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1、.,薄膜太阳能电池,组员：王文丽 孙有政吕立锋晋俊超杨鸣春,.,主要内容,太阳能薄膜的性能表征,4,1,薄膜太阳能电池介绍,.,背景介绍,.,1993年，欧洲CIS(EuroCIS)研究中心使用CdSCu(In,Ga)Se2结构，成功将效率提升到15左右。,1996年，美国可在生能源国家实验室(NERL) 效率提高到了177。直到现在为止，NERL已将效率再往上提升至195,研究历程,南开大学的CIS太阳能电池研究小组,在CIGS太阳能电池的转换效率上已经达到121左右,.,发展现状,我国高度重视薄膜太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。截至2008年底，我
2、国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企业的产能约达125.9MW，年产量约为46MW。截止2009年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个，按其规划，2014年前全部建成后的产能将高达约4000MW。,.,薄膜太阳能电池的原理,主要是利用光伏效应(photovoltaic effect)将光能直接转换成电能的一种P-N结半导体装置。,当晶片的接触面受光后，只要光子的能量等于或大于Eg，就会把电子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生电子-空穴对。如果所产生的电子-空穴对有足够长的寿命，各自扩散到p-n 结的势垒区附近，在p-n 结的内建电场作用下被互相分离，
3、光生的非平衡空穴往带负电的p 型区移动，电子往带正电的n 型区移动。在p-n 结开路情况下。n 区边界将积累非平衡电子，p 区边界将积累非平衡空穴，产生一个与p-n 结内建电场方向相反的光生电场Voc，这就是光伏效应。在p-n 结短路情况下光生电子和光生空穴分别产生电流Jn 和Jp，总的光生电流密度Jsc为两者之和。此时在晶片的两边加上电极并引入负载，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n 结起到了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。光照在接触面产生的电子空穴对愈多，电流愈大。,.,薄膜太阳能电池的特色,1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳)2.没有内部电路短路问
4、题(联机已经在串联电池制造时内建)3.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少4.有较佳的功率温度系数5.较高的累积发电量6.只需少量的硅原料7.较佳的光传输8.厚度较晶圆太阳能电池薄9.材料供应无虑10.可与建材整合性运用(BIPV),.,非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si),微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si),化合物半导体II-IV 族（CdS、CdTe、CuInSe2）,色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell),有机导电高分子(Organic/poly
5、mer solar cells),CIGS (铜铟硒化物),太阳能电池的分类,.,薄膜太阳能模块结构图,薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层.等,.,半透明式的太阳能电池模：建筑整合式太阳能应用,薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事、旅行,薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防,薄膜太阳电池产品应用,.,国内投资状况,.,国外投资状况,.,染料敏化太阳能电池,孙有政,.,染料敏化太阳能电池结构,.,Click to add title in here,TiO2薄膜的性能及应用,.,TiO2薄膜的常用制备工艺,.,太阳能薄膜制备
6、方法,.,溶胶凝胶法制备TiO2太阳能薄膜,.,制备纳米TiO2粒子溶胶或前躯体,.,实验举例,.,存在的问题及改进,显然，通过涂覆的办法只能得到小尺寸的薄膜，而我们希望薄膜的尺寸越大越好。使用丝网印刷法制备出大面积的TiO2薄膜，具体工艺如下：,.,硅薄膜太阳能电池,吕立锋,.,硅薄膜太阳能电池,硅薄膜太阳能电池可以分为以下三类：,.,硅薄膜太阳能电池,晶体硅太阳电池是光伏市场的主导产品之一,薄膜硅太阳能电池,特点,生产工艺,高效率、低成本、大规模生产发展,不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电池的工艺路线，发展薄膜太阳电池的技术,材料大多来自半导体硅材料
7、的 外品和单晶硅的头尾料,原料紧缺,制作成本高，不能满足光伏工业发展的需要,硅材料是构成晶体硅太阳电 池组件成本中很难降低的部分,全球太阳能电池最大的生产企业日本夏普电器公司董事长片山干雄指出：“2013年之前是薄膜硅和结晶硅齐头并进，2013年以后薄膜硅将成主流。”,.,多晶硅薄膜太阳能电池制备,目前，制备多晶硅薄膜太阳能电池多采用各种化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺和快热化学气相沉积（RTCVD）工艺。此外还有半导体液相外延生长法、固相结晶法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜太阳能电池。,.,非晶硅薄膜太阳能电池制备,.,非晶硅薄
8、膜太阳能电池制备,三种主要的制备方法中，PECVD法最为成熟，在低温下就可以制备非晶硅太阳能电池。等离子体增强化学气相沉积：是在沉积室内建立高压电场，反应气体在一定气压和高压电场作用下，产生辉光放电，反应气体被激发成非常活泼的分子、原子、离子和原子团构成的等离子体，大大降低了沉积反应温度，加速了化学反应过程，提高了沉积速率。,.,非晶硅薄膜太阳能电池制备,三室连续PEVCVD沉积系统。该沉积系统由PIN三个反应室、真空系统、供气系统、激励电源与衬底加热系统等主要单元组成。PIN三个反应室都开有观察窗口，P室和N室分别进行p型与n型材料的沉积，I室用于制备本征层(i层)材料,.,非晶硅薄膜太阳能
9、电池制备,a-Si：H主要制备流程如下：,.,微晶硅薄膜制备方法,制备微晶硅材料的主要技术方法包括3种化学气相沉积法最早用于沉积微晶硅的技术的是：1. 射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD。2. 甚高频等离子体增强化学气相沉积方法（VHF-PECVD）3. 热丝化学气相沉积（HW-CVD）,.,太阳能薄膜的性能表征,晋俊超,.,薄膜结构与形貌表征,薄膜的表面结构性质对光生载流子的收集起着决定性的作用，光生载流子对薄膜的光电化学活性又起着决定性作用。 不同方法制备的薄膜组成和微结构不同，薄膜的性能存在显著的差异！应对其表面结构和形貌进行表征！以达到太阳薄膜光电转化设计的最优化！,.,1
10、 薄膜结构与形貌表征,紫外可见光分光光度计，测量薄膜的透光率。利用薄膜厚度测试仪监测膜厚或用称重法计算出膜厚。采用X射线衍射（XRD）测薄膜的晶相组成研究非晶硅薄膜结构或是晶化，主要是通过测量Raman谱中TO模式的变化来实现的。扫描电子显微镜（SEM）观察成膜质量、表面形貌、以及薄膜的析晶情况等,.,1 薄膜结构与形貌表征,用扫描电镜自带的电子能谱损失谱(EDS)测 定薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较准确的判定相关微区结构的成分，通过计算获得各组成成分的相对含量。用原子力显微镜观察Ti02薄膜的三维显微图像。直流四探针法是测量薄膜材料的电阻率,.,1 薄膜结构与形貌表征,采用X射线
11、衍射（XRD）测薄膜的晶相组成,扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌、显微结构及薄膜断面、膜厚等,.,1 薄膜结构与形貌表征,用扫描电镜自带的电子能谱损失谱(EDS)测定薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较准确的判定相关微区结构的成分，通过计算获得各组成成分的相对含量。,用原子力显微镜观察Ti02薄膜的三维显微图像。,.,电流电压关系曲线(lV曲线)测量,电流 一 电压关系曲线(I一V曲线)在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，在太阳能电池的研究中，I一V曲线测量也是非常重要的研究手段。,手动测量IV曲线电路图,太阳能电池的光电流一光电压曲线(I-V曲线)和功率一光电压曲线,.
12、,DSSC电池的组装及其光电性能测试,采用恒电位仪，检流计，电阻箱及球形标准氙（AM 1.5）组成的测量系统来测量所组装太阳能电池的性能。 以球形氙灯为光源对电池进行照射，通过电阻箱来调节电阻，通过恒电位仪记录开路电压Voc，直流检流计记录短路电流Isc。,.,DSSC电池的测试,在 染 料 敏化太阳能电池中，通过I一V曲线测试可以得到的描述其光电性能的重要参数有以下几个: 光电转换效率IPCE 、短路电流Isc、开路电压Voc 、填充因子FF 和电池的总效率 等。 光电转换效率是入射单色光的光子变成电流的转换效率（IPCE）。 短路电流是指电路处于短路（即电阻为零，只连接对电极和安培计）时的
13、电流，它是光电池所能产生的最大光电流，此时的光电压为零。 开路电压Uoc 是指电路处于开路（即电阻为无穷大，只连接参比电极和伏特计）时的电压，是光电池所能产生的最大电压，此时的电流为零。,.,DSSC电池的光电性能测试,当太阳能电池接上负载电阻后，太阳能电池的输出电压和电流随着负载电阻的变化而变化，当负载电阻R=Rm 时，太阳能电池的输出功率为最大，即最大功率Pm，对应电压Um 和电流Im，可知Pm = ImUm。 填充因子FF 是表征太阳能电池输送电力的一个指标，将最大功率Pm 和Uoc 与Isc 之积的比值定义为填充因子FF，即FF = Pm / UocIscImUm /UocIsc 。
14、光生电流的效率即光电池总的光电转换效率，定义为最大输出功率和入射太阳光的能量（Pin）之比可通过下式来计算： 总= Pm / Pin,.,入射单色光的光电转化效率（IPCE）测量,IPCE即入射单色光子电子转化效率，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。测试IPCE曲线，可以了解被测的电池样品在哪些波长范围内可以获得较高的光子电子转化效率，即可以得到该电池的光谱响应情况。,染料敏化太阳能电池IPCE曲线,.,新型太阳能电池及展望,杨鸣春,.,目前，市场上的太阳能电池主要以硅基太阳能电池为主，其中又以多晶硅电池为主流。 近年来，多晶硅原料价格的迅速攀升，使
15、其成本进一步提高，多晶硅市场价由2005年的55美元每千克涨到2007年的400美元每千克，导致太阳能电池的发电成本提高到56元每千瓦时，约为煤电成本的10倍，且项目投资高、能耗大，一般建1000t的工厂需要18个月的工期，投资额高达10亿元以上。,.,随着科学技术的不断进步，太阳能薄膜电池光电转换效率得到了迅速地提高，与晶体硅电池相比虽然还有较大的差距，但是其用料少、工艺简单、能耗低、成本低等优势越来越被业界人士所接受。,.,目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为：薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池（即染料敏化电池）。,.,Click to add title in h
16、ere,叠层电池,叠层太阳能电池的叠层结构可以拓宽吸收光谱（每一叠层单元感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光）；同时各器件间的耦合效应将整体的光能转换效率达到更高水平，从而最大限度地将光能变成电能。,.,柔性电池,柔性电池通常采用柔韧的聚合物半导体作为感光组元组装器件，或者采用导电的 柔性有机基板电极作为组 装器件。 柔性电池能用在平板 类太阳能电池难以胜任的 许多领域，例如太阳能汽 车、飞机、飞艇、建筑、 纺织品、帐篷、服装、头 盔，玩具等特殊曲面上。,.,染料敏化太阳能电池,染料敏化太阳能电池被称为第三代太阳能电池太阳能电池，其制备工艺简单，不需昂贵又耗能的高温、高真空处理，也不需要高纯原料，成本仅为硅基太阳能电池的15110。可以做成透明的或者多彩多色的，也可以做成柔性的可弯曲电池，效率可达11%，寿命可达1520年，在不久的将来就会逐步走入市场。,.,前景展望,太阳能光电转换率的卡诺上限是95，远高于标准太阳能电池的理论上限的33，因此太阳能电池的性能还有很大发展空间； 薄膜电池、柔性电池以及叠层电池将成为太阳能电池研究领域的主流；染料敏化太阳能电池作为第三代低成本陶瓷基太阳能电池，已经受到国际科学家和产业界的青睐和瞩目； 因此，太阳能电池将会向更薄、更高效、更低的成本以及更宽的适用范围发展。,.,Thank you,
