光電功能材料分類和工作原理

1、光電功能材料分類和工作原理光電功能材料分類和工作原理3. 光功能材料 3.1. 激光材料 非線性光學(xué)材料 3.3. 光纖材料 3.4. 光電顯示材料 3.5. 光伏材料及太陽能電池 3.6. 納米材料 3.7. 液晶材料與LCD目錄光電功能材料分類和工作原理內(nèi)容序言太陽能電池簡介太陽能電池工作原理太陽能電池分類太陽能電池對材料的要求各類太陽能電池的制造方法及研究狀況利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點太陽能電池的展望光電功能材料分類和工作原理一、序言1、地球每天接收的太陽能，相當(dāng)于整個世界一年所消耗的總能量的200倍。太陽每秒發(fā)出的能量就大約相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時所釋放出的全部熱量。2、太陽

2、能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。太陽能電池是太陽能利用的重要途徑之一光電功能材料分類和工作原理 二十一世紀(jì)將是能源危機和能源革命的世紀(jì)。眾所周知，世界上已探明的石油存儲量只能供應(yīng)40至50年，世界上石油儲量67%在中東，我國2004年進口原油億噸和成品油4000萬噸。我國已探明煤炭儲存量約8200億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，利用目前的工藝技術(shù)，可以安全開采的總儲量約1500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2004年我國煤炭能源消耗為億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照目前能源消耗增長的速率來計算的話，則我國的煤炭僅能夠滿足3040年的使用。常規(guī)能源是地球46億年形成過程中，太陽給予地球能源的儲存，可是在我們幾代人的發(fā)展過程中，就將這種常規(guī)

3、能源消耗殆盡，這不僅危及到我國的持續(xù)發(fā)展，而且也是危及到中華民族的能否繼續(xù)生存發(fā)展的大事。 光電功能材料分類和工作原理我國已決定發(fā)展核電，在未來十幾年內(nèi)將興建約40個百萬千瓦級核電組，如果2020年我國電力裝機總量達到9億千瓦，則核電只占總裝機容量的幾個百分點，但是預(yù)計我國在按照目前的耗能情況比例上升，到2020年全國消耗常規(guī)能源為60億噸，所排放的CO2將高達200億噸以上，對人類的生存環(huán)境將造成嚴(yán)重的影響。我國天然鈾資源短缺，大力進口天然鈾，將會遇到更為嚴(yán)重的困難，人們還寄托希望于釷，如果釷能發(fā)電，那將提供我國上千年的能源需求，但是釷能否實現(xiàn)象鈾一樣的發(fā)電，目前尚無結(jié)論。我國東海、南海的能

4、源開發(fā)有待積極進行國際協(xié)作開發(fā)，其儲量尚未可知。常規(guī)能源的消耗量不可逆轉(zhuǎn)的，也是有盡時的。 光電功能材料分類和工作原理 太陽能就是無污染的巨大能源，太陽實時給予地球的能量是人類每天所消耗的能量的上萬倍，其中70%以上的能量是給予了大海，陸地的降雨量、沿海的臺風(fēng)、颶風(fēng)都是太陽能轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)形式。據(jù)專家計算，我國陸地每年接受太陽輻射的能量約為24000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這是取之不盡、用之不竭的綠色能源。問題是應(yīng)該盡快地研制出價格低廉、轉(zhuǎn)換效率較高的光伏電池。目前的太陽能電池每三千瓦約需一萬美元，價格十分昂貴，遠遠地超過我們的國家和人民所能承受的極限。研制廉價和轉(zhuǎn)化效率高的太陽能電池的歷史使命就責(zé)無旁貸地落

5、在光電子科技工作者的肩上。光電功能材料分類和工作原理太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173,000TW（1tw=1012w） 。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為2，相當(dāng)于有102,000TW 的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能

6、的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 光電功能材料分類和工作原理太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.751026W）的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤 它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：無枯竭危險；絕對干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；獲取能源花費的時間短。光電功能材料分類和工作原理能源狀況傳統(tǒng)礦石能源不可再生、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、太陽能等資源豐富、利用方便、潔凈無污染石油煤

7、天然氣其他世界的能源結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！每年排放的二氧化碳達210萬噸礦石能源開采高峰20202030年光電功能材料分類和工作原理世界和中國主要常規(guī)能源儲量預(yù)測光電功能材料分類和工作原理二、太陽能電池簡介1、太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，采用半導(dǎo)體產(chǎn)生PN結(jié)來獲得電位。2、太陽能電池是物理電池之一。 光電功能材料分類和工作原理太陽能電池的發(fā)展1954年美國貝爾實驗室制成了世界上第一個實用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國的先鋒1號人造衛(wèi)星上。太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場合進入到地面應(yīng)用中。一個4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿足普通家庭的用電需

8、要，每年少排放的CO2的數(shù)量相當(dāng)于一輛家庭轎車的年排放量。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進，現(xiàn)在太陽能電池的價格不到20世紀(jì)70年代的1%。預(yù)期10年內(nèi)太陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電成本將可與火力發(fā)電競爭。目前，年均增長率35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的行業(yè)。光電功能材料分類和工作原理三、太陽能電池工作原理光伏效應(yīng)光電功能材料分類和工作原理太陽光譜圖太陽能電池的發(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 Infrared48%光電功能材料分類和工作原理太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體

9、主要結(jié)構(gòu)如下： 圖中，正電荷表示硅原子， 負電荷表示圍繞在硅原 子旁邊的四個電子。太陽能電池利用原理光電功能材料分類和工作原理采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。P型半導(dǎo)體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴； N型半導(dǎo)體（N指negative，帶負電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負電的自由電子； 當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動

10、，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。 光電功能材料分類和工作原理四、太陽能電池的分類 1、硅系太陽能電池 2、多元化合物薄膜太陽能電池 3、有機薄膜太陽能電池 4、染料敏化太陽能電池據(jù)所用材料分砷化鎵III-V化合物硫化鎘銅銦硒單晶硅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光電功能材料分類和工作原理太陽能電池的種類無機太陽能電池半導(dǎo)體硅 (單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）化合物半導(dǎo)體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機太陽能電池有機半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）染料敏化（光化學(xué)）太陽能電池（納米TiO2等）按照所用材料的不同

11、：光電功能材料分類和工作原理無機太陽能電池半導(dǎo)體中可以利用各種勢壘如pn結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負載。 工作原理光電功能材料分類和工作原理無機太陽能電池研究進展表1 無機太陽能電池的性能及應(yīng)用光電功能材料分類和工作原理有機太陽能電池有機太陽能電池，顧名思義，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池 。 研究進展: 美國加州伯克利分?？茖W(xué)家在2002年利用塑料納米技術(shù)研制出第一代塑料太陽能電池，可以安

12、裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供的電壓。特點：價格低、易成型，通過化學(xué)修飾調(diào)控性能。光電功能材料分類和工作原理染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池，其主要優(yōu)勢是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上去的突破以來，歐、美、日等發(fā)達國家投入大量資金研發(fā)。光電功能材料分類和工作原理染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池

13、的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)ox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長波可見光，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提高。1883年，德國光電化學(xué)專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感，這是對染料敏化效應(yīng)的最早報導(dǎo)。使用有機染料分子可以擴展鹵化銀照相軟片對可見光的響應(yīng)范圍到紅光甚至紅外波段，這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。光電功能材料分類和工作原理染料敏化太陽能電池1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相

14、術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時不能確定其機理，即不確定敏化到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是通過能量的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的。直到20世紀(jì)60年代，德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機理，才使人們認識到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。光電功能材料分類和工作原理染料敏化太陽能電池但是由于當(dāng)時的光電化學(xué)電池采用的是致密半導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很

15、少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達不到應(yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆?；虮砻娣e很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。1991年，Grtzel在ORegan的啟發(fā)下，應(yīng)用了ORegan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達到7.9 %，取得了染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說，納米技術(shù)促進了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。 光電功能材料分類和工作原理 染料敏化太陽能電池（DSSCs）電池結(jié)構(gòu) 陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜 TiO2、染料陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,

16、353,737740光電功能材料分類和工作原理五、太陽能電池對材料的要求半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率材料本身對環(huán)境不造成污染材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定光電功能材料分類和工作原理六、各類太陽能電池的制造方法及研究狀況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)點缺點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a1017%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)定性不高光電功能材

17、料分類和工作原理種類材料 單電池效率模塊效率主要制備方法優(yōu)點缺點多元化合物薄膜太陽能電池砷化鎵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)定有機薄膜太陽能電池35%處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短光電功能材料分類和工作原理七、利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：屬于可再生能源，不必擔(dān)心能源枯竭太陽能本身并不會給地球增加熱負荷運行過程中低污染、平穩(wěn)無噪音發(fā)電裝置需

18、要極少的維護,壽命可達20年所產(chǎn)生的電力既可供家庭單獨使用也可并入電網(wǎng)用途廣泛光電功能材料分類和工作原理缺點：受地域及天氣影響較大由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會占去較大的面積光電轉(zhuǎn)化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式偏高光電功能材料分類和工作原理 目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達以上，但價格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到，每瓦發(fā)電設(shè)備價格降到美元時，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競爭。 當(dāng)然，特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多。如美國波音公司開發(fā)的

19、由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。八、太陽能電池的展望光電功能材料分類和工作原理八、太陽能電池的展望III-V族化合物及銅銦硒等系由稀有元素所制備，但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導(dǎo)地位。另兩類電池染料敏化太陽能電池和有機薄膜太陽能電池，它們的研究剛剛起步，短時間內(nèi)不可能替代硅系太陽能電池。從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，多晶硅和非晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，近來國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅

20、薄膜太陽能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較理想的。光電功能材料分類和工作原理小 結(jié)太陽能電池在航天技術(shù)發(fā)展中有著不可替代的作用。由于材料與器材結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā),太陽電能池的地面應(yīng)用的潛在能力得到了發(fā)揮。從微觀上認識光伏太陽能電池的本質(zhì)，開展原位表征和超快時間分辨技術(shù)研究光生電子的遷移傳輸規(guī)律，為人們設(shè)計較高光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料及染料敏化劑提供理論指導(dǎo)。太陽能的開發(fā)利用是人類進入21世紀(jì)必須解決的難題。太陽能電池作為清潔太陽能轉(zhuǎn)換裝置將有利于緩解世界的能源危機和環(huán)境污染問題。太陽能電池的研究有著重要的意義。光電功能材料分類和工作原理光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1、傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，

21、嚴(yán)重的環(huán)境污染 制約了世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。2、能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn) 略物資。3、太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生 能源。4、世界各國競相出臺發(fā)展可再生能源的扶持政策、 法令、法規(guī)。5、從2006年1月1開始，我國可再生能源法開 始實施。光電功能材料分類和工作原理根據(jù)歐盟的預(yù)測：到2030年 太陽能發(fā)電將占總能耗10%以上 可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占30%到2050年 太陽能發(fā)電將占總能耗20% 可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占50%以上光電功能材料分類和工作原理1、世界光伏電池產(chǎn)量快速增長，最近年的平均增長速度超過0%。 2005年世界太陽電池產(chǎn)量達到1650MW，

22、比2004增加了38%。日本光伏電池產(chǎn)量再次領(lǐng)先增長到762MW，增長率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%，達到464MW；美國增加12%，達到156MW；世界其他地區(qū)增加96%，達到274MW。二、世界光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用特點光電功能材料分類和工作原理歷年世界太陽電池產(chǎn)量光電功能材料分類和工作原理世界頂級十家太陽能電池生產(chǎn)廠2005年及2006（預(yù)測）產(chǎn)量公司2005年產(chǎn)量排名2006年預(yù)測產(chǎn)量排名夏普428 MW兆瓦 1500 MW1Q-Cells166 MW2234 MW2京瓷142 MW3175 MW3三洋125 MW4150 MW4三菱100 MW5125 MW6肖特95 MW6110 MW7B

23、P太陽能86 MW7105 MW10尚德82 MW8150 MW4茂迪60 MW9110 MW7Detsche cell包括殼牌太陽能 96 MW殼牌太陽能5910110 MW7光電功能材料分類和工作原理2、在光伏應(yīng)用和安裝方面，德日美依然是世界三個最大最主要的光伏應(yīng)用市場。 2005年全球安裝太陽電池組件1460MW,比前一年增長了34%。德國安裝837MW,比前一年增長了53%；占世界安裝量的57%；日本安裝292MW,比前一年增長了14% ，占世界安裝量的20%；美國安裝102MW，占世界安裝量的7%；歐洲其它地區(qū)安裝88MW，占世界安裝量的6%；世界其它地區(qū)安裝146MW，占世界安裝量

24、的10%。 光電功能材料分類和工作原理2005年世界各地光伏安裝量及所占比例地區(qū)2005年安裝量（MW）德國837日本292美國102歐洲其它地區(qū)88世界其它地區(qū)146光電功能材料分類和工作原理3、晶體硅太陽電池繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，占據(jù)了90%以上的份額，其中多晶硅太陽電池的份額為52.3%，單晶硅為38.3%，帶硅/片硅電池2.9%。預(yù)計今后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導(dǎo)地位。光電功能材料分類和工作原理1995-2005年各類太陽電池的產(chǎn)量百分比（%）1999200020012002200320042005單晶硅40.837.434.636.432.236.238.3多晶硅42.148.250.251

25、.657.254.752.3帶硅/片硅4.14.35.64.64.43.32.9非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7銻化鎘0.50.30.50.71.11.11.6銅銦化錫0.20.20.20.20.60.40.2光電功能材料分類和工作原理2004-2008年多晶硅原料的產(chǎn)量及預(yù)測年份200420052006(e)2007(e)2008(e)全球硅料產(chǎn)量(噸)2800032000360004200052000半導(dǎo)體消耗量(噸)1800018000189001984520837太陽能硅料(噸)1000014000171002215531163每瓦消耗量(克)1312111110硅片

26、產(chǎn)量(MW)7691167155520142833電池片產(chǎn)量(MW)900137382923703333電池片需求量(MW)12001560202826363427供需缺口(MW)30018719926794光電功能材料分類和工作原理2004-2008年世界主要高純多晶硅制造商產(chǎn)量和生產(chǎn)能力一覽表公司名稱產(chǎn)量(噸)擴產(chǎn)后的產(chǎn)能(噸)20042005200620072008Hemlock(美國)7000740077001000011000Wacker(德國)50005000550065009000Tokuyama(日本)52005200540054008400MEMC(美國/意大利)25003700520064008000REC SGS(美國)21002300270060007400REC AsiMI(美國)22003000330033003300三菱(日本/美國)28002800280028002800住友鈦(日本)700700700700700光電功能材料分類和工作原理我國1、近幾年來太陽電池產(chǎn)量迅速增長。1958年 開始研究太陽電池1971年 首次將光伏電池成功應(yīng)用于東方紅2號衛(wèi)星1973年 開始太陽電池地面應(yīng)用從七十年代初到八十年代末，由于成本高，太陽