空間材料學(xué)太陽能電池

1、空間材料學(xué)太陽能電池 太陽能電池，又稱光伏器件，是一種太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿睦霉馍匦?yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核器件。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。心。 硅太陽能電池硅太陽能電池 多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池 有機(jī)聚合物電池有機(jī)聚合物電池 有機(jī)薄膜電池有機(jī)薄膜電池 納米晶電池納米晶電池 染料敏化電池染料敏化電池 塑料電池塑料電池1、硅太陽能電池、硅太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池：轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高

2、的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%（截止2011，為18%）。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難多晶硅薄膜太陽能電池：多晶硅薄膜太陽能電池：與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%（截止2011，為17%）。非晶硅薄膜太陽能電池：非晶硅薄膜太陽能電池：成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。2 2、多晶體薄膜電池、多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的

3、效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵（砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡稱銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要

4、方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。3、有機(jī)聚合物電池、有機(jī)聚合物電池由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。意義。 但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。相比。4、納米晶電池、納米晶電池納米納米晶體晶

5、體化學(xué)能太陽能電池化學(xué)能太陽能電池 優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到20年以上。此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，不久的將來會逐步走上市場。5、有機(jī)薄膜電池、有機(jī)薄膜電池有機(jī)有機(jī)薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機(jī)太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機(jī)材料制成的。6、染料敏化電池、染料敏化電池染料敏化太陽能電池，是將一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射，生成自由電

6、子和空穴。自由電子被TiO2吸收，從電極流出進(jìn)入外電路，再經(jīng)過用電器，流入電解液，最后回到色素。 染料敏化太陽能電池的制造成本很低，這使它具有很強(qiáng)的競爭力。它的能量轉(zhuǎn)換效率為12%左右。7、塑料電池、塑料電池 塑料太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，其成本低廉、環(huán)保。但目前塑料太陽能電池尚不成熟，預(yù)計(jì)在未來5年到10年，基于塑料等有機(jī)材料的太陽能電池制造技術(shù)將走向成熟并大規(guī)模投入使用。 太陽能光伏發(fā)電，可視為迄今為太陽能光伏發(fā)電，可視為迄今為止最美妙、最長壽和最可靠的發(fā)電技止最美妙、最長壽和最可靠的發(fā)電技術(shù)。與太陽能發(fā)電相比，它另涉及半術(shù)。與太陽能發(fā)電相

7、比，它另涉及半導(dǎo)體器件，既無運(yùn)動部件，又無流動導(dǎo)體器件，既無運(yùn)動部件，又無流動工質(zhì)，因此，避免了機(jī)械維修和工質(zhì)工質(zhì)，因此，避免了機(jī)械維修和工質(zhì)腐蝕的問題腐蝕的問題,是可再生能源和可持續(xù)發(fā)是可再生能源和可持續(xù)發(fā)展的可靠能源展的可靠能源 1954 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6 1955 第一個(gè)光伏航標(biāo)燈問世，美國第一個(gè)光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明發(fā)明Ga As太陽能電池太陽能電池 1958 太陽能電池首次裝備于美國先鋒太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8。 1959 第一個(gè)單晶硅太陽能電池問世。第一個(gè)單晶硅

8、太陽能電池問世。 1960 太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。 1974 突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達(dá)到突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達(dá)到18。 1975 非晶硅及帶硅太陽能電池問世非晶硅及帶硅太陽能電池問世 1978 美國建成美國建成100KW光伏電站光伏電站 1980 單晶硅太陽能電池效率達(dá)到單晶硅太陽能電池效率達(dá)到20多晶硅為，多晶硅為，Ga As為為 1986 美國建成光伏電站美國建成光伏電站 1990 德國提出德國提出“2000光伏屋頂計(jì)劃光伏屋頂計(jì)劃” 1995 高效聚光高效聚光Ga As太陽能電池問世，效率達(dá)太陽能電池問世，效率達(dá)32。 1997

9、 美國提出美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃，日本提出克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃，日本提出“新陽新陽 光計(jì)劃光計(jì)劃” 1998 單晶硅太陽能電池效率達(dá)到，荷蘭提出單晶硅太陽能電池效率達(dá)到，荷蘭提出“百萬光伏屋頂百萬光伏屋頂 計(jì)劃計(jì)劃” 2000 世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計(jì)劃，歐洲計(jì)劃2010年生產(chǎn)年生產(chǎn)60億億 瓦光伏電池瓦光伏電池 在全球日益重視環(huán)保的大趨勢下，太陽能電在全球日益重視環(huán)保的大趨勢下，太陽能電池行業(yè)在未來幾年會繼續(xù)快速發(fā)展。但是太陽池行業(yè)在未來幾年會繼續(xù)快速發(fā)展。但是太陽能電池發(fā)電的成本較高，是不是能夠普及，就能電池發(fā)電的成本較高，是不

10、是能夠普及，就要看各國政府如何認(rèn)識太陽能發(fā)電的重要性，要看各國政府如何認(rèn)識太陽能發(fā)電的重要性，采取什么樣的支持政策，當(dāng)然作為企業(yè)要努力采取什么樣的支持政策，當(dāng)然作為企業(yè)要努力降低成本。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在這降低成本。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在這10年里業(yè)界要年里業(yè)界要努力研發(fā)新技術(shù)使太陽能電池成本降低，四五努力研發(fā)新技術(shù)使太陽能電池成本降低，四五年以后太陽能電池發(fā)電的成本應(yīng)該會有所下降，年以后太陽能電池發(fā)電的成本應(yīng)該會有所下降，另外，要面向消費(fèi)者大力宣傳發(fā)展太陽能電池另外，要面向消費(fèi)者大力宣傳發(fā)展太陽能電池的重要性，使人們改變消費(fèi)觀念。的重要性，使人們改變消費(fèi)觀念。用戶太陽能電源用戶太陽能電源1.1.小型電

11、源小型電源10-100W10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等、電視、收錄機(jī)等 太陽能電源太陽能電源太陽能逆變器太陽能逆變器3-5KW3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井 飲用、灌溉飲用、灌溉 如航標(biāo)燈、交通如航標(biāo)燈、交通/ /鐵路信號燈、交通警示鐵路信號燈、交通警示/ /標(biāo)志燈、路標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路燈、高空障礙燈、高速公路/ /鐵路無線鐵路無線 亭、無人值守道亭、無

12、人值守道班供電等。班供電等。3.1.2 交通領(lǐng)域交通領(lǐng)域 太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/ /通通訊訊/ /尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波 光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵士兵GPSGPS供電等。供電等。3.1.3 通訊通訊/通信領(lǐng)域通信領(lǐng)域風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池石油、海洋、氣象領(lǐng)域石油、海洋、氣象領(lǐng)域 石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象象

13、/ /水文觀測設(shè)備等水文觀測設(shè)備等海洋氣象監(jiān)測標(biāo)海洋氣象監(jiān)測標(biāo) 如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。家庭燈具電源家庭燈具電源光伏電站光伏電站光伏電站光伏電站空間太陽能電池的應(yīng)用背景空間太陽能電池的應(yīng)用背景 現(xiàn)在科學(xué)在對宇宙的探索過程中，太陽能電池是現(xiàn)在科學(xué)在對宇宙的探索過程中，太陽能電池是衛(wèi)星和空間電站的主要能量來源。太陽能電池作為一衛(wèi)星和空間電站的主要能量來源。太陽能電池作為一種高效率、長壽命、高可靠性的空間能源，在已發(fā)射種高效率、長壽命、高可靠性的空間能源，在已發(fā)射的的 3,00

14、0多顆各類人造衛(wèi)星中，多顆各類人造衛(wèi)星中，80以上的衛(wèi)星能源以上的衛(wèi)星能源都利用了太陽能電池組件，空間太陽能電池需求量增都利用了太陽能電池組件，空間太陽能電池需求量增長迅速長迅速空間太陽能電池的基本要求空間太陽能電池的基本要求衛(wèi)星的發(fā)射成本高達(dá)衛(wèi)星的發(fā)射成本高達(dá)80000$/Kg，因此要求太陽能，因此要求太陽能 電池的轉(zhuǎn)換效率高和重量輕。電池的轉(zhuǎn)換效率高和重量輕?？臻g太陽能電池工作時(shí)直接受到各種高能粒子以及空間太陽能電池工作時(shí)直接受到各種高能粒子以及 高強(qiáng)度紫外線的輻照，所以還要求空間太陽能電池高強(qiáng)度紫外線的輻照，所以還要求空間太陽能電池 的抗輻照性能高。的抗輻照性能高。最好是直接帶隙半導(dǎo)體，

15、原料豐富，無毒無害；可最好是直接帶隙半導(dǎo)體，原料豐富，無毒無害；可 重復(fù)的沉積技術(shù)以滿足大規(guī)模生產(chǎn)；光伏轉(zhuǎn)換效率重復(fù)的沉積技術(shù)以滿足大規(guī)模生產(chǎn)；光伏轉(zhuǎn)換效率 高；抗輻照，長期的使用穩(wěn)定性高；抗輻照，長期的使用穩(wěn)定性；空間太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施空間太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施影響因素影響因素：太陽能電池是太空飛行器在空間運(yùn)轉(zhuǎn)的唯一動力來源，沒有可靠的能源供應(yīng)，航天器將無法正常工作和運(yùn)行。太陽能電池方陣在太空中隨飛行器高速飛行，要承受惡劣環(huán)境和突發(fā)現(xiàn)象，例如要經(jīng)受到在太空中急速移動的各種塵埃、能量粒子以及太空垃圾的沖擊、摩擦；真空中高能射線的輻照;經(jīng)受-185150的高低溫急變沖擊等。保護(hù)措施：保護(hù)措施：目前，國內(nèi)外空間太陽能電池的保護(hù)，多采用耐輻照玻璃蓋片來實(shí)現(xiàn)?？臻g太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施空間太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施 耐輻照玻璃(irradiation resist