空間材料學(xué)太陽能電池

空間材料學(xué)太陽能電池第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一太陽能電池定義及分類太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀報告內(nèi)容第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一太陽能電池定義及分類太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀報告內(nèi)容第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.1太陽能電池定義

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)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

√硅太陽能電池√多晶體薄膜電池√有機(jī)聚合物電池√有機(jī)薄膜電池√納米晶電池√染料敏化電池√塑料電池第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

1、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：轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為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格高，大幅度降低其成本很困難

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：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。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

2、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（GaAs）III-V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重要方向。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。第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

3、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，成本低等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。

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。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

4、納米晶電池

納米晶體化學(xué)能太陽能電池

優(yōu)點(diǎn)在于它廉價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1/5～1/10．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。第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1.2太陽能電池分類

6、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。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一太陽能電池定義及分類太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀報告內(nèi)容第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一2.1太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

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)電技術(shù)。與太陽能發(fā)電相比，它另涉及半導(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)腐蝕的問題,是可再生能源和可持續(xù)發(fā)展的可靠能源第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一2.1太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

世界太陽能電池發(fā)展的“大事件”√1954美國貝爾實(shí)驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6％√1955第一個光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明GaAs太陽能電池√1958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8％。√1959第一個單晶硅太陽能電池問世?！?960太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行?！?974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√1978美國建成100KW光伏電站√1980單晶硅太陽能電池效率達(dá)到20％多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％√1986美國建成6.5KW光伏電站√1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”√1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達(dá)32％?！?997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽

光計劃”√1998單晶硅太陽能電池效率達(dá)到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂

計劃”√2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)60億

瓦光伏電池第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一2.2太陽能電池的發(fā)展前景

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。但是太陽能電池發(fā)電的成本較高，是不是能夠普及，就要看各國政府如何認(rèn)識太陽能發(fā)電的重要性，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10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)展太陽能電池的重要性，使人們改變消費(fèi)觀念。第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一太陽能電池定義及分類太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀報告內(nèi)容第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

3.1.1用戶太陽能電源1.小型電源10-100W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、電視、收錄機(jī)等

太陽能電源太陽能逆變器第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井

飲用、灌溉第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。3.1.2交通領(lǐng)域第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。3.1.3通訊/通信領(lǐng)域第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池3.1.4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)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

海洋氣象監(jiān)測標(biāo)第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

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。3.1.5家庭燈具電源第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

3.1.6光伏電站第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.1太陽能電池在生活中的應(yīng)用

3.1.6光伏電站第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.2太陽能電池在空間中的應(yīng)用

3.2.1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)射的3,000多顆各類人造衛(wèi)星中，80％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長迅速第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.2太陽能電池在空間中的應(yīng)用

3.2.2空間太陽能電池的基本要求①衛(wèi)星的發(fā)射成本高達(dá)80000$/Kg，因此要求太陽能

電池的轉(zhuǎn)換效率高和重量輕。②空間太陽能電池工作時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

的抗輻照性能高。③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

高；抗輻照，長期的使用穩(wěn)定性；第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.2太陽能電池在空間中的應(yīng)用

3.2.3空間太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施影響因素：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-185℃~150℃的高低溫急變沖擊等。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)。第28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3.2太陽能電池在空間中的應(yīng)用

3.2.3空間太陽能電池的影響因素及保護(hù)措施耐輻照玻璃(irradiationresistantglass)是一種在高能射線照射后，可見光透過率下降較小的特種光學(xué)玻璃。

它具有耐輻照穩(wěn)定性強(qiáng)、透光性好、物化性能穩(wěn)定及熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

同時，它還可濾掉紫外線以防止電池與蓋片間有機(jī)膠粘劑的老化和變黑，保證電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

主要用于衛(wèi)星、飛船、空間站等航天器的太陽能電