1、2021/3/151碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池2021/3/152CIGS电池的发展历史及研究现状电池的发展历史及研究现状结构结构效率效率1963年 CusanoN-CdTe/P-Cu2-xTe7%1969年AdirovichCdS/CdTe1991年T.L.ChuN-CdS/P-CdTe13.4%2001年X.WuN-CdS/P-CdTe16.5%2011年 First Solar17.3%2011年 GE12.8%（组件）2021/3/15310cm*10cm小型碲化镉薄膜太阳能电池模组碲化镉薄膜太阳能电池组件2021/3/154CdTe薄膜太阳能电池的优点薄膜太阳能电池的优点 Cd
2、Te是一种是一种-族化合物半导体族化合物半导体,为为直接带隙半导体直接带隙半导体。吸。吸收系数高达收系数高达104cm-1,电池厚度可做到电池厚度可做到23微米微米,降低昂贵的降低昂贵的材料成本材料成本 带隙宽度为带隙宽度为1.5eV,CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配的光谱响应和太阳光谱非常匹配碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为28%Cd-Te化学键的键能为化学键的键能为5.7eV一般的碲化镉薄膜太阳一般的碲化镉薄膜太阳能电池的设计使用时间为能电池的设计使用时间为20年年 单质单质Cd和和Te相遇只能存在固态的相遇只能存在固态的CdTe产品
3、均匀性、产品均匀性、良品率高良品率高,非常适合大规模生产非常适合大规模生产 真空环境真空环境,温度高于温度高于4000C,CdTe升华升华,温度低于温度低于4000C或气或气压升高压升高,升华减弱升华减弱,并凝结成固体并凝结成固体真快快速薄膜制备真快快速薄膜制备 弱光特性好弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能对光照不理想的地区犹显其优异性能.2021/3/155常用太阳电池材料的光吸收系数常用太阳电池材料的光吸收系数2021/3/156CdTe薄膜太阳能电池的缺点薄膜太阳能电池的缺点 Te是稀缺材料是稀缺材料 Cd本身有毒本身有毒Cd2021/3/157CdTe薄膜太阳能电池的结构薄膜
4、太阳能电池的结构2021/3/158CdTe薄膜的制备工艺薄膜的制备工艺CdTe薄膜薄膜:商业化生产商业化生产:近空间升华（近空间升华（CSS）、气相输）、气相输 运沉积（运沉积（VTD）和磁控溅射）和磁控溅射2021/3/159近空间升华（近空间升华（CSS）2021/3/1510小面积单体电池研小面积单体电池研究机构究机构 面积面积/cm2开路电压开路电压/V 转换效率转换效率/%Matsushita1.0 /16 USF 0.9280.845 15.8 SCI 0.270.83913.3CSM 0.100.77812.9NREL 0.690.82312.8大面积单体电池研究机构 面积/c
5、m2 功率/W转换效率/%BP Solar 454038.28.4SCI 6728619.1GP 352827.27.7Matsushita 1200108.72021/3/15112021/3/15122021/3/1513铜铟镓硒太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池2021/3/1514CIGS电池的发展历史及研究现状电池的发展历史及研究现状70年代年代Bell实验室实验室Shaly等人系统研究了三元黄铜矿半导体材料等人系统研究了三元黄铜矿半导体材料CIS的生长机理、电学性质及在光电探测方面的应用的生长机理、电学性质及在光电探测方面的应用 1974年年,Wagner利用单晶利用单晶ClS研制出高效
6、太阳能电池研制出高效太阳能电池,制备困难制约了制备困难制约了单晶单晶ClS电池发展电池发展1976年年,Kazmerski等制备出了世界上第一个等制备出了世界上第一个ClS多晶薄膜太阳能电池多晶薄膜太阳能电池80年代初年代初,Boeing公司研发出转换效率高达公司研发出转换效率高达9.4%的高效的高效CIS薄膜电池薄膜电池80年代期间年代期间,ARCO公司开发出两步公司开发出两步(金属预置层后硒化金属预置层后硒化)工艺工艺,方法是方法是先溅射沉积先溅射沉积Cu、In层层,然后再在然后再在HSe中退火反应生成中退火反应生成CIS薄膜薄膜,转换效转换效率也超过率也超过10%1994年年,瑞典皇家工
7、学院报道了面积为瑞典皇家工学院报道了面积为0.4cm效率高达效率高达17.6%的的ClS太阳能电池太阳能电池90年代后期年代后期,美国可再生能源实验室美国可再生能源实验室(NREL)一直保持着一直保持着CIS电池的最电池的最高效率记录高效率记录,并并1999年年,将将Ga代替部分代替部分In的的CIGS太阳能电池的效率达太阳能电池的效率达到了到了18.8%,2008年更提高到年更提高到19.9%2021/3/1515CIGS薄膜太阳能电池的优点薄膜太阳能电池的优点 材料吸收率高材料吸收率高,吸收系数高达吸收系数高达105量级量级,直接带隙直接带隙,适合薄膜适合薄膜化化,电池厚度可做到电池厚度可
8、做到23微米微米,降低昂贵的材料成本降低昂贵的材料成本 光学带隙可调光学带隙可调.调制调制Ga/In比比,可使带隙在可使带隙在1.01.7eV间变化间变化,可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配 抗辐射能力强抗辐射能力强.通过电子与质子辐照、温度交变、振动、通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验加速度冲击等试验,光电转换效率几乎不变光电转换效率几乎不变.在空间电源方在空间电源方面有很强的竞争力面有很强的竞争力 稳定性好稳定性好,不存在很多电池都有的不存在很多电池都有的光致衰退效应光致衰退效应 电池效率高电池效率高.小面积可达小面积可达19.9%,
9、大面积组件可达大面积组件可达14.2%弱光特性好弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能对光照不理想的地区犹显其优异性能.2021/3/1516CIGS的晶体结构的晶体结构CuInSe2黄铜矿晶格结构黄铜矿晶格结构CuInSe2复式晶格复式晶格:a=0.577,c=1.154直接带隙半导体直接带隙半导体,其光吸收系数高达其光吸收系数高达105量级量级禁带宽度在室温时是禁带宽度在室温时是1.04eV,电子迁移率和空电子迁移率和空穴迁移率分穴迁移率分3.2X102(cm2/Vs)和和1X10(cm2/Vs)通 过 掺 入 适 量 的通 过 掺 入 适 量 的 G a 以 替 代 部 分以 替
10、代 部 分 I n,形 成形 成CulnSe2和和CuGaSe2的固熔晶体的固熔晶体Ga的掺入会改变晶体的晶格常数的掺入会改变晶体的晶格常数,改变了原子改变了原子之间的作用力之间的作用力,最终实现了材料禁带宽度的改最终实现了材料禁带宽度的改变变,在在1.04一一1.7eV范围内可以根据设计调整范围内可以根据设计调整,以以达到最高的转化效率达到最高的转化效率自室温至自室温至810保持稳定相保持稳定相,使制膜工艺简单使制膜工艺简单,可操作性强可操作性强.2021/3/1517CIGS薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构金属栅电极减反射膜(MgF2)窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属背
11、电极Mo玻璃衬底低阻AZO高阻ZnO金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金
12、属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属
13、栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极玻璃衬底金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极2021/3/1518CIGS薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构2021/3/1519结构原理结构原理l减反
14、射膜减反射膜:增加入射率增加入射率lAZO:低阻低阻,高透高透,欧姆接触欧姆接触li-ZnO:高阻高阻,与与CdS构成构成n区区lCdS:降低带隙的不连续性降低带隙的不连续性,缓缓 冲晶格不匹配问题冲晶格不匹配问题lCIGS:吸收区吸收区,弱弱p型型,其空间电其空间电 荷区为主要工作区荷区为主要工作区lMo:CIS的晶格失配较小且热膨的晶格失配较小且热膨 胀系数与胀系数与CIS比较接近比较接近2021/3/15202021/3/1521染料敏化太阳能电池（染料敏化太阳能电池（DSSC）2021/3/1522典型染料敏化太阳电池组成典型染料敏化太阳电池组成:（1）光电极）光电极:TCO+多孔二氧
15、多孔二氧 化钛层化钛层（2）敏化剂）敏化剂:染料染料(N719/N3)+溶剂溶剂（3）电解质）电解质:I-/I3-(LiI/I2)+溶溶 剂剂（4）对电极）对电极:TCO+Pt催化层催化层2021/3/1523DSSC原理示意图原理示意图:2021/3/1524光电转换机理光电转换机理:(1)(1)太阳光太阳光(hv)(hv)照射到电池上照射到电池上,基态染料分子基态染料分子(S)(S)吸收太阳光能吸收太阳光能量被激发量被激发,染料分子中的电子受激跃迁到激发态染料分子中的电子受激跃迁到激发态 (S(S*);(2)(2)激发态的电子快速注入到激发态的电子快速注入到TiOTiO2 2导带中导带中;
16、(3)(3)电子在电子在TiOTiO2 2膜中迅速的传输膜中迅速的传输,在导电基片上富集在导电基片上富集,通过外电通过外电路流向对电极路流向对电极;(4)(4)处于氧化态的染料分子处于氧化态的染料分子(S(S*)与电解质与电解质(I(I-/I/I3 3-)溶液中的电子溶液中的电子供体供体(I(I-)发生氧化还原反应而回到基态发生氧化还原反应而回到基态,染料分子得以再生染料分子得以再生;(5)(5)在对电极附近在对电极附近,电解质溶液得到电子而还原。电解质溶液得到电子而还原。2021/3/1525 光的捕获和光生载流子的传输都是有敏化剂和光的捕获和光生载流子的传输都是有敏化剂和TiO2半导体分别
17、完成的半导体分别完成的23-31.2.TiO3.2+324.3DhDDDeDBDIDIIeI（）其中其中:D为基态染料分子为基态染料分子;D为激发态染料分子为激发态染料分子;D+为氧化态染料分子为氧化态染料分子2021/3/1526 材料成本较低、制备工艺简单 转换效率随温度上升而提升不同于硅基太阳电池 电池两面均可以吸收光有利于吸收散射光 制备出半透明或不同颜色的电池装饰功能强 质量轻以及可制成柔性器件便于携带 能源回收期较短小于1年 较高的转换效率最高转换效率超出12%染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池的特点2021/3/1527太阳叶结构太阳叶结构通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶通过调
18、整敏化剂颜色获得的太阳叶染料敏化太阳电池制成的染料敏化太阳电池制成的“太阳叶太阳叶”2021/3/15282021/3/1529聚光太阳电池聚光太阳电池2021/3/1530聚光太阳电池聚光太阳电池聚光型太阳能电池(Concentrator Photovoltaic)高聚光镜面菲涅尔透镜(Fresnel Lenes)太阳光追踪器(Sun Tracker)其太阳能能量转换效率可达31%40.7%,虽然转换效率高,但是由于向阳时间长,过去用于太空产业,现在搭配太阳光追踪器可用于发电产业,比较不适合用于一般家庭。2021/3/1531聚光太阳电池的特征聚光太阳电池的特征聚光型太阳能电池主要材料是砷化
19、镓(GaAs),也就是三五族(III-V)材料,一般硅晶材料只能够吸收太阳光谱中4001,100nm波长之能量,而聚光型不同于硅晶圆太阳能技术,透过多接面化合物半导体可吸收较宽广之太阳光谱能量,目前以发展出三接面InGaP/GaAs/Ge的聚光型太阳电池可大幅提高转换效率,三接面聚光型太阳电池可吸收3001900nm波长之能量相对其转换效率可大幅提升,而且聚光型太阳能电池的耐热性比一般晶圆型太阳能电池又来的高。2021/3/1532聚光太阳电池的优缺点聚光太阳电池的优缺点聚光电池最大的一个优点就是它的转换效率十分理想。目前,商业运用的聚光电池转换效率达到25%-30%,这大大高于前两代太阳能电
20、池的转换效率。据中投顾问发布的2010-2015年中国太阳能电池行业投资分析及前景预测报告显示,目前,商业运用的晶硅太阳能电池转换效率最高可达20%左右,薄膜太阳能电池的转换效率不超过15%。此外,聚光电池另一优点是电池片用量少,可以节约一定的成本。但是,聚光电池也有不能忽视的缺点。由于原料稀缺,生产聚光电池的成本很高,大大高于前两代太阳能电池的生产成本。成本高企降低了光伏企业的研发和生产热情,也严重制约聚光电池的普及运用;另外,生产聚光电池耗能较大,在国家积极推行节能减排的情况下,制造聚光电池必然会受到国家的一些限制。2021/3/1533聚光型太阳能电池聚光型太阳能电池2021/3/1534追日聚光型太阳能追日聚光型太阳能电池太阳能电池太阳能2021/3/1535太陽能材料對光譜的吸收能力表太陽能材料對光譜的吸收能力表2021/3/1536矽矽(Si)與砷化鎵與砷化鎵(GaAs)對溫度的發電轉換效率比較對溫度的發電轉換效率比較
