第五章 光伏材料和太陽能電池

第五章光伏材料和太陽能電池內(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(duì)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(diǎn)太陽能電池的展望一、序言1、地球每天接收的太陽能，相當(dāng)于整個(gè)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(shí)所釋放出的全部熱量。2、包括風(fēng)能、海洋能等，都是太陽能的子孫、都是太陽能轉(zhuǎn)換而成。3、太陽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一二十一世紀(jì)將是能源危機(jī)和能源革命的世紀(jì)。眾所周知，世界上已探明的石油存儲(chǔ)量只能供應(yīng)40至50年，世界上石油儲(chǔ)量67%在中東，我國2004年進(jìn)口原油1.2億噸和成品油4000萬噸。我國已探明煤炭儲(chǔ)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(chǔ)量約1500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2004年我國煤炭能源消耗為19.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照目前能源消耗增長的速率來計(jì)算的話，則我國的煤炭僅能夠滿足30～40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(chǔ)存，可是在我們幾代人的發(fā)展過程中，就將這種常規(guī)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。

我國已決定發(fā)展核電，在未來十幾年內(nèi)將興建約40個(gè)百萬千瓦級(jí)核電組，如果2020年我國電力裝機(jī)總量達(dá)到9億千瓦，則核電只占總裝機(jī)容量的幾個(gè)百分點(diǎn)，但是預(yù)計(jì)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(dá)200億噸以上，對(duì)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(jìn)口天然鈾，將會(huì)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(shí)現(xiàn)象鈾一樣的發(fā)電，目前尚無結(jié)論。我國東海、南海的能源開發(fā)有待積極進(jìn)行國際協(xié)作開發(fā)，其儲(chǔ)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(shí)的。

太陽能就是無污染的巨大能源，太陽實(shí)時(shí)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(tái)風(fēng)、颶風(fēng)都是太陽能轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)形式。據(jù)專家計(jì)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(jià)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(jià)格十分昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過我們的國家和人民所能承受的極限。研制廉價(jià)和轉(zhuǎn)化效率高的太陽能電池的歷史使命就責(zé)無旁貸地落在光電子科技工作者的肩上。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(qiáng)度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/m2，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(shí)而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。

太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、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3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)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(diǎn)：①無枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。能源狀況傳統(tǒng)化石能源→不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺?、潮汐能、太陽能等↓資源豐富、利用方便、潔凈無污染石油煤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(dá)210萬噸化石能源開采高峰2020~2030年世界和中國主要常規(guī)能源儲(chǔ)量預(yù)測(cè)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。三、太陽能電池工作原理光伏效應(yīng)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)體主要結(jié)構(gòu)如下：

圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。太陽能電池利用原理當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，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(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，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(shì)差，這就形成了電源。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(jī)薄膜太陽能電池

4、染料敏化太陽能電池?fù)?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太陽能電池的種類無機(jī)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(jī)太陽能電池有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對(duì)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：無機(jī)太陽能電池半導(dǎo)體中可以利用各種勢(shì)壘如pn結(jié)、肖特基勢(shì)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(shí)，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(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù)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(fù)載。

工作原理無機(jī)太陽能電池研究進(jìn)展表1無機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用MasafumiYamaguchi,TatsuyaTakamoto,KenjiAraki，etal.Solarenergy,2005.《新能源材料》雷永泉，萬群，石永康，天津大學(xué)出版社，2000.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5~8美分/（kW·h）M.Gr?tzel,Photoelectrochemicalcells,Nature2001(414),338有機(jī)太陽能電池工作原理:有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。

研究進(jìn)展:美國加州伯克利分校科學(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，可以安裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供0.7V的電壓。特點(diǎn)：價(jià)格低、易成型，通過化學(xué)修飾調(diào)控性能。無機(jī)硅太陽能電池（左12%）與有機(jī)薄膜太陽能電池（右4%）

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)電玻璃電解質(zhì)：I3-/I-O’ReganB.andGr?tzelM.,Nature,1991,353,737~740工作原理

BachU,LupoD,ComteP,etal.Nature,1998,395:583O’ReganB.andGr?tzelM.,Nature,1991,353,737~740S+hS*S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+AA+e-(CE)A-1991年，瑞士Gr?tzelM.以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率。1998年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料的全固態(tài)DSSCs電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達(dá)15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。研究進(jìn)展大日本印刷印刷方式による有機(jī)太陽電池を開発

－フィルム基板で世界最高レベルの変換効率7％を達(dá)成－色素増感太陽電池モジュール2007年03月30日Supramoleculardyescouldboostefficiencyinsolarcells,sayscientistsfromtheUK.SaifHaque,fromImperialCollege,London,foundthatsupramoleculardyesgavea25%improvementinperformanceascomparedtoconventional,non-supramoleculardyes.Supersolarcells26April2007太陽光譜圖太陽能電池的發(fā)電原理是基于光伏效應(yīng)(PhotovoltaicEffect)由太陽光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì)。UVVisibleInfrared48%新型太陽能電池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)帶Nature2003(421),616轉(zhuǎn)換效率〈1%，10%吸收的光子轉(zhuǎn)換為電流。五、太陽能電池對(duì)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(duì)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(diǎn)缺點(diǎn)硅系太陽能電池單晶硅15~24%13~20%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a10~17%10~15%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8~13%5~10%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電池砷化鎵

19~32%23~30%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

10~15%7~10%銅銦硒

10~12%8~10%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8~11%~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(jī)薄膜太陽能電池

3~5%

處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短七、利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：屬于可再生能源，不必?fù)?dān)心能源枯竭太陽能本身并不會(huì)給地球增加熱負(fù)荷運(yùn)行過程中低污染、平穩(wěn)無噪音發(fā)電裝置需要極少的維護(hù),壽命可達(dá)20年所產(chǎn)生的電力既可供家庭單獨(dú)使用也可并入電網(wǎng)用途廣泛缺點(diǎn)：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(huì)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(jī)薄膜太陽能電池，它們的研究剛剛起步，短時(shí)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(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。今后研究的重點(diǎn)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薄膜太陽能電池的基片，以達(dá)到降低成本的目的，效果還是比較理想的。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(dá)２０％以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價(jià)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(dá)到１０％，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到１－２美元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭。當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)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(dá)３６％，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。太陽能電池的發(fā)展1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)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(hào)人造衛(wèi)星上。太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場(chǎng)合進(jìn)入到地面應(yīng)用中。一個(gè)4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)可以滿足普通家庭的用電需要，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(jìn)，現(xiàn)在太陽能電池的價(jià)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(jìng)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)。太陽能電池的發(fā)展方向材料與器件結(jié)構(gòu)的研