能源材料7 太阳能ppt课件.ppt

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1、太阳能利用及相关材料,本章主要内容,太阳能发电,太阳能交通信号灯,8.1 太阳能的利用,太阳能飞行器,太阳能飞行器,太阳能汽车,太阳能游船,太阳能汽车,太阳能暖房,一、太阳能资源的优点,储量的无限性 每年达到地球表面的太阳能辐射能约为130万亿吨标煤；太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤；太阳辐射尚可维持1千亿年之久。 存在的普遍性利用的清洁性 清洁、安全：远比核能安全，比煤等常规能源清洁。利用的经济性,能量密度低 总量大，但能量密度低。北回归线附近夏季中午的太阳辐射强度最大也仅为1.1-1.2kW/m2左右；间断性及不稳定性 受昼夜交替、季节变化及气候的影响，太阳辐射既是间断的，

2、又是不稳定的；效率低 太阳能利用技术理论上可行，但效率低。,太阳能资源的局限性,太阳的能流图,美国科学美国人杂志在1971年7月刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下数据：到达地球表面的太阳辐射能的流动：,我国太阳能分布图,太阳能资源较丰富带： 西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古西北部。,太阳能开发利用方式,光热转换：太阳能采暖、供热、制冷、干燥等。光电转换：太阳能电池；光化学转换：光电催化，太阳能分解水制氢。,8.2 太阳能的热利用,集热管：平板型集热器；真空管型集热器；聚焦型集热器,一、平板型集热器,平板型集热器结构示意图,平板型集热器结构示意图,平板型集热器材料

3、,太阳光透过率高； 对远红外具有较低的发射率； 具有良好的机械性能； 热膨胀系数小； 耐腐蚀和抗辐照； 价格便宜。,普通玻璃钢化玻璃透明塑料气凝胶,一 般 要 求 透 光 率在0.90以上,透明盖板材料性能要求,优点：耐老化和透过率高；缺点：容易破裂，隔热性能差。低铁玻璃(含Fe203 0.03%)，常规平板玻璃(含Fe203 0.12%) 吸热玻璃(含Fe2O3 0.48%)。氧化铁含量越低，透光率越高:粗略估计：玻璃断面呈绿色的为高铁玻璃，断面呈浅色的为低铁玻璃。,普通玻璃（硼硅玻璃）,减反射涂层改性,选择性透射涂层改性SnO2,TiO2/Ag,钢化玻璃 钢化 玻 璃 的抗冲击强度是普通玻

4、璃的4-5倍，抗弯曲强度是普通玻璃的3倍。用钢化玻璃代替普通玻璃可以减小厚度，从而使透过率提高和减轻重量。透明塑料薄膜 用氟树脂 (如聚氟乙烯、西氟乙烯等)制成的薄膜有很好的透光性，透光率可达到0.92-0.94，耐老化性能也很好，价格便宜，不容易破碎。其缺点在于，表面容易起毛以至影响透光率，软化点低，热胀系数偏大。气凝胶 价格便宜，光学透过率低，随颗粒增大透过率增大，颗粒直径一般大于3mm。,吸热板材料,吸热 板是将太阳能转换为热能并把热能传递给载热体的一种能量转换和热量交换器。它是集热器中最关键的部件。 作为吸热板的材料有如下要求:高的太阳光吸收率和低的红外发射率；好的导热性；耐腐蚀性良好

5、；良好的力学和加工性能；价格便宜。,吸热体是平板太阳能集热器的核心部件，它先要完成光热转换，再将热能传给待加热的水。吸热体主要由金属材料制成。初期为钢管板绑扎结构，后来出现了焊接式、铝翼式、铜铝复合式等。,真空型集热器,把内外玻璃管之间抽成真空，降低气体热传导散热，具有更高的光吸收效率。,聚焦型集热器,由于单位面积的太阳辐射功率小，利用聚光镜的反射或折射降头射到聚光镜上的太阳光集中到接收器上。,太阳能热水器工作原理,太阳光光子照射真空管，撞击涂层时，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。热水始终位于上部，即水箱中。太阳能热水器中热水的升温情况与

6、外界温度关系不大，主要取决于光照。,太用能热水器工作原理,吸收涂层,光谱选择性吸收基础,涂层单色吸收率,太阳光辐射密度,涂层的单色吸收率,吸热体光谱辐射密度,涂层热发射率,集热器效率因子,吸收涂层分类,集热器效率因子主要取决于太阳光的吸收率和吸热体的热发射率。,吸热体分类：按涂层光学性质和膜类型可分为：干涉滤波型涂层；半导体吸收型涂层和选择性透射黑体。,选择性透射黑体是在吸热体上沉积一层选择性透射薄膜，该薄膜具有对太阳光透射率高，但对红外有很高的反射率，从而达到太阳光透过该层被底层的吸热体吸收，而热发射率低的目的。,主要选择性吸收涂层,1 涂料型选择性吸收涂层（主要为黑色）,将吸热剂、粘接剂和

7、溶剂混合后喷涂到吸热体表面，具有制备工艺简单，成本低，修复简单等有点。,常用的吸热剂包括PbS, Fe3O4, Cr2O3, FeMnCuO4及炭黑等。,涂层的性能和吸热剂组成、粘接剂、吸热剂结构、颗粒大小、制备工艺、厚度等有关。,2 化学转化着色膜,对金属衬底进行阳极氧化处理，在表面形成一层吸收率比较高的涂层，与高红外反射的衬底结合形成选择性高的光吸收涂层。,铝阳极处理原理，就是在铝及其合金所制成的物件上作成装饰及保护膜的一种过程。在铝上形成的氧化铝薄膜的制成过程是以直流电在足够的电压下经过一种适合的硫酸电解质，其中物件铝是阳极，并由另一种材料（鉛或专用石墨板）作阴极，通电一定时间逐渐生长出

8、所需要厚度的氧化薄膜。,铝氧化膜着色：有机染色；无机染色 ；电解着色；电镀着色,1.氧化膜的形成与生长Al及铝合金的阳极氧化所用的电解液一般为中等溶解能力的酸性溶液，铅作为阴极，仅起导电作用。铝及其合金进行阳极氧化时，在阳极发生下列反应： H2O2e - O 2H+2Al3O - Al2O3在阴极发生下列反应：2H+2e -H2同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解，其反应为：2Al 6H+-2Al3+3H2Al2O3 6H+- 2Al3+ 3H2O氧化膜的生长过程就是氧化膜不断生成和不断溶解的过程。,铝氧化着色膜,铝氧化着色膜性质稳定，光吸收率为0.92-0.93；氧化膜总厚度为0.5-0.7

9、5m，具有较好的光吸收率；集热效率和涂层的厚度，组成、结构以及制备工艺有关。,3 电镀选择性吸收层,电镀黑镍获得Ni-Zn-S合金涂层；电镀黑铬涂层；双层黑镍等。,普遍使用的电镀黑烙和黑镍,电镀黑镍的集热器效率和电镀工艺，黑镍的厚度等因素有关，光吸收率达0.96，涂层性质稳定，是平板型集热器的主要涂层材料。,渐变选择性涂层和干涉吸收型涂层,渐变膜：渐变膜为多层膜，其成分和光学性能逐渐变化，金属成分为铝；其吸收层一般是9层，它对太阳光线是逐层吸收的，而且其吸收光线的性能逐渐变高。,渐变膜：工作在300500时，发射比大大增加，铝离子在高温状态下，活泼性增强，容易发生漂移，导致膜层的内部结构发生错

10、乱，影响了真空管的集热效率和寿命。,干涉膜：干涉膜含有铝、铁、镍、铜等多种金属组分，其吸收层共2层，两层膜之间，因金属成份的配比不同而产生干涉作用，使吸收比增加，发射比降低。,渐变膜的吸收比为0.8-0.88，而发射比却为0.070.13；干涉膜吸收比为0.940.98，发射比为0.030.06,太阳能电站,欧洲最大的太阳能电站即将完工-西班牙塞维利亚,美国拟建的太阳能空间电站,葡萄牙和西班牙等地中海南部国家也在太阳能方面进行了大量投资，阿尔及利亚已经开始建设一座将太阳能与天然气结合的大型发电站，预计这个发电站将在2010年开始产电。阿尔及利亚计划到2020年能向欧洲输出6000兆瓦特太阳能。

11、,西班牙的太阳集热板方阵,太阳能电站供应能量,太阳能制冷,太阳能吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热。再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。,工作原理太阳能空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷 机两部分构成。制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成,太阳能空调系统,

12、半导体太阳能电池：通过光电转换装置把太阳辐射能转换成电能是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。,8.2 太阳能电池,太阳能电池：将太阳能转化为电能的装置。,一、太阳能电池特点和发展,1.太阳能电池通常为一种固体半导体元件，將光能直 接转换为(直流)电能，但本身不儲存能量。2.太阳能电池使用方便、无废弃物、无污染、无噪 音、可阻隔辐射热、或可设计为半透光。3.太阳能电池模板寿命长久，可达二十年以上 。4.太阳能电池外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消 费性产品-如计算机，大至发电厂皆实用)。5.发电量大小隨日光強度而变，可以輔助尖峰電力之 不足(并联型)。6.太阳

13、能电池未來与建築物結合，將可普及化。,太阳能电池之效益,经济效益（偏远岛屿、紧急发电成本投資回收）环保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）节能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）社會效益（疏解尖峰、紧急救灾用电之社會效益）产业效益（创造高科技产业及就业机会）,太阳能电池发展,1956年第一個太阳能电池制作成功。1958年开始太空应用(GaAs)。1970年开始太阳能发电系統地面应用(Si) (能源危机)。1980年消費性薄膜太阳能电池应用(a-Si, CdS/CdTe)。1990年与公用电力并联之太陽光发电系统技术成熟(Grid-Connected PV System, S

14、i) (电力电子技术)。1992年起欧、美、日各国推动太阳能发电系統之補助奖励政策。2000年建材一体型太阳能电池应用(BIPV)。,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，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。,全球太阳能电池市场,48%,二、太阳能电池工作原理,太阳光谱图,半导体的能带和掺杂原理,费米能级(Er)：在低温下，晶体的某一能级以

15、下的所有可能能态都将被电子占据，该能级称为费米能级(Er)。半导体导电：半导体的禁带宽度比绝缘体小，一些电子被激发后占据导带中的能态，在价带中留下一个空穴，形成一定的导电能力。电子和空穴为载流子。,半导体导电过程中的载流子复合,直接复合：半导体中自由电子和空穴存在一定的几率直接相遇复合。,间接复合：半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，有促进非平衡载流子复合的作用，电子和空穴通过杂质和缺陷（复合中心能级）复合的过程称为间接复合。,俄歇复合：半导体中，电子与空穴复合时把能量通过碰撞转移给另一个电子和空穴的复合过程叫俄歇复合 。,表面复合：载流子的寿命受半导体表面状态的影响，表面有促进复合作

16、用，表面的悬挂键、杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成复合中心能级，促进电子和空穴复合。,硅的导电性质可以通过替换相对少量的硅原子来改变，替换这些硅原子的是来自VA族(比如磷) A族的元素(比如硼和铝)。通过这些元素来替代硅原子的过程叫做掺杂。,半导体的掺杂,N型,P型,半导体的PN结的形成,n型 半 导 体和p型半导体接触后，由于在交界面处存在着电子和空穴浓度差，n区中的多数载流子一电子要向p区扩散，p区中的多数载流子一空穴要向n区扩散。扩散之后，在交界面的n型一侧产生一个正电荷区域；在交界面的p型一侧产生一个负电荷区域，并在PN内建立电场，形成PN结 。,半导体的光伏效应,光照能使半导体材料的

17、不同部位之间产生电位差。这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。,影响光伏效应电位差因素1 半导体材料的种类；2 半导体的掺杂；3 温度,PN产生的光伏效益,太阳能电池工作原理,半导体中利用各种势垒如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。,太阳能电池转换效率,太阳能电池转换效率：,Pm为太阳能电池最大输出功率；AiPin为照射到电池的总辐射能,影响转化效率的因素：1 太阳光的反射，反射率降低

18、转换效率增大；2 半导体带隙，存在一个合适的能带间隙；3 光生载流子寿命，载流子的停留时间和半导体特性，以及掺杂特性、晶体缺陷以及杂质浓度等有关。,世界科技报道消息：美国特拉华大学最新研制的超高效硅太阳能电池，在标准的陆地日光条件下，其太阳能转换效率达到创纪录的42.8%，比其他种类太阳能电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。这项技术将在世界范围内改变电力的产生方式。,太阳能电池发展的主要制约因素,1 太阳能电池造价高、电价贵；2 太阳能转换效率低，一般小于20%；3 太阳光能量密度低；4 太阳能发电受时间和气候影响大；5 太阳能电池的材料普遍资源少，价格高。,太阳能电池材料,按

19、照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！ ）无机化合物太阳能电池 如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池,太阳能电池材料性能,表1 无机太阳能电池的性能及应用,Masafumi Yamaguchi,Tatsuya Takamoto,Kenji Araki，et al. Solar energy, 2005. 新能源材料雷永泉，万群，石永康，天津大学出版社，2000.,单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发

20、电成本可降低为58美分/（kWh）,M. Grtzel, Photoelectrochemical cells, Nature 2001(414), 338,太阳能电池对材料的要求,半导体材料的禁带不能太宽要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且材料性能稳定,晶体硅太阳能电池,晶体硅太阳能电池包括单晶硅、多晶硅、带状硅、单晶硅薄膜等类型，具有性能稳定、资源丰富、无毒性等有点，是市场的主导产品。缺点：单晶硅面积小，制造成本高。,晶体硅太阳能电池结构和原理图,晶体硅太阳能电池结构PN结、背电极、减反射层、面电极、光栅。,2005年,单晶硅太阳能电池外观,单晶硅太阳能电池典

21、型结构,单晶硅太阳能电池,目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很高，限制了大量广泛和普遍使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。,单晶硅太阳能电池性能改善措施,性能改善措施：1 采用埋层电极；2 表面钝化和绒化，降低光反射；3 密栅工艺；4 优化背电极及接触电极技术,埋栅太阳能电池BCSC,影响单晶硅电池性能因素：1 表面光反射损失；2 电池表面栅线遮光影响；3 光传导损失；4 内部和表面复合损失。,背面局部扩散太阳能电池PERL,硅太阳能

22、电池制造工艺,硅太阳能电池制造工艺,1. 清洗蚀刻2. 磷扩散,P-type wafer,单晶硅太阳能电池制造,3. 鍍抗反 射层4. 网印5. 烧结,单晶硅太阳能电池制造,太阳能电池的硅材料,通常的晶体硅太阳能电池是在厚度300350m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上，将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.40.45毫米。硅片经过切、抛、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。,太阳能硅的杂质浓度较高，一般要求5个9的纯度（99.999），比集成电路用的单晶硅（ 纯度要求78个9）要求低得多。太阳能硅常用0.32cm的P型（100）单晶硅片。,制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片

23、，在高温石英管扩散炉对硅片表面作扩散掺杂，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。目的是在硅片上形成P/N结。然后采用丝网印刷法，用精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射膜 ，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过检测，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装，组成各种大小不同太阳电池阵列。,硅太阳能电池制造工艺,表面绒面化,由于硅片用P型（100）硅片，可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子10时（所谓各向异性因子就是（100）面与（

24、111）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率。,由于原始硅片采用P型硅，发射区扩散一般采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。目前大型的太阳能厂家一般用8吋硅片扩散炉、石英管口径达270mm，可以扩散156156（mm）的硅片。 由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性；因为采用磷扩散，可以实现高浓度的掺杂，有利于降低太阳电池的串联电阻Rs，从而了提高太阳电池填充因子。,发射区扩散,多晶硅太阳电池广泛使用PECVD(plas

25、ma enhanced chemical vapor deposition)淀积SiN ,PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池。随着PECVD在多晶硅太阳电池成功,引起人们将PECVD用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的表面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高20%左右，同时由于SiN薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化作用。,PECVD淀积SiN,晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能

26、形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺。该工艺的基础理论来自合金法制P-N结工艺。当电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程相当快，一般只需几秒钟。溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，在金属和晶体接触界面上生

27、长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触；如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成P-N结。,共烧形成金属接触,银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共烧工艺是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。,多晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池特点：1 光电转换效率低于单晶硅电池

28、，其光电转换效率约12-16左右 ；2 使用寿命比单晶硅太阳能电池短；3 和单晶硅一样没光致衰退效应；4 制作成本降低。5 多晶硅薄膜电池受到广泛重视。,多晶硅太阳能电池,微晶硅薄膜电池光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7，大面积低温psi膜与si组成叠层电池结构，是提高比aS光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。铜烟硒光电池 CIS（铜铟硒）薄膜光电池己成为国际先伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7），性能稳定，制造成本低的特点 。,薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能

29、电池微(多)晶硅薄膜太阳能电池铜铟硒薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池碲化隔薄膜太阳能电池染料敏化薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池其他,非晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池特点低成本能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好(充电效率高)存在光致衰减效应非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功；目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10左右。,非晶硅薄膜太阳能电池应用范围,室内消费电子产品（非晶硅电池弱光性能好）,低成本晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，硅片的成本就占整个

30、太阳电池成本的65-70%；非晶硅薄膜太阳电池的厚度0.5um。主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，是太阳能电池的主要发展方向。,非晶硅太阳能电池存在的问题,效率较低单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。,稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致

31、衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。成本问题非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。,非晶硅太阳电池的市场,大规模地成本发电站1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1

32、000KWp)。德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。弱光下使用由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。,与建筑相配合,建造太阳能房,非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。,化合物太阳能电池,化合物太阳能电池的特点,光电转化效率高、转换效率提高空间大。美国Tecstar公司已研制成功了用于空间的、效率达到33.4

33、%的太阳电池 （InGaP/GaAs电池）。,材料消耗少。化合物半导体材料的带隙1.4eV ，对阳光吸收系数更大，使得这些材料适合制作薄膜电池。,化合物太阳电池的品种多，应用范围广泛。,抗辐射性好，适用于空间飞行器电源等特殊应用 。,CdTe太阳能电池,CdTe太阳能电池结构PN结：n-CdS/p-CdTe,CdTe太阳能电池结构示意图,CdTe太阳能电池性能光电转换效率高（27%），对可见光吸收系数大；稳定性好，结构简单，易工业化成本低存在Cd毒性,CdTe电池组件制备,CdTe电池组件制备工艺流程,CdS、 CdTe 薄膜的制备技术真空蒸发法、 溅射法、 近空间升华法、 元素汽相化合法、

34、电化学沉积法等。其中真空蒸发法、 溅射法的生产成本高 ,不适于规模化生产。,近空间升华法（CSS）沉积装置如图 所示。采用高纯 CdTe薄片或粉料作源 ,两石墨块的间距约 130 mm ,衬底温度 550650 ,源温度比衬底高 80100 ,反应室充 N2 ,真空度为 7. 5 1027. 5 103Pa。再经过氧气或氯气表面钝化；硝酸、硝酸-冰乙酸等溶液择优腐蚀，获取具有绒面结构的CdTe薄膜。,CuInSe(CIS)太阳能电池,CIS太阳能电池结构,CuInSe(CIS)结构PN结：n-CdS/p-CIS,CIS太阳能电池性能光电转换效率高（18%），对可见光吸收系数大；稳定性好，抗辐照

35、能力强。,目前制备C IS 和C IGS 吸收层有三种方法: 磁控溅射、电子束蒸发、电镀。电子束蒸发法, 包括两种工艺, 分别是: (1)共蒸Cu、In、 Ga 合金预制膜+ 硒化; (2)Cu、In、 Ga、 Se 共蒸发。磁控溅射一般溅射Cu In 和CuGa 沉积Cu InGa合金预制层, 然后硒化。,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0

36、.7V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,有机太阳能电池的特点,优点 制造成本低 化合物结构可设计性材料重量轻加工性能好便于制造大面积的太阳能电池高吸光系数,缺点功率转换效率低载流子迁移低无序结构耐久性差,89,有机太阳能电池介绍 第一个硅基太阳能电池是贝尔实验室在1954年制造出来的，它的太阳光电转化效率约为6；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，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，但光电转化效率很低。,90,有机太阳能电池的原理 太阳能电池的基本原理是

37、基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应, 所以又称为光伏电池。当光子入射到光敏材料时, 激发材料内部产生电子和空穴对, 在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过。有机太阳能电池利用的也是光伏效应在太阳光的照射下有机材料吸收光子, 如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E, 就会产生激子(电子空穴对)。激子的结合能大约为0.21.0 eV，,91,有机太阳能电池的分类 有机太阳能电池的几种结构。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为：单质结结构太阳能电池、异质结结构太阳能电池、染料敏化纳米晶结构太阳能电池、而异质结有机太阳能电池又包括p-n 异质结、混合异质结、体

38、异质结和级联结构有机太阳能电池。,92,有机太阳能电池的材料 有机太阳能电池组件的核心 - 太阳能电池片。研究有机太阳能电池的制备和性能，其主要目的是研究制备太阳能电池片的有机材料。该材料的好坏直接影响光电转换效率。1.有机太阳能电池材料的选取 有机材料选择是太阳能电池制作的关键,它必须满足以下几个基本要求:和半导体接触紧密;在可见光区有好的光吸收;有稳定也即是长寿命的激发态存在;,93,足够负的激发态氧化还原势以使电子注入半导体导带,并且基态氧化还原势尽可能正;满足初级和次级电子转移过程中能量损失最小的要求。 2.有机太阳能电池的材料分类 有机太阳能电池材料种类繁多,可大体分为四类:小分子太

39、阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料。,94,有机小分子,常见的小分子结构,95,HBC-PhC12的结构图,96,有机大分子电池材料,一些富勒烯衍生物的结构图,97,一些PPV 衍生物的结构图,98,一些聚噻吩衍生物的结构图,99,含氮共轭聚合物的结构图,100,D-A 体系,一些D-A 体系材料的结构图,制成透明的产品，应用范围广；在各种光照条件下使用； 光的利用效率高；对光阴影不敏感；可在很宽温度范围内正常工作,染料敏化光化学太阳能电池（DSSC）,染料敏化纳米晶体太阳能电池,目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达1520年，且其制

40、造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10., Ref： ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737740,1991年，Grtzel M.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs ）的文章以较低的成本得到了7%的光电转化效率， 为利用太阳能提供了一条新的途径.,1997年，该电池的光电转换效率达到了10%11%，短路电流达 到18mA/cm2,开路电压达到720mV；,1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel电池研制成功，其单色光电转换

41、效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。,电池结构,染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grtzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。,工作原理,S* S+e- CB(TiO2),S+A- S+A,A+e-(CE) A-,Voc=1/q【（Ef）TiO2 (E（R/R-）)】,工作原理,在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧

42、化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。,评价性能的参数（一）,=LHE（）injc,LHE（）=1-10-(),为每单位平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数;()为染料吸收截面积。,inj=kinj/(-1+kinj),kinj为电子注入的速率常数；为激发态寿命。,入射单色光的光电转换效率( IPCE ),inj为电子注入的效率,c是电极收集注入电荷的效率,c是电极收集注入电荷的效率,光吸收效率,Ref:Nazeeruddin,M. K., Grtzel,M. ,J.Am.Chem.Soc.1993, 115,

43、6382,iph ： 短路电流； Voc ：开路电压； ff ：填充因子； Is：入射光强度。,总转化效率(输出功率与输入功率之比)：,评价性能的参数（二）,影响电池光电转化效率的因素,采光效率电子的注入收集效率,有机光敏染料的光吸收性能,有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配,电子在薄膜中的扩散性能,研究进展,敏化剂纳米半导体材料电解质其他方面,敏化剂,吸收尽可能多的太阳光；紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（COOH,-SO3H,PO3H2等）与相应的纳米晶的能带相匹配；激发态寿命足够长；具有长期的稳定性,敏化剂分类,联吡啶金属络合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（P

44、orphyrin）系列纯有机染料系列,N3,Black dye,Ref: Nazeeruddin M.K., et al., J. Am. Chem. Soc., 1993,115,6382 Nazeeruddin M.K., et al., Chem. Commun., 1997,1705-1706,联吡啶金属络合物系列,Ref: Hagfeldt A. and Grtzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269-277,Wavelength nm,Black dye,Ref: N azeeruddinM K, GratzelM J.Am.Chem.Soc.1993

45、, 115: 6382 Hagfeldt A. and Grtzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269,N3 和Black Dye性能比较,卟啉系列和酞菁系列,Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272 (2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,1998,3.39,Ref: Sayama K.,et al., Chem. Commun., 2000, 1173,Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an over

46、all =4.2%,纯有机染料系列（一） -半菁染料衍生物,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX-2311,NKX-2677,纯有机染料系列（二）-香豆素衍生物,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX-2677,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX2677 性能,纳米半导体材料,金属硫化物、金属硒化物 、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶 、铁 、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料. 1999

47、 年,Guo（1）报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池. 2000 年,Poznyak （2）等人还报道了纳米晶体In2O3 薄膜电极 的光电化学性质. 在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导体材料中, TiO2 ,ZnO 和SnO2的性能较好.,Ref （1）Guo P ,Aegenter M A. . Thi n Soli d Film ,1999 ,351 :290 （2）Poznyak S K,Kulak A Electrochimica Acta ,2000 ,45 :1595 （3）李斌等，感光科学与光化学 ,2000，18，336,纳

48、米TiO2 薄膜极材料,Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a hydrothermally processed TiO2 colloid. The exposed surface planes have mainly 101 orientation. Porosity: 50%. Average pore size :15nm;,制备方法：溶胶凝胶法；水热反应法；溅射法；醇盐水解法；溅射沉积法；等离子喷涂法；丝网印刷法等,微观结构（孔径 气孔率）,Ref：

49、 ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737,电 解 质 材 料,液态电解质存在的缺点：,易导致敏化染料的脱附;(2) 溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解;(3) 密封工艺复杂;(4) 载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定;(5) 存在其他氧化还原反应,Ref：Tennakone K, Perera V P S , et al . J . Phys. D: Appl . Phys. ,1999 ,32 ,374.,固 态 空 穴 传 输 材 料,Grtzel 等人在1998 年用2 ,2,7 ,7-四(N ,N-二对甲氧基苯基氨基)- 9

50、,9-螺环二芴(OMeTAD ,如下图所示) 作为空穴传输材料,得到了单色效率高达33 %的电池。,Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583,面临的主要问题,染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比 较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？）电解质及基体材料（为达到商业化的目标 溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提高稳定性和使用寿命）电池的串并联问题,结 论,成本低：仅为硅太阳能电池的1/51/10 ；寿命长：使用