《太陽能電池材料》課件

太陽能電池材料1ppt課件目錄背景及發(fā)展歷程1基本原理2電池分類4發(fā)展前景5電池應(yīng)用32ppt課件背景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。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。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太陽能電池是太陽能利用的重要途徑之一3ppt課件太陽能電池基本原理

1.太陽能電池太陽能電池（SolarCells）,也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽能電池組件，再按需要將一定數(shù)量的組件組合成一定功率的太陽電池方陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測量控制裝置及直流--交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽電池發(fā)電系統(tǒng)，也稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.光伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)，是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象，簡稱“光伏效應(yīng)”。4ppt課件太陽能電池基本原理太陽能電池是由電性質(zhì)不同的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體連接合成，一邊是p區(qū),一邊是n區(qū)，在兩個(gè)相互接觸的界面附近形成一個(gè)結(jié)叫p-n結(jié)，結(jié)區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場，成為電荷運(yùn)動(dòng)的勢壘。5ppt課件太陽能電池基本原理

當(dāng)太陽光入射到太陽電池表面上后,所吸收得能量大于禁帶寬度，在p-n結(jié)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場作用下，空穴向p區(qū)移動(dòng)，電子向n區(qū)移動(dòng)，從而在p區(qū)形成空穴積累，在n區(qū)形成電子積累。若電路閉合，形成電流。6ppt課件太陽能電池發(fā)展歷史

幾千年來人類無意識(shí)地利用太陽能來取暖和晾曬物品，直到19世紀(jì)末才出現(xiàn)了第一臺(tái)太陽能熱水器，而第一片太陽能電池的出現(xiàn)則是在1954年，其發(fā)展過程簡列如下：1893年

法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。1930年

肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1941年

奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。1954年

恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)用的單晶太陽能電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽能電池。7ppt課件太陽能電池的發(fā)展歷史1958年

太陽能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。1959年

第一個(gè)多晶硅太陽能電池問世，效率達(dá)5%。1975年

非晶硅太陽能電池問世。1980年單晶硅太陽能電池效率達(dá)20%，砷化鎵電池達(dá)22.5%，多晶硅電池達(dá)14.5%，硫化鎘電池達(dá)9.15%。1998年

單晶硅光伏電池效率達(dá)25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個(gè)太陽光伏屋頂計(jì)劃”，到2020年完成。

自50年代研制成第一塊實(shí)用的硅太陽能電池、60年代太陽能電池進(jìn)入空間應(yīng)用、70年代進(jìn)入了地面應(yīng)用，太陽能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)。發(fā)展到今天，世界太陽能電池組件的年產(chǎn)量達(dá)200MW以上。

8ppt課件太陽能電池的應(yīng)用建筑設(shè)施航天航空交通設(shè)施家電方面太陽能車通信方面領(lǐng)域9ppt課件太陽能電池的應(yīng)用交通設(shè)施交通/鐵路信號(hào)燈交通警示/標(biāo)志燈高空障礙燈10ppt課件太陽能電池的應(yīng)用通信方面光纜維護(hù)站小型通信機(jī)信號(hào)發(fā)射塔11ppt課件太陽能電池的應(yīng)用建筑設(shè)施12ppt課件太陽能電池的應(yīng)用航空航天衛(wèi)星供電電池航天飛機(jī)供電探測器電池13ppt課件太陽能電池的應(yīng)用太陽能汽車14ppt課件太陽能電池的應(yīng)用太陽能電池的應(yīng)用家電方面手提燈節(jié)能燈充電器15ppt課件太陽能電池的分類1.按結(jié)構(gòu)分類同質(zhì)節(jié)太陽能電池異質(zhì)節(jié)太陽能電池肖特基太陽能電池2.按材料分類硅太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機(jī)化合物太陽能電池敏化納米晶太陽能電池聚合物多層修飾電極型太陽能電池3.按工作方式分類平板太陽能電池聚光太陽能電池分光太陽能電池16ppt課件太陽能電池的分類第一代：單晶硅和多晶硅兩種，大約占太陽能電池產(chǎn)品市場的89.9％。第一代太陽能電池基于硅晶片基礎(chǔ)之上，主要采用單晶體硅、多晶體硅為材料。其中，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)到18－20％，但生產(chǎn)成本高。第二代：薄膜太陽能電池，占太陽能電池產(chǎn)品市場的9.9%，第二代太陽能電池基于薄膜技術(shù)基礎(chǔ)之上，主要采用非晶硅及氧化物等為材料。效率比第一代低，最高的的轉(zhuǎn)化效率為13％，但生產(chǎn)成本最低。第三代：銅銦硒（CIS）等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。主要處于實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)狀態(tài)，由于其的高效率，低成本而存在潛在龐大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。17ppt課件太陽能電池的分類A《納米晶體TiO_2多孔膜的制備、性能及其在太陽能電池中的應(yīng)用》B《Graetzel型光電化學(xué)太陽能電池(PEC)研究進(jìn)展》

C《染料敏化TiO_2納晶太陽能電池研究進(jìn)展

》

18ppt課件硅太陽能電池硅太陽能電池可分為：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1.單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池，是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的熱加工處理工藝基礎(chǔ)上。19ppt課件生產(chǎn)工藝：硅太陽能電池導(dǎo)電玻璃膜切割清洗

檢測鍍鋁電極沉積PN結(jié)老化檢測封裝成品檢測20ppt課件硅太陽能電池德國費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，最大值可達(dá)23.3％。Kyocera公司制備的大面積單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率19.44%。北京太陽能研究所研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。

單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，由于受單晶硅材料價(jià)格及繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅電池成本價(jià)格較高，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。21ppt課件硅太陽能電池2.非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池所采用的硅為a-Si。其基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)而是pin結(jié)。摻硼形成p區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻雜的本征層。22ppt課件硅太陽能電池突出特點(diǎn)：材料和制造工藝成本低。制作工藝為低溫工藝（100-300℃），耗能較低。易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力，生產(chǎn)可全流程自動(dòng)化。品種多，用途廣。存在問題：光學(xué)帶隙為1.7eV→對(duì)長波區(qū)域不敏感→轉(zhuǎn)換效率低光致衰退效應(yīng):光電效率隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減解決途徑：制備疊層太陽能電池，即在制備的p-i-n單結(jié)太陽能電池上再沉一個(gè)或多個(gè)p-i-n子電池制得。23ppt課件硅太陽能電池生產(chǎn)方法：反應(yīng)濺射法、PECVD法、LPCVD法。反應(yīng)氣體：H2稀釋的SiH4襯底材料：玻璃、不銹鋼等24ppt課件硅太陽能電池美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13％(在小面積上0.5cm×0.5cm)。日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13.2％。國內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池，尤其疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學(xué)耿新華等用工業(yè)用材料，以鋁電極制備出面積為20cm×20cm、轉(zhuǎn)換效率為8.28％的疊層太陽能電池。

由于具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但其穩(wěn)定性不高，直接影響實(shí)際應(yīng)用。若進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，非晶硅大陽能電池將是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。25ppt課件硅太陽能電池3.多晶硅太陽能電池

多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對(duì)薄的晶體硅層作為太陽電池的激活層,不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性,而且材料的用量大幅度下降,明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣,是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。常用制備方法：低壓化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）液相外延法（LPPE）濺射沉積法化學(xué)氣相沉積法26ppt課件硅太陽能電池反應(yīng)氣體SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4↓（一定保護(hù)氣氛下）硅原子沉積在加熱的襯底上（襯底材料為Si、SiO2、Si3N4等）

存在問題：非硅襯底上很難形成較大的晶粒，容易在晶粒間形成空隙解決方法：先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜。

27ppt課件硅太陽能電池德國費(fèi)萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％。日本三菱公司用上述方法制備的電池，效率達(dá)16.42%。美國Astropower

公司采用LPPE制備的電池效率達(dá)12.2%。

多晶硅薄膜電池由于所使用的硅較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。28ppt課件硅太陽能電池

三種硅基太陽能電池性能分析種類優(yōu)勢劣勢轉(zhuǎn)換效率單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率最高，技術(shù)最為成熟硅消耗量大，成本高，工藝復(fù)雜16%-20%多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率較高多晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，供應(yīng)受限制14%-16%非晶硅薄膜太陽能電池成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率不高，光致衰退效率9%-13%非晶硅太陽能電池最終將取代單晶硅太陽能電池29ppt課件硅太陽能電池太陽能發(fā)電宗旨：降低成本和提高效率30ppt課件多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。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(huì)對(duì)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III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，砷化鎵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(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是砷化鎵材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用砷化鎵電池的普及。31ppt課件多元化合物薄膜太陽能電池

銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退效應(yīng)的問題，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)展太能電池的一個(gè)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。金屬柵狀電極減反射膜窗口層(ZnO)過渡層(CdS)光吸收層(CIS)金屬背電極(MO)玻璃襯底32ppt課件有機(jī)化合物太陽能電池

有機(jī)太陽能電池以有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。有機(jī)太陽能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。根據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，有機(jī)太陽能電池的成本平均只有硅太陽能電池的10%--20%；然而，目前市場上的有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高只有10%，這是制約其全面推廣的主要問題。因此，如何提高光電轉(zhuǎn)換率是今后應(yīng)該解決的重點(diǎn)問題。33ppt課件有機(jī)化合物太陽能電池2009年4月26日《naturephotonics》上的高效單結(jié)電池34ppt課件敏化納米晶太陽能電池

染料敏化TiO2太陽電池實(shí)際上是一種光電化學(xué)電池。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院(EPFL)的Michael

Gr?tzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用廉價(jià)的寬帶隙氧化物半導(dǎo)體TiO2制備成納米晶薄膜,薄膜上吸附大量羧酸-聯(lián)吡啶Ru(II)的配合物的敏化染料，并選用含氧化還原電對(duì)的低揮發(fā)性鹽作為電解質(zhì)，研制成一種稱為染料敏化納米晶太陽能電池。

納米晶TiO2

太陽能電池的優(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1/5～1/10,壽命能達(dá)到20年以上。但此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場。35ppt課件敏化納米晶太陽能電池基本原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2

導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2

導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。36ppt課件敏化納米晶太陽能電池37ppt課件聚合物多層修飾電極型太陽能電池

以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。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(duì)大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。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。能否發(fā)展為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。38ppt課件各類太能能性能比較39ppt課件各類太陽能性能比較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