lecture08太阳能电池研究进展

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,太阳能电池材料的研究进展,其,其,煤,石油,天然气,其他,中国,石油,煤,天然气,其他,世界,中国和世界的能源结构,能源枯竭,石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。,环境污染,每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成,全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重,影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境,。,中华人民共和国 国家发展和改革委员会,中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,中华人民共和国 国家发展和改革委员会,中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,C,x,H,y,+ O,2,H,2,O + CO,2,+ SO,2,+ NO,x,同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点,能源枯竭的威胁可能来的更早,人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1和13.2,；,加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早,能源供需缺口将越来越大,2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25以上,过度依赖煤炭，环境影响更加严重,煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70，66的城市大气颗粒物的含量和22的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。,环境专家估计，大气中,90,的二氧化硫和,70,的烟尘来自于燃煤,煤废料的处理仍是问题,煤炭,开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素,石油短缺，对外依存度加大,1993年我国成为石油净进口国，2001年进口依存度已经达到34，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到2020年将达到50。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。,可再生能源：,风能；水能；地热；潮汐,；,太阳能,等,洁净能源：,与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会,导致“温室效应”，也不会造成环境污染,太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！,资源丰富：,40,分钟照射地球辐射的能量,全球人类,一年的能量需求,使用方便：,同水能、风能等新能源相比，不受地域,的限制，利用成本低。,太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择,日本-,93年实施“新阳光计划”，涵盖74年的“阳光计划”、78年的“月光计划”和89年的“地球环境技术开发计划”,；,97年宣布7万太阳能光伏屋顶计划，计划到2010年安装7600MWp太阳能电池,日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的,50%,以上。英、荷、日、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，其出口额占世界的贸易额的,80%,以上。,美国-,提出了逐步提高绿色电力的发展计划。主要是通过风力发电、光伏发电、生物质能源发电等来达到目标，其中太阳光伏发电预计到2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右，累计安装量达到36GW，保持美国在光伏发电技术开发、制造水平的世界领先地位。,美国百万屋顶计划的内容与目标,太阳能电池的发展,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。,由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。,办公楼与玻璃幕墙一体化的,PV,太阳能屋顶系统,无机太阳能电池,光生伏特效应,光子入射：造成跃迁产生空穴电子对。,电荷运动的势垒：,p-n,结区内形成的内建电场。阻碍电子从,n,区向,p,区运动，空穴从,p,区向,n,区运动。,光电池：空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。,半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。,当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。,太阳能电池结构示意图,转换效率（,h,),入射在电池表面的阳光的功率,负载中消耗的功率,太阳能电池材料,主要材料,半导体,表面涂层,电极,封装,单晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs,有机半导体,金属氧化物、导电聚合物,金属导体,玻璃、有机玻璃,对材料的基本要求,能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽；,有较高的光电转换效率；,材料本身对环境不造成污染；,材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济,无机太阳能电池的性能及应用,硅材料,工业硅,（又称：结晶硅或金属硅）,半导体用硅材料,含硅化合物（,SiHCl,3, SiH,4,）,太阳能用硅材料,半导体用多晶硅 太阳能用多晶硅,（又称：高纯硅或超纯硅） (Solar grade silicon),单晶硅锭 单晶硅锭 多晶硅锭,各种硅片 单晶硅片 多晶硅片,各种半导体器件,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,各种太阳能电池的市场份额,2004年太阳能电池产量,1,194.7MW,，增长60.6%，其中：,产量,比例%,增长%,mc-Si,669.15,56.0,46.8,sc-Si,343.45,28.7,71.3,a-Si,64.60,5.4,49.2,a-Si/scSi,60.00,5.0,100,Ribbon,41.00,3.4,502.9,CdTe,13.00,1.1,333.3,CIS,3.0,0.3,-25.0,太阳能用硅材料的生产工艺,1-1,单晶锭,1-1-1 CZ,法,1-1-2 FZ,法,1-2 多晶锭,1-2-1 铸造多晶硅,1-2-1,EMC多晶硅,1-3 非晶硅,太阳能用硅材料的生产工艺,CZ法,来源：CGS,太阳能用硅材料的生产工艺,CZ法,1 熔化 2 稳定 3 引晶 4 缩径 5 放肩 6 等径,来源：CGS,太阳能用硅材料的生产工艺,FZ法,FZ,来源：CGS,太阳能用硅材料的生产工艺,多晶浇注法,由于铸锭中采用低成本的坩埚及脱模涂料， 对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷坩埚通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。目前该工艺已铸出截面为220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。 我国可生产出220mmX220mmX140mm的硅锭。,太阳能用硅材料的生产工艺,多晶浇注设备,HEM DSS,太阳能用硅材料的生产工艺,方法比较,Method,Width,（cm）,Weight,(kg),GrowthRate (mm/min),Growth Rate,(kg/h),Throughput,(m,2,/day),Energy Use,(kWh/kg),Energy Use,(kWh/ m,2,),Efficiency,(Typical, best),FZ,15,50,2-4,4,80,30,36,18, 24,CZ,15,50,0.6-1.2,1.5,30,18-40,21-48,15, 20,DS,(定向结晶),69,240,0.1-0.6,3.5,70,8-15,9-17,14, 18,EMC,(电磁铸造),35,400,1.5-2,30,600,12,35,30%,R&D,同时拉制2条或4条带硅,厚度,150,m,太阳能电池的分类,晶体硅太阳能电池的发展趋势,mc-Si,比例总体上升趋势，但04年有所下降，从03年的61.3%下降至56%；,sc-Si,比例,止住了下降趋势，由03年,的26.9%上升至28.7%。而且同比增长（71%），超过mc-Si （46.8 % ）。如果包括a-Si/scSi ，则比例达到32.1%,同比增长75%。,Ribbon,比例由,03,年的,0.9%,提高至,3.4%,，,同比增长502.9%；,晶体硅,（,包括mc-Si, sc-Si, a-Si/scSi,和,Ribbon,）的比例近4年来变化不大，在,91.1%93.1%,之间；,国内太阳能电池用硅材料现状 硅单晶产量,2004,年单晶硅产量,（吨）,单晶总产量,1700,太阳能单晶产量,1200,太阳能单晶生产能力,2000,近年来我国硅单晶产量,注：单晶硅产量,及生产能力估算见附件1,国内现状趋势及分析,和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。,形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生产有一定基础；技术门槛低。,国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是：,1 硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能力严重不配套。企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材料处于起步阶段。,2 产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。作为一个企业其价值链的长短虽然重要，但要根据企业的具体财力、技术能力和管理能力而定。而作为国家则必须考虑。,国内太阳能硅片加工环节十分薄弱,除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外，太阳能单晶生产企业中只有晶龙有少量多线切割能力,专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有限公司,。,切割能力约为,1,000万片,/,年,保定英利新能源有限公司,6,浙江精功光电有限公司,2,我国多晶硅片,生产能力（MW）,保定英利新能源有限公司,垂直集成型，目前公司具有6MW 多晶硅片、10MW电池片、50MW电池组件的生产能力。,二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW，将新增DSS多晶硅铸锭机20台,破锭机3台,多线切割机5台。,浙江精功光电有限公司,（前身为浙江中意太阳能有限公司）,原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE 合资企业，多晶硅片生产能力2MW。,有扩大生产规模至20MW 的计划。,在建和筹建的多晶锭、片企业,精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）,精功集团与德国布莱斯-戴姆勒集团(Preiss-Daimler)共同投资兴建。引进GT Sola设备和技术。一期10MW，二期将达20MW。,力诺太阳能基地项目（,济南,）,太阳能多晶硅片,2500,万片，太阳能电池片,50MW,，太阳能电池组件,50MW,，太阳能电站,10MW,。,该项目第一期是利用现有土地和厂房，购置多晶硅铸锭炉,5,台，,1,台破锭机和,1,台,SD-B,型线切割机等主要设备。年产量为多晶硅片,500,万片,第二期,1000,万片，第三期,2500,万片,（新疆新能源公司,20MW硅片项目，资金筹措中）,非晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池又称“无定形硅太阳电池”，简称“ aSi太阳电池。它是太阳电池发展中的后起之秀。非晶硅太阳电池的最大特点是薄，不同于单晶硅或多晶硅太极电池需要以硅片为底村，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面镀上一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有05伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。,非晶硅太阳能电池是最理想的一种廉价太阳电池。作为一种弱光微型电源使用，如小型计算器、电子手表等。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。,其应用涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。,太阳能电池阵列转换效率的提高对于空间系统有十分重要的意义它可以降低系统的重量，改善系统的搭载能力，减小轨道运行的阻力。还可以降低系统的成本。,GaAs材料,CuInSe,2,材料,有机太阳能电池,工作原理,: 有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。,研究进展,: 美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。,特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,高分子光电转换材料,倍受关注的高分子材料为聚对苯乙撑（,PPV,）,光电池结构： ITO/PPV/Mg,Voc=1.2V,=1。,高分子光电转换材料,基团修饰：,PPV MEH-PPV,Ca/MEH-PPV/ITO,Voc =,1.6V,Jsc 6Acm,2,=,1,高分子光电转换材料,材料复合功能耦合,美国加州大学 俞刚博士 Heeger教授,电子给体（D）,MEH-PPV,电子受体（A）, C60,Voc0.8V,Jsc1.53mAcm,2,高分子光电转换材料, MEH-PPV,与另一个,PPV,的衍生物,CN-PPV,配合使用，组成,D-A,网络结构的光电池,Acceptor Donor,高分子光电转换材料,ITO/MEH-PPV:CN-PPV/Al,Voc0.6V,6,我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。,但在总体水平由于生产规模、技术水平较低、太阳电池的效率低，专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化，成本高 。,展望,光伏产业价值链,Thank you,