太陽能電池PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1太陽能電池太陽能電池第2頁/共67頁傳統(tǒng)化石能源傳統(tǒng)化石能源不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能等可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能等資源豐富、利用方便、潔凈無污染資源豐富、利用方便、潔凈無污染10%24%40%26%石石油油煤煤天然氣天然氣其他其他世界的能源結(jié)構(gòu)世界的能源結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整太陽能利用的重要途徑之一太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！是研制太陽能電池！每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸化石能源開采高峰20202030年第3頁/共67頁第4頁/共67頁A-玻璃外殼玻璃外殼B-防反射層防反射層C-

2、正面電極正面電極D-N-SiE-P-SiF-背電極背電極第5頁/共67頁第6頁/共67頁第7頁/共67頁P(yáng)s: 太陽電池轉(zhuǎn)換效率的趨勢與太陽電池轉(zhuǎn)換效率的趨勢與“摩爾定律摩爾定律”不不同。同。第8頁/共67頁第9頁/共67頁第10頁/共67頁第11頁/共67頁3.1.1光吸收過程及本征吸收光吸收過程及本征吸收本征吸收非本征吸收光能量經(jīng)半導(dǎo)體吸收，使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶（即載流子越過Eg）。第12頁/共67頁躍遷吸收非躍遷吸收激子吸收雜質(zhì)遷吸收自由載流子吸收晶格吸收第13頁/共67頁ph 度第14頁/共67頁X = -1/ ln 95%第15頁/共67頁?0.45nm0.8nm1.12nm波長波長

3、0.45nm0.80nm21048102X(cm)1.510-43.710-3第16頁/共67頁第17頁/共67頁3.2.1電池結(jié)構(gòu)及工藝電池結(jié)構(gòu)及工藝Al-Ag背電極背電極P+PN+SiO2900?？狗瓷鋵影？狗瓷鋵覣l-Ag電極電極第18頁/共67頁第19頁/共67頁Ehf當(dāng)光子到達(dá)太陽電池表面，一當(dāng)光子到達(dá)太陽電池表面，一部分光子被反射掉了，但不是部分光子被反射掉了，但不是所有的光子都被反射掉，有一所有的光子都被反射掉，有一部分被部分被P-N結(jié)吸收或轉(zhuǎn)化。結(jié)吸收或轉(zhuǎn)化。第20頁/共67頁當(dāng)光子被吸收后，當(dāng)光子被吸收后，光子的能量被轉(zhuǎn)換光子的能量被轉(zhuǎn)換交給晶格中的電子交給晶格中的電子 ，這

4、就是光生伏特，這就是光生伏特效應(yīng)（效應(yīng)（photovoltaic effect）。）。太陽電池由半導(dǎo)體太陽電池由半導(dǎo)體材料制成，典型如材料制成，典型如：硅（：硅（Silicon）第21頁/共67頁第22頁/共67頁第23頁/共67頁第24頁/共67頁第25頁/共67頁EcEvq (VD-VOC)VOLEFNEFPPN非平衡態(tài)等同于非平衡態(tài)等同于PN結(jié)正偏時的效果結(jié)正偏時的效果lEFN分裂成：分裂成：EFN和和EFPlVOL = EFN - EFP第26頁/共67頁3.2.3 光生伏特效應(yīng)的光生伏特效應(yīng)的I-V曲線曲線IpVp最大矩形最大矩形第27頁/共67頁第28頁/共67頁第29頁/共67頁

5、第30頁/共67頁3.2.4 太陽能電池效率太陽能電池效率IV0ImpVmp第31頁/共67頁Na1015101610171018Voc(mV)504565625684第32頁/共67頁第33頁/共67頁第34頁/共67頁3.3 光生電流的收集效率光生電流的收集效率3.3.1光生載流子的收集光生載流子的收集第35頁/共67頁3.3.2 影響收集效率的因素影響收集效率的因素第36頁/共67頁第37頁/共67頁x載流子濃度載流子濃度x載流子濃度載流子濃度p+np+nI短短長長總總第38頁/共67頁第39頁/共67頁3.4 太陽電池設(shè)計(jì)的幾個問題太陽電池設(shè)計(jì)的幾個問題3.4.1光譜匹配光譜匹配到達(dá)地

6、球的能量約1.37 KW/m2第40頁/共67頁太陽能電池的發(fā)電原理是基于光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect)由太陽光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢。 UV Visible Infrared第41頁/共67頁3.4.2 太陽電池串聯(lián)電阻太陽電池串聯(lián)電阻Rs第42頁/共67頁RsR0薄層電阻表面層摻雜濃度Rb基體電阻1cmRc電極電阻合理收集柵極線設(shè)計(jì)第43頁/共67頁3.4.3 表面反射問題表面反射問題900?？狗瓷淠ぐ？狗瓷淠iO2p+n光吸收增加第44頁/共67頁第45頁/共67頁 金字塔形角錐體的表面積S0等于四個邊長為a正三角形S之和 S0 = 4S = 4aa = a2 由

7、此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。a第46頁/共67頁 當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點(diǎn)，產(chǎn)生反射光1和進(jìn)入硅中的折射光2。反射光1可以繼續(xù)投射到另一方錐的B點(diǎn)，產(chǎn)生二次反射光3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光4；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計(jì)算可知還有11%的二次反射光可能進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。圖（圖（1515）第47頁/共67頁第48頁/共67頁3.4.4 太陽電池的成本問題太陽電池的成本問題第49頁/共67頁第50頁/共67頁據(jù)所用材料分據(jù)所用材料分砷化鎵砷化鎵III-VIII-V化合物化合物硫化鎘硫化鎘銅銦硒銅銦硒單晶硅太陽能電池

8、單晶硅太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池3.5 各種太陽電池各種太陽電池第51頁/共67頁第52頁/共67頁種類材料太陽能單電池效率太陽能電池模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)硅系太陽能電池單晶硅1524%1320%表面結(jié)構(gòu)化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜效率最高技術(shù)成熟工藝繁瑣成本高多晶硅1017%1015%化學(xué)氣相沉積法液相外延法濺射沉積法無效率衰退問題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅813%510%反應(yīng)濺射法PECVD法LPCVD法成本較低轉(zhuǎn)換效率較高穩(wěn)定性不高第53頁/共67頁種類材料 單電池效率模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)多元化合物薄膜太陽能

9、電池砷化鎵19 32%2330%MOVPE和LPE技術(shù)效率較高成本較單晶硅低易于規(guī)模生產(chǎn)原材料鎘有劇毒碲化鎘1015%710%銅銦硒1012%810%真空蒸鍍法和硒化法價(jià)格低廉性能良好工藝簡單原材料來源比較有限納米晶化學(xué)太陽能電池811%8%溶膠凝膠法水熱反應(yīng)濺射法成本低廉工藝簡單性能穩(wěn)定聚合物多層修飾電極型太陽能電池35%處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短第54頁/共67頁工作原理第55頁/共67頁無機(jī)太陽能電池研究進(jìn)展 無機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用單晶硅：澳大利亞新南威爾士大學(xué)格林教授發(fā)電成本可降低為單晶硅：澳大利亞新南威爾士大學(xué)格林教授發(fā)電成本可降低為58美分美分/（kWh）第56頁/

10、共67頁第57頁/共67頁 3.5.4 色素敏化光化學(xué)太陽能電池（DSSCs）電池結(jié)構(gòu) 陽極：陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜染料敏化半導(dǎo)體薄膜 TiO2、染料染料陰極：陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃鍍鉑的導(dǎo)電玻璃電解質(zhì)：電解質(zhì)：I3-/I-第58頁/共67頁工作原理S + h S*S* S+ + e- CB(TiO2)S+ + A- S + AA + e-(CE) A-1991年年，瑞士，瑞士Grtzel M. 以較以較低的成本得到了低的成本得到了7%的光電轉(zhuǎn)的光電轉(zhuǎn)化效率?；?。1998年年，采用固體有機(jī)空穴傳，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料的全固態(tài)輸材料的全固態(tài)DSSCsDSSCs電池研制電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到到33%，從而引起了全世界的，從而引起了全世界的關(guān)注。關(guān)注。目前目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在率已能穩(wěn)定在10以上，壽命以上，壽命能達(dá)能達(dá) 1520年，且其制造成年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的本僅為硅太陽能電池的1/51/10。研究進(jìn)展第59頁/共67頁e-外電路光子電子能量色素分子層金層肖特基結(jié)TiO2層Ti基底124351.電子激發(fā)2.電子穿越3.電子進(jìn)導(dǎo)帶4.電子熱能化5.色素分子還原導(dǎo)