构分为：按电池结构分为：1 1）直接能隙电池）直接能隙

12、电池单晶硅，多晶硅，非晶硅单晶硅，多晶硅，非晶硅 2 2）串联结构电池）串联结构电池-叠片型号叠片型号,混合型混合型太阳电池的半导体材料太阳电池的半导体材料材料材料能隙能隙(eV)(eV)禁带禁带性质性质迁移率迁移率电子电子(cm(cm2 2/Vs)/Vs)空穴空穴晶系晶系晶格常数晶格常数 (nm)(nm)应用应用晶体晶体Si1.12间接间接1500450立方立方a=0.543占市场占市场70-80%非晶非晶Si1.5-2.010.1占市场占市场10-20%Ge0.66间接间接39001900立方立方a=0.5646空间电池衬底空间电池衬底GaAs1.424直接直接8500400立方立方a=0

13、.5653空间电池空间电池CdS2.42直接直接340正方正方a=0.4136c=0.6176薄膜电池的一薄膜电池的一级级CdTe1.44直接直接70065立方立方a=0.6477薄膜电池薄膜电池AlSb1.6间接间接900400立方立方a=0.37腐蚀腐蚀,未应用未应用CuInSe21.04直接直接30020正方正方a=0.5653a=0.5653薄膜电池薄膜电池太阳能电池种类太阳能电池种类半导体材料半导体材料CellCell转换效率转换效率机组转换效率机组转换效率应用现状应用现状硅硅晶体硅晶体硅单晶硅单晶硅15-24%15-24%10-14%10-14%电池占市场电池占市场分额分额70-8

14、0%70-80%多晶硅多晶硅10-17%10-17%9-12%9-12%非晶硅非晶硅a-Sia-Si、a-SiGea-SiGe8-13%8-13%6-9%6-9%电池占市场电池占市场份额份额10-20%10-20%化合物化合物半导体半导体二元素二元素GaAsGaAs结晶型结晶型18-30%18-30%-空间技术空间技术CdSCdS、CdTeCdTe薄薄膜膜10-12%10-12%-已商品化已商品化三元素三元素CuInSeCuInSe2 2薄膜薄膜10-19%10-19%-正进入商品正进入商品化化有机半有机半导体导体染料敏化染料敏化TiO2TiO2太阳能电池太阳能电池 1%1%-实验阶段实验阶段

15、各种半导体太阳能电池的效率各种半导体太阳能电池的效率半导体太阳能电池发展现状半导体太阳能电池发展现状硅片太阳能电池硅片太阳能电池薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 单晶硅单晶硅多晶硅多晶硅非非晶硅膜晶硅膜CdTeCdTeCIGSCIGS效率效率23%23%19%19%13%13%16%16%19%19%成本成本($/($/瓦瓦)4.54.53 32 21.21.211技术难度技术难度低低低低高高高高高高技术成熟度技术成熟度已成熟已成熟大量生产大量生产已成熟已成熟大量生产大量生产开发中开发中小量小量正在发展中小正在发展中小量量开发中开发中小量小量国内发展现国内发展现状状成熟成熟成熟成熟小小量产量产小小

16、量产量产无量产无量产国外发展现国外发展现状状成熟成熟成熟成熟小小量产量产大量生产大量生产小小量产量产薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池，薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池，而却它在能有更广的用途而却它在能有更广的用途,因为它能产生在可变形的薄片上因为它能产生在可变形的薄片上。硅片硅片清洗清洗扩散掺杂扩散掺杂制绒制绒沉积反射膜沉积反射膜印刷电极印刷电极电池性能监测电池性能监测质量分级质量分级引线焊接引线焊接安装组件安装组件组件质量检测组件质量检测质量分级质量分级组件组件-用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元封装是太阳能电池生产中的关键步

17、骤，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。且还增强了电池的抗击强度。薄膜电池组件薄膜电池组件电子束蒸发电子束蒸发反应溅射反应溅射低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）辉光放电化学气相沉积辉光放电化学气相沉积光化学气相沉积光化学气相沉积离子体光化学气相沉积离子体光化学气相沉积Dye-Sensitized Solar Cells（DSSCDSSC）DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，

18、进而传导至纳米二氧化钛半子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I I/I 3+3+溶于有机溶剂中溶于有机溶剂中形成。形成。染料敏化太阳能电池的能量染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达到转化效率已达到11.2%11.2%染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明导染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子

19、、电解质和对电极电极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。晶半导体薄膜构成光阳极。结构上结构上DSCDSC就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被敏化剂所代替，敏化剂所代替，纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光

20、子的作用。素，起着吸收太阳光光子的作用。染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；电子扩散至导电基底，后流入外电路中；电子扩散至导电基底，后流入外电路中；处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。个循环。光阳极材料：敏化的光阳极材料：敏化的TiOTiO2 2电极是染料敏化太阳能电池的关键电极是染料敏化太阳能电池

21、的关键部分，直接关系到太阳能电池的总效率。纳米多孔结构部分，直接关系到太阳能电池的总效率。纳米多孔结构TiOTiO2 2薄膜在目前染料敏化太阳能电池中薄膜在目前染料敏化太阳能电池中TiOTiO2 2光阳极采用极为广泛。光阳极采用极为广泛。光阴极材料：，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采光阴极材料：，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。铂的效果较好。电解质：固态染料敏化太阳能电池获得的电解质：固态染料敏化太阳能电池获得的UocUoc值很高，可以值很高，可以达到接近达到接近1

22、V1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。DSSCDSSC电池电池各组成部分的各组成部分的研究研究进展进展敏化剂分为有机和无机两大类敏化剂分为有机和无机两大类：

23、无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。有机敏化剂包括天然染料和合成染料。l环境保护环境保护发电方法发电方法煤煤石油石油天然气天然气核能核能风力风力水力水力太阳能太阳能污染物污染物COCO2 2322.8322.8258.5258.51781787.87.86.76.75.95.95.35.3NONOx x1.81.80.880.880.90.90.0030.003-0.0070.007SoSox x3.43.41.71.70.0010.0010.030.03-0.020.02各种发电方法污染量的比较各种发电方法污染量的比较 g/kwhg/kwh空间技术空间技术发电机组发电机组便携设备充电便携设备充电交通工具交通工具日常设施日常设施最近十年光电转换市场的产量最近十年光电转换市场的产量（兆瓦（兆瓦/年）年）宇航员杨立伟在太空拍摄的照片地面组装时的照片 日用便携设备充电 左图太阳能电池板的手机“Music Porter”右图苹果ipod Mp3ArizonaHubble TelescopeAntarcticaIndiana-Colorado:1250 miles;43 miles/hTexasThe End！