第五章-太陽能電池材料

Outline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3第五章太陽能電池材料能源枯竭

石油：42年，天然氣：67年，煤：200年。環(huán)境污染

每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。

CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

太陽能電池發(fā)展背景資源豐富

40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類一年的能量需求太陽能電池發(fā)展背景潔凈能源與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，也不會造成環(huán)境污染使用方便同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太陽能的優(yōu)點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)”。1954年

恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實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。1958年

太陽能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。太陽能電池發(fā)展歷史太陽能電池基本原理1本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵共價鍵內(nèi)的兩個電子由相鄰的原子各用一個價電子組成，稱為束縛電子。圖1.1所示為硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵結(jié)構(gòu)。圖1.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵結(jié)構(gòu)本征激發(fā)和兩種載流子溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。

本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.2所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對。

圖1.2本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的五價元素，如磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。圖1.3N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的三價元素，如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。圖1.4P型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu)3.PN結(jié)的形成多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運動稱為擴散運動，如圖1.5所示。圖1.5P型和N型半導(dǎo)體交界處載流子的擴散

由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側(cè)形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖1.6所示。圖1.6PN結(jié)的形成＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋＋－－－P型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體V

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，在p-n結(jié)內(nèi)建電場作用下，空穴向p區(qū)移動，電子向n區(qū)移動，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。單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池太陽能電池的分類（按基體材料分）太陽能電池硅太陽能電池單晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池非晶硅太陽能電池結(jié)晶系太陽能電池?zé)o機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池第一代：單晶硅和多晶硅兩種單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高，但生產(chǎn)成本高。第二代：薄膜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，但生產(chǎn)成本最低。第三代：化合物薄膜太陽能電池（銅銦硒（CIS））等及薄膜Si系太陽能電池。轉(zhuǎn)化效率高，低成本，存在潛在龐大的經(jīng)濟效應(yīng)。太陽能電池的分類硅太陽能電池——（按基體材料分）(1)單晶硅太陽能電池(SingleCrystaline-Si)

單晶硅太陽能電池制造工程由電池片工程和模板工程組成。電池片工程大致可分為如下三部分：

從原材料制造單晶硅棒。將單晶硅棒切斷，加工成半圓片狀。形成pn結(jié)、加入電極，制成電池片。生產(chǎn)工藝：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單晶硅太陽能電池(2)多晶硅太陽能電池(Polycrystaline-Si)

在制作多晶硅太陽能電池時，作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅錠，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百nm級，大顆粒尺寸可達μm級。多晶硅太陽能電池

(3)非晶硅太陽能電池(Amorphous-Si)

非晶硅(又稱

-Si)太陽能電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷(SiH4)氣體分解沉積而成的。非晶硅的禁帶寬度為1.7eV，通過摻硼或摻磷可得到P型

-Si或N型

-Si。非晶硅中由于原子排列缺少結(jié)晶硅中的規(guī)則性，缺陷多，因此單純的非晶硅P-N結(jié)中，隧道電流往往占主導(dǎo)地位，使其呈現(xiàn)無整流特性，不能制作太陽能電池。

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，光致衰退效應(yīng)9%-13%

(4)微晶硅(μc-Si)太陽能電池非晶硅對紅外區(qū)域太陽輻射不敏感，本身具有光致衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不好，在非晶硅薄膜基礎(chǔ)上經(jīng)退火處理得到微晶硅薄膜太陽能電池，穩(wěn)定性和光轉(zhuǎn)換效率得到提高。（禁帶寬度接近單晶硅，為1.12eV）。微晶硅太陽能電池

(1)單晶化合物太陽能電池

單晶化合物太陽能電池主要有砷化鎵(GaAs)太陽能電池。砷化鎵的能隙為1.4eV，是很理想的電池材料。

這是單結(jié)電池中效率最高的電池，多結(jié)聚光砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率已超過40%。所以早期在空間得到了應(yīng)用。但是砷化鎵電池價格昂貴，而且砷是有毒元素，所以極少在地面應(yīng)用。無機化合物太陽能電池

(2)多晶化合物太陽能電池

多晶化合物太陽能電池的類型很多，目前已實際應(yīng)用的主要有碲化鎘(CdTe)太陽能電池、銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池等。

無機化合物太陽能電池

(2)多晶化合物太陽能電池

碲化鎘太陽能電池：PVD（物理氣相沉積）工藝、濺射工藝無機化合物太陽能電池銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池是近年發(fā)展起來的新型太陽能電池，通過磁控濺射、真空蒸發(fā)等方法，在基底上沉積銅銦鎵硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸發(fā)法和金屬預(yù)置層后硒化法等。

基底一般用玻璃，也可以用不銹鋼作為柔性村底。

(2)多晶化合物太陽能電池?zé)o機化合物太陽能電池1.有機化合物太陽能電池

以酞菁、卟啉、苝、葉綠素等為基體材料的太陽能電池。如有機PN結(jié)太陽能電池，有機肖特基太陽能電池等。如聚乙烯太陽能電池、共軛聚合物/C60復(fù)合體系太陽能電池等。

有機化合物太陽能電池有機化合物太陽能電池2009年4月26日《naturephotonics》上的高效單結(jié)電池2.敏化納米晶太陽能電池

以TiO2、ZnO、SnO2等寬禁帶的氧化物型的納米級半導(dǎo)體為電極，使用染料敏化、無機窄禁帶寬度半導(dǎo)體敏化、過渡金屬離子摻雜敏化、有機染料/無機半導(dǎo)體復(fù)合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法制成的太陽能電池。有機化合物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)中得到補償，進入TiO2

導(dǎo)帶中的電于最終進入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。敏化納米晶太陽能電池各類太能能性能比較各類太陽能性能比較各類太陽能性能比較種類材料

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%23~30%MOVPE和LPPE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%5~8%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

聚合物多層修飾電極型太陽能電池

3~5%

處于研發(fā)當(dāng)中易制作材料廣泛成本低壽命短各類太陽能性能比較建筑設(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)域太陽能電池應(yīng)用太陽能電池的應(yīng)用（10KW光伏發(fā)電組）建筑設(shè)施太陽能屋頂發(fā)電裝置太陽能電池的應(yīng)用太陽能與民用建筑的結(jié)合太陽能電池的應(yīng)用太陽能服飾太陽能電池的應(yīng)用太陽能與風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池的應(yīng)用太陽能自行車太陽能電池的應(yīng)用太陽能電車太陽能電池的應(yīng)用太陽能電車太陽能車站太陽能電池的應(yīng)用太陽能飛機太陽能電池的應(yīng)用太陽能飛機太陽能電池的應(yīng)用太陽能發(fā)電廠太陽能電池的應(yīng)用太陽能在偏遠地區(qū)的運用太陽能電池的應(yīng)用太陽能在沙漠地區(qū)的運用太陽能電池的應(yīng)用太陽能電池的應(yīng)用交通設(shè)施交通/鐵路信號燈交通警示/標志燈高空障礙燈太陽能電池的應(yīng)用通信方面光纜維護站小型通信機信號發(fā)射塔太陽能電池的應(yīng)用航空航天衛(wèi)星供電電池航天飛機供電探測器電池太陽能電池的應(yīng)用太陽能電池的應(yīng)用家電方面手提燈節(jié)能燈充電器太陽能電池的應(yīng)用目前各類太陽能電池的實驗室轉(zhuǎn)換效率的記錄電池種類轉(zhuǎn)換效率研發(fā)單位備注單晶硅電池24.7澳大利亞新南威爾士大學(xué)4cm2面積背接觸聚光單晶硅電池26.8美國Sunpower公司96倍聚光GaAs多結(jié)電池40.7德國斯派克

Lab333倍聚光多晶硅電池20.3德國弗朗霍夫研究所1.002cm2面積InG