无机和有机聚合物太阳能电池简介

单击此处编辑母版标题样式,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,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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机和有机聚合物太阳能电池简介,太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用（光生伏特效应）直接产生电能,不需要消耗燃料和水等物质,使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体,是对环境无污染的可再生能源,1954,美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为,6,，是最早的太阳能电池,太阳能电池,无机太阳能电池,有机太阳能电池,光化学太阳能电池,块状太阳能电池,薄膜太阳能电池,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,硅薄膜型太阳能电池,化合物半导体薄膜型太阳能电池,多晶硅,非晶硅,砷化镓,碲化镉,铜铟镓硒,太阳能电池原理,光生伏特效应,太阳光照射到,pn,结，产生,电子,空穴对,，在,内建电场,的的作用下，电子流入,n,区，空穴流入,p,区，在,pn,结附近形成与势垒方向相反的,光生电场,，使,p,区带正电，,n,区带负电，产生,电动势,太阳能电池主要参数,开路电压：,V,OC,短路电流：,I,SC,太阳能输入功率：,A,t,为 电池总面积，,F,（,）,为在波长人处入射到电池上的每厘米,2,秒单位带宽的光子数，,hc/,为每个光子的能量,填充因子：,转换效率：,块状太阳能电池,单晶硅太阳能电池,无机太阳能电池,工艺：,单晶硅棒,硅片,掺杂形成,PN,结,n,结上丝网印刷银浆形成栅线,p,结上铝浆烧结制成背电极,栅线表面涂覆增透膜,太阳能电池单体片,太阳电池组件,太阳能电池阵列,结构：,N,P,栅线电极,背电极,增透膜,单晶硅能太阳电池是最早实现商业化的一种太阳能电池,商业光电转换效率为,16%20%,消耗大量的高纯硅材料,而制造这些材料工艺复杂,电耗很大,在太阳能电池生产总成本中己超,1/2,多晶硅太阳能电池,工艺：,多晶块料或单晶硅头尾料,1:5,的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀,去离子水冲洗呈中性并烘干,装入石英坩埚加入硼硅,放入浇铸炉真空熔化,注入石墨铸模中凝固冷却,多晶硅锭,硅锭可铸成立方体,以便切片，可提高材料利用率和方便组装,商业光电转换效率约,12%,左右,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展,薄膜太阳能电池,背景：高纯多晶硅价格飙升，使得晶体硅电池价格上涨，为薄膜太阳能电池带来了行业机会,多晶硅薄膜光伏电池,制备方法：,化学气相沉积法,液相外延法和溅射沉积法,化学气相沉积法,工艺流程：,SiH,2,Cl,2,、,SiHCl,3,、,SiCl,4,或,SiH,4,保护气氛下,反应生成硅原子,沉积在加热的衬底上,衬底材料：一般选用,Si,、,SiO,2,、,Si,3,N,4,等,薄膜太阳能电池中发展速度最快的,使用的硅远较单晶硅少,无效率衰退问题,可以在廉价衬底材料上制备,成本远低于单晶硅电池,效率高于非晶硅薄膜电池,非晶硅薄膜太阳能电池,工艺：硅烷等离子体分解法,硅烷,掺杂乙硼烷和磷化氢气体,基板（玻璃、不锈钢）低温成膜,薄膜材料能在较低的温度下直接沉积在廉价衬底上，有大幅度降低成本的潜力,适合用于建筑光伏一体化以及大型太阳能并网发电系统,光电转换效率偏低,国际先进水平为,10%,左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象,砷化镓薄膜太阳能电池,制备方法,晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法,特点,耐高温性能强,最高光电转换,效率约,38%,特别适合做高温信息记录材料、聚光太阳电池,碲化镉薄膜电池,薄膜电池中历史是最久的,结构：,2m,层的,p,型,CdTe,层与厚,0.1m,的,n,型,CdS,形成,工艺：电流沉积法是最便宜的方法之一,沉积操作需要的温度较低,所耗用碲元素也最少,也是工业界采用的主要方法,铜铟（镓）硒薄膜太阳能电池,铜铟（镓）硒,薄膜太阳电池由于成本低、光电转换效率高，没有衰退被认为是最有发展前景的电池之一,结构,CIGS,薄膜、缓冲层,CdS,薄膜、窗口层,ZnO,和,ZnO:Al,薄膜，,Mo,薄膜玻璃基板。其核心是作为吸收层的,CIGS,薄膜,工艺,Mo,薄膜玻璃基板,:,玻璃的清洗和磁控溅射镀膜,CIGS,薄膜：有两种技术路线，即共蒸发法和溅射后硒化法,共蒸发法,第一步,衬底温度为,350,左右蒸发,In,和,Ga,，形成,In,2,Se,3,、,Ga,2,Se,3,三族硒化物,第二步,衬底温度为,560,左右蒸发,Cu,，薄膜形成富,Cu,的,CIGS,薄膜,第三步,衬底温度仍为,560,左右，蒸发少量,In,和,Ga,，不但消除了表面的,Cu,2-,x,Se,而且表层形成了富,Ga,、,In,的硒化物和表面,Ga,的梯度分布,优点：,薄膜质量好,容易实现元素的梯度分布,电池转换效率高，世界纪录小面积电池效率,19.5%,和大面积,120 x60c,扩组件效率超过,13%,都是由蒸发法制备的,缺点：,设备要求严格,蒸发过程不容易控制,大面积均匀性与连续化生产难度很大,溅射后硒化法,预制层溅射：直流磁控溅射，使用纯,In,靶、不同比例的,CuGa,合金靶顺序溅射,硒化：,硒化采用不同的硒源，又分为 硒化氢硒化法和固态硒源硒化,固态硒源硒化：,先对炉壁加温至,220,以上，硒化室真空抽到,3x10,-5,Pa,以下。在硒源升到,230,以上时开始硒化过程。恒温范围在,550560,之间，由自动温控装置控制衬底温度,CdS,薄膜,CdS,薄膜采用,CBD(,水浴,),法。在本论文中薄膜的制备采用,CdSO,4,体系，用,360ml,去离子水、浓度,0.75M,的硫脲溶液,(NH,2,CSNH,2,)50ml,、浓度,28%,的氨水,37ml,、浓度为,0.0l5M,的,CdSO,4,溶液,50ml,组成水浴溶液,高阻,ZnO,采用溅射的方法，使用本征氧化锌对靶，在氨气环境中溅射，溅射气压在,0.5,一,1.0Pa,之间,低阻,ZnO,：,Al,薄膜,采用,ZnO,：,Al,陶瓷靶材进行无氧溅射,NiAl,电极,铝栅电极，使用蒸发法制备。为了使电极与,ZnO:AI,薄膜形成良好的欧姆接触，在蒸铝电极之前，先蒸发少量的镍以改善界面性能,缺点：电池转换效率低于共蒸发法,优点：,最容易实现大规模工业化生产的技术途径,大面积,CIGS,薄膜均匀性好,设备和工艺比较容易实现,有机太阳能电池,按照有机半导体层材料的差别,可分为,3,类,:,单质结结构有机太阳能电池,p-n,异质结结构有机太阳能电池,p-n,本体异质结结构有机太阳能电池,近十几年来,研究较多的还有,染料敏化纳米晶太阳能电池,单质结结构有机太阳能电池,结构,:,玻璃,/,金属电极,/,染料,/,金属电极,材料：酞菁类化合物、卜啉、叶绿素、导电聚合物等有机材料,第一个有机光电转化器件是由,Kearns,和,Calvin,在,1958,年制备的，其主要材料为镁酞菁（,MgPc,）染料，他们观测到了,200 mV,的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提，起步之初就高下立判哪。,原理：有机半导体内的电子在光照下激发，产生一对电子和空穴。电子被,低功函数,的电极提取，空穴则被来自,高功函数,电极的电子填充，由此在光照下形成,光电流,。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的,肖特基势垒,。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。,由于电子与空穴在同一材料中传输因而复合几率较大,所以光电转换效率较低，实验室效率为,5%,p-n,异质结结构有机太阳能电池,结构,:,玻璃,/ITO/n-,染料,/p-,染料,/,金属电极,材料：以酞青类化合物为,p,型半导体,以北四甲醛亚胺化合物或,C,60,为,n,型半导体,由于其具有给体,-,受体异质结结构的存在，电子和空穴分别在不同的材料中传输,复合几率降低，,所以较单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率要高。但电子和空穴只能在界面区域分离，离界面较远处往往还没移动到界面上就复合了,混合异质结结构有机太阳能电池,结构：玻璃,/ITO/A+D,混合材料,/,金属电极,特点：给体和受体分子紧密接触而形成连接网络,增加了接触,提高了光电转化效率。但未能与正极接触的给体相上出现的正电荷是不能传输到电池的正极上的,蓝色代表电子给体，黄色代表电子受体,染料敏化纳米晶太阳能电池,dye-sensitized solar cells,结构：如图,敏化剂,:,有机染料（多溴二苯乙烯类、酞菁类）和导电高 聚物,原理：,TiO2,表面吸附一层对可见光具有良好的吸收性能的染料光敏化剂后,染料分子在可见光的作用下,通过吸收光能而跃迁到激发态,通过染料分子和,TiO2,表面的相互作用,电子跃迁到较低能级的导带,进入,TiO2,导带的电子被导电电极薄膜收集,通过外回路,回到反电极产生光电流,DSSC,基本结构,玻璃基板,透明导电薄膜,液态电解质,染料敏化剂,纳米晶体层,玻璃基板,透明导电薄膜,铂,负极,正极,（对电极）,透明导电玻璃：导电电极,普通玻璃上镀上一层掺,F,或,Sb,的,SnO2,的透明导电膜或,ITO,薄膜,其制备方法主要有,:,磁控溅射、化学气相沉积等。,对电极：还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂,染料光敏化剂：性能决定电池的光电转换效率,电解质：含有氧化还原电对，一般为,I,3,-,/I,-,优点,：,廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,其光电效率稳定,在,10%,以上,制作成本仅为硅太阳电池的,1/5,1/10,寿命能达到,20,年以上,太阳能电池市场,各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的,98%,晶体硅太阳能电池占总产量的,84.6%,多晶硅太阳能电池占总量的,56%,块状晶体硅占据约,93%,的市场份额；薄膜电池占据,7%,的市场份额,Solar energy may become the major section of the energy source,Source:German Advisory Council on Global Change,2003,Source:,Arnulf,Jaeger,Waldau,PV status report 2007,国际主要太阳能公司,日本夏普、德国,Q-Cells,、日本京瓷及美国,Nanosolar,国内主要太阳能公司,无锡尚德、保定天威英利、台湾茂迪、南京中电光伏,光伏发电,独立,系统示意图,太阳能电池发展的瓶颈,价格问题,低成本的半导体材料,低成本的工艺路线,效率问题,前景展望,今后发展的重点：,1.,多晶硅薄膜电池,主导地位,2.,染料敏化太阳能电池,重要地位,3.,铜铟镓硒电池,十年内占据一席之地,最高转换效率,制造能耗,成本,材料来源,工艺成熟性,污染,可靠性,块状光伏电池,单晶硅,24.7,最大,最大,丰富,很成熟,最大,最好,多晶硅,18,大,大,丰富,成熟,大,好,薄膜光伏电池,多晶硅薄膜,16,较小,较小,丰富,比较成熟,较小,好,非晶硅薄膜,12,小,小,丰富,比较成熟,较小,不好,碲化镉,15,小,小,比较丰富,比较成熟,大,一般,铜铟镓硒,19.9,小,小,不太丰富,比较成熟,较小,一般,砷化镓,37.4,小,大,不太丰富,不太成熟,大,好,有机太阳能电池,混合异质结,6,小,小,丰富,不成熟,小,未知,染料敏化纳米晶,10,小,小,丰富,不太成熟,小,好,谢 谢！,