新能源材料-太陽(yáng)能電池材料

1、新能源材料太陽(yáng)能電池材料 北航材料學(xué)院太陽(yáng)能電池材料材料類型材料轉(zhuǎn)化效率%硅多晶912非晶（膜）69單晶20化合物半導(dǎo)體GaAs（晶）1830CdS，CdTe（膜）1012CuInSe2（膜）1012敏化納米染料薄膜（大面積）5 有機(jī)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換膜 5Global Carbon Dioxide EmissionsGlobal CO2 emissions from fossil fuel burning, cement production, and gas flaring for 1751-1999While gross domestic product (GDP) grew by 38 per

2、cent from 1990 to 2000, energy-related carbon dioxide emissions grew by 16 percent. GDP Growth and Carbon Dioxide Emissions開發(fā)新能源 太陽(yáng)能：輻射于地面的太陽(yáng)能1萬(wàn)倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。 太陽(yáng)能可分為光伏能和太陽(yáng)爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能汽車FUNCTION OF THE SOLAR CELL .Solar CellLoadICONVERTS LIGHT INTO ELECTRIC CURRE

3、NTUVIRVisible01x10212x10213x10214x10210.511.522.533.54Photon Energy (eV)2/sec/eV0.4 mm2.0 mm0.7 mm1.0 mmc-Simc-Sic-Genc-GeSolar SpectrumPhotons/mEnergy Band Structures and ConductivitySemiconductors and InsulatorsMetalsSilicon DopingSi (4 valence electrons) P (5 valence electrons) For n-type doping

4、Results in extra electrons B (3 valence electrons)For p-type dopingResults in extra holese-h+The PIN StructureN - layerP - layerI - layerContains positive mobile charge carriersContains negative mobile charge carriersStatic Electric Field -+Fixed dopant ions半導(dǎo)體光伏效應(yīng)原理PN+-+-e+h陽(yáng)光NP-e+h+-半導(dǎo)體P/N 結(jié) 太陽(yáng)光照在

5、半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。 Solar Power: Not Cheap Enough Soon Enough! Solar power needs to be 10-100 times cheaper to be competitive Even relatively low-tech wind power has taken 20 years to decrease in cost by 85%光電轉(zhuǎn)換效率低最近美國(guó)加州大學(xué)開發(fā)出多波段半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，

6、其轉(zhuǎn)換率高達(dá)37%.硅材料制備1. 多晶硅 定向凝固單晶硅非晶硅Film Growth: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) ProcessGlass SlideHSiPCathode (V+)Plasma Confinement ChamberGNDH2PH3SiH4太陽(yáng)能電池1. 單晶硅: 光電轉(zhuǎn)換率大于20 %, 性能穩(wěn)定; 價(jià)格高.2. 多晶硅: 光電轉(zhuǎn)換率可達(dá) 15 %, 價(jià)格低. 3. 非晶硅: 光電轉(zhuǎn)換率低; 用料省(1m; 多晶硅 50 m ), 無(wú)取向性, 可大尺寸生產(chǎn).晶體：士兵隊(duì)列非晶：電影院散場(chǎng)的觀眾 整體

7、無(wú)序，但存在有規(guī)律的小集團(tuán)， 家庭型、情侶型、親子型、朋友型等。Crystalline StructureAmorphous StructureLeastcrystallineMostcrystallineAmorphous CrystallinePhases of crystallinityNano-crystalline(nc)Amorphous(betweencrystals)Measurement Techniques Reflectance :(Measure of crystallinity) Electrical Conductivity:(Information about C

8、arrier Concentration) Hot Probe Measurement: (Measure Sign of majority charge carrier)Reflectance MeasurementLight Source Sample Reflected Light185-2600 nmDetectorMonochromatorElectrical ConductivityElectrodeElectrodeSi filmGlass SubstrateW dFilm Thickness(t) = oe-Ea/kT+ V -AI = qN = I V d /(t w)Hot

9、 Probe MeasurementSign of Majority Charge CarrierHotProbe (Cu)Cold Probe(Al)EV+V-N-doped SampleVoltmeter+- 太陽(yáng)電池最大的功率輸出與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能之比 =Pm/ Pin=Voc Isc FF / At Pin轉(zhuǎn)化效率目前CIS系列太陽(yáng)電池的效率在1215最佳單電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.2%入 射 光光反射光透射表面復(fù)合體內(nèi)復(fù)合電池電阻輸出電能太陽(yáng)光照射到電池后的主要損失環(huán)節(jié)影響轉(zhuǎn)化效率的因素 禁帶寬度 溫度 少數(shù)載流子壽命 摻雜濃度及其分布 光強(qiáng) 電池電阻太陽(yáng)能電池分類按材料分為：

10、1）硅電池單晶硅，多晶硅，非晶硅 2）化合物半導(dǎo)體電池 CdTe，CIS/CIGS，GaAs，InP 3）有機(jī)電池-聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池(染料敏化電池)技術(shù)成熟程度： 1）晶體硅電池： 單晶硅，多晶硅, GaAs, InP 2）薄膜電池： a-Si，CIGS，CdTe, 球形電池，多晶硅薄膜,染料敏化電池 3）新型概念電池：量子阱電池，帶隙遞變電池，偶極子電池，雜質(zhì)結(jié)電池 (也有人分別稱上述電池為：第一代，第二代，第三代電池。) 按電池結(jié)構(gòu)分為： 1）直接能隙電池單晶硅，多晶硅，非晶硅 2）串聯(lián)結(jié)構(gòu)電池- 疊片型號(hào), 混合型太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料材料能隙(eV)禁帶性質(zhì)遷移率電子(cm

11、2/Vs)空穴晶系晶格常數(shù) (nm)應(yīng)用晶體Si1.12間接1500450立方a=0.543占市場(chǎng)70-80%非晶Si1.5-2.010. 1占市場(chǎng)10-20%Ge0.66間接39001900立方a=0.5646空間電池襯底GaAs1.424直接8500400立方a=0.5653空間電池CdS2.42直接340正方a=0.4136c=0.6176薄膜電池的一級(jí)CdTe1.44直接70065立方a=0.6477薄膜電池AlSb1.6間接900400立方a=0.37腐蝕, 未應(yīng)用CuInSe21.04直接30020正方a=0.5653a=0.5653薄膜電池太陽(yáng)能電池種類半導(dǎo)體材料Cell轉(zhuǎn)換效率

12、機(jī)組轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用現(xiàn)狀硅晶體硅單晶硅15-24%10-14%電池占市場(chǎng)分額70-80%多晶硅10-17%9-12%非晶硅a-Si、a-SiGe8-13%6-9%電池占市場(chǎng)份額10-20%化合物半導(dǎo)體二元素GaAs結(jié)晶型18-30%-空間技術(shù)CdS、CdTe薄膜10-12%-已商品化三元素CuInSe2薄膜10-19%-正進(jìn)入商品化有機(jī)半導(dǎo)體染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池 1%-實(shí)驗(yàn)階段各種半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的效率半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀硅片太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池 單晶硅多晶硅非晶硅膜CdTeCIGS效率23%19%13%16%19%成本($/瓦)4.5321.21技術(shù)難度低低高高高技術(shù)成熟度已成熟大

13、量生產(chǎn)已成熟大量生產(chǎn)開發(fā)中小量正在發(fā)展中小量開發(fā)中小量國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀成熟成熟小量產(chǎn)小量產(chǎn)無(wú)量產(chǎn)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀成熟成熟小量產(chǎn)大量生產(chǎn)小量產(chǎn)薄膜太陽(yáng)能電池不光在成本上優(yōu)與硅片太陽(yáng)能電池， 而卻它在能有更廣的用途, 因?yàn)樗墚a(chǎn)生在可變形的薄片上。 晶體硅太陽(yáng)能電池片的生產(chǎn)流程硅片清洗擴(kuò)散摻雜制絨沉積反射膜印刷電極電池性能監(jiān)測(cè)質(zhì)量分級(jí)引線焊接安裝組件組件質(zhì)量檢測(cè)質(zhì)量分級(jí)太陽(yáng)能電池（組件）生產(chǎn)工藝組件-用電池片組成陣列，作為一個(gè)電池應(yīng)用單元封裝是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強(qiáng)了電池的抗擊強(qiáng)度。 薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅(a-Si)、效率僅為7%左右并存在光致衰減現(xiàn)

14、象，非晶硅薄膜電池已經(jīng)商品化，占整個(gè)PV市場(chǎng)份額的8.9%左右銅銦硒系列(CuInSe2和CuInGaSe2），實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)19.8%，但由于組分多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致成品率低。碲化鎘(CdTe) 等，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)15.8%，有毒成份Cd，對(duì)環(huán)境和人體的帶來(lái)潛在危害；光敏染料電池，聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)5%，尚處于研發(fā)階段。 薄膜電池組件非晶硅薄膜的制備電子束蒸發(fā)反應(yīng)濺射低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）輝光放電化學(xué)氣相沉積光化學(xué)氣相沉積離子體光化學(xué)氣相沉積非晶硅薄膜電池的制備工藝非晶硅薄膜電池的制備工藝染料敏化太陽(yáng)能電池 Dye-Sensitized Solar Cells（D

15、SSC）DSSC的工作原理是由染料做為吸光材料，染料中價(jià)電層電子受光激發(fā)，要升至高能階層，進(jìn)而傳導(dǎo)至納米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I 3+溶于有機(jī)溶劑中形成。染料敏化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到11. 2% 染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池，由制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米晶半導(dǎo)體薄膜、敏化劑分子、電解質(zhì)和對(duì)電極組成，其中制備在導(dǎo)電玻璃或透明導(dǎo)電聚酯片上的納米晶半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成光陽(yáng)極。 結(jié)構(gòu)上DSC就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替，納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體中的類囊體，起著支撐染料敏化劑分子、增

16、加吸收太陽(yáng)光的面積和傳遞電子的作用；染料敏化劑分子則相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽(yáng)光光子的作用。 DSSC工作原理 染料分子受太陽(yáng)光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)； 處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中； 電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中； 處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生； 氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)。光陽(yáng)極材料：敏化的TiO2電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部分，直接關(guān)系到太陽(yáng)能電池的總效率。納米多孔結(jié)構(gòu)TiO2薄膜在目前染料敏化太陽(yáng)能電池中TiO2光陽(yáng)極采用極為廣泛。光陰極材料：，陰極的制備一般用導(dǎo)電玻璃片作為基體，采用不同方法鍍上石墨、鉑

17、或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧希渲绣冦K的效果較好。電解質(zhì)：固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池獲得的Uoc值很高，可以達(dá)到接近1V。以固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，可以提高和改善電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。敏化劑：敏化劑吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽(yáng)電池的光電性能。新的敏化劑使吸收長(zhǎng)波的能力增加，并且具有很高的光學(xué)橫斷面和吸收近紅外光的能力。DSSC電池各組成部分的研究進(jìn)展敏化劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類：無(wú)機(jī)類敏化劑包括釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無(wú)機(jī)量子點(diǎn)等；有機(jī)敏化劑包括天然染料和合成染料。環(huán)境保護(hù)和低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境保護(hù)發(fā)電方法煤石油天然氣核能風(fēng)力水力太陽(yáng)能污染物CO2322.8258.51787.86.75.95.3NOx1.80.880.90.0