1、单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 太阳能电池硅太阳能电池 单晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池 非晶硅太阳能电池 结晶系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 21:171第一代：单晶硅和多晶硅两种单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。第二代：薄膜太阳能电池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。第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒（CIS）等及薄膜Si系太阳能电池。转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。太阳能电池的分类21:172硅太阳能电池（按基体材料分）(1)单晶硅太阳能电池(Single Crystaline-S
2、i)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。p电池片工程大致可分为如下三部分：从原材料制造单晶硅棒。将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。形成pn结、加入电极，制成电池片。21:173 生产工艺：单晶硅 膜切割 清洗 检测 镀铝电极 沉积PN结 老化 检测 封装 成品检测单晶硅太阳能电池21:1745晶硅太阳电池向薄片化方向发展 硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。硅间接半导体，理论上100 m可以吸收 全部太阳光。电池制造工艺硅片厚度下限150 m。降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要技术方向之一。21:176Sharp单晶硅组件21:177Ultrathin Multicrystal
3、line Si High Efficiency Solar Cells Fraunhofer-20.3%世界记录 21:178硅片厚度的发展：70年代450500 m，80年代400450 m。90年代350400 m。2000年-260300 m。2010年-200260 m。2020年 100200 m。21:179 带硅技术 直接拉制硅片免去切片损失 (内园切割，刀锋损失300400 m。线锯切割，刀锋损失200 m)。过去几十年里开发过多种生长带硅 或片状硅技术21:1710 边缘限制薄膜带硅生长技术(Edge defined film-fed growth，EFG)采用石墨模具电池效
4、率1315。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于RWE(ASE)公司所有。21:1711蹼状带硅技术在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好,但其生长速度相对较慢。21:17(2)多晶硅太阳能电池(Polycrystaline-Si)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，而是熔化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。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。其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m
5、级。21:171213多晶硅材料制造成本低于单晶硅材料，能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg；制造过程简单、省电、节约硅材料，因此具有更大降低成本的潜力。21:1714但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。21:1715乔治亚(Geogia)工大 采用磷吸杂和双层减 反射膜技术，使电池的效率达到18.6；新南威尔士大学采用类似PERL电池技术，使电池的效率19.8 Fraunhofer研究所 20.3%世界记录 Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化 使15 15cm2大面积多晶硅电池效率达17
6、.7.21:1716PECVDSiN钝化技术对商业化多晶硅 电池的效率提高起到了关键性的作用。目前商业化多晶硅电池的效率131621:17(3)非晶硅太阳能电池(Amorphous-Si)非晶硅(又称-Si)太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到P型-Si或N型-Si。非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多，因此单纯的非晶硅P-N结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现无整流特性，不能制作太阳能电池。21:1717为了使光生载流子能有效地收集，就要求在-Si太阳电池中光注入所及的整个范围内尽量布满电场
7、。因此，电场设计成pin型（p层为入射光面），其中i层为本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。21:171819 优点：资源丰富，环境安全；光的吸收系数高，活性层只需要1 m 厚，省材料；沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等。电池/组件一次完成，生产程序简单。缺点：效率低 不稳定 光衰减(S-W效应)。21:17 三种硅基太阳能电池性能分析种类优势劣势转换效率单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂16%-20%多晶硅太阳能电池转化效率较高多晶硅生产工艺复杂，供应受限制14%-16%非晶硅薄膜太阳能电池成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效应
8、9%-13%21:1720(4)微晶硅(c-Si)太阳能电池 非晶硅对红外区域太阳辐射不敏感，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。（禁带宽度接近单晶硅，为1.12eV）。21:172122化合物半导体薄膜电池 GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁带宽度在11.5eV,与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。GaAs电池主要用于空间，CdTe 和CIS电池被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电
9、池，因此成为最热的两个研究课题。21:17(1)单晶化合物太阳能电池 单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)太阳能电池。砷化镓的能隙为1.4eV，是很理想的电池材料。这是单结电池中效率最高的电池，多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过40%。所以早期在空间得到了应用。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。无机化合物太阳能电池21:172321:1724高的能量转换效率：直接带隙能带结构，GaAs的带隙为1.42eV，处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围；GaAs太阳电池的优点21:1725 在波长0.85 m以下，GaAs的光吸收系数急剧升高，达到104/cm2，
10、比硅材料要高1个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。因此，对于GaAs太阳电池而言，只要厚度达到3m，就可以吸收太阳光谱中的95%的能量。21:1726高的能量转换效率：直接带隙能带结构，GaAs的带隙为1.42eV，处于太阳电池材料所要求的最佳带隙宽度范围；电子迁移率高；易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108兆欧以上；具有良好的抗辐射能力：由于II-V族化合物是直接带隙，少数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领域；温度系数小：能在较高的温度下正常工作。GaAs太阳电池的优点21:1727资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍；污染环境，砷化物有毒物质，对环境会
11、造成污染；机械强度较弱，易碎；制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。材料密度大，GaAs材料密度为5.32g/cm3，是si材料密度的2倍多GaAs太阳电池的缺点 (2)多晶化合物太阳能电池 多晶化合物太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池等。21:1728291)CdTe电池 CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV,理论效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。工艺和技术近空间升华(CSS),电沉积，溅射、真空蒸发，丝网印刷等；实验室电池效率
12、16.4%；商业化电池效率平均810；CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场份额为0.3。21:17 碲化镉太阳能电池：PVD（物理气相沉积）工艺、溅射工艺21:173021:1731CdTe太阳电池的结构21:1732理想的带隙宽度：直接带隙的能带结构，CdTe的带隙为1.45eV，CdTe的光谱响应与太能光谱非常匹配。高光子吸收率：CdTe的吸收系数在可见光范围内达104/cm以上，95%的光子可在1um厚的吸收层被吸收，2um薄膜可吸收99%太阳光。转换效率高：CdTe薄膜太阳电池的理论光电转换效率为28%。电池性能稳定：Cd与Te的结合能高达5.75eV，比太阳所有的
13、光谱都高，其键不会被破坏。电池结构简单，制造成本低，工艺成熟，容易实现模组化。CdTe太阳电池的优点 2）铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池是近年发展起来的新型太阳能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔性村底。21:173334 CIGS是-族三元化合物半导体，带隙1.04eV。70年代中后期波音公司真空蒸发，电池效率达到9；80年代开始，ARCO Solar 公司处领先地位；90年代后期，NREL保持世界记录，19.5%；90年代初起，许多公司致力实现商业化生产，该电池目前处在兆
14、瓦级中试生产阶段，ARCO Solar Simens Shell公司。21:1721:1735l材料吸收率高，吸收系数高达105量级，直接带隙，适合薄膜化，电池厚度可做到2-3微米，降低昂贵的材料成本。l光学带隙可调：调制Ga/ln比，可使带隙在1.01.7eV间变化，可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配。l抗辐射能力强通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验，光电转换效率几乎不变。在空间电源方面有很强的竞争力。l稳定性好，不存在很多电池都有的光致衰退效应。l电池效率高小面积可达19.9%，大面积组件可达14.2%。l弱光特性好对光照不理想的地区犹显其优异性能。铜铟镓硒（CIGS）
15、太阳能电池优点21:173621:17371.有机化合物太阳能电池 以酞菁、卟啉、苝、叶绿素等为基体材料的太阳能电池。如有机PN结太阳能电池，有机肖特基太阳能电池等,聚乙烯太阳能电池、共轭聚合物/C60复合体系太阳能电池等。有机化合物太阳能电池21:17382009年4月26日nature photonics上的高效单结电池21:17392.敏化纳米晶太阳能电池 以TiO2、ZnO、SnO2等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽度半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。21:174041染料敏化
16、TiO2电池实际是一种光电化学电池。早期的TiO2光电化学电池稳定性差、效率低。1991年瑞士Grtzel 将染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到 11.21:17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解质中得到补偿，进入 TiO2 导带中的电子最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。21:1742敏化纳米晶太阳能电池敏化纳米晶太阳能电池21:1743444.5 太阳电池的未来发展趋势 1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。从199
17、8年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一 非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一；CIS电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素；Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速21:17各类太阳能性能比较种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅1524%1320%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅1017%1015%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅813%510%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高21:1745各类太阳能性能比较种类材料 单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓 19 32%2330%MOVPE和LPPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉 1015%710%铜铟硒 1012%810%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池811%58%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 35%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短21:1746
