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1、太阳能电池材料,宋丹丹主楼B605,1,课程介绍,太阳能电池材料是新能源材料与器件专业本科生的专业必修课。其预修课程有固体物理、半导体物理、材料分析方法等。本课程的目的在于使学生理解典型太阳能电池原理及所用功能材料特性，了解太阳能电池材料的特点和制备技术，掌握太阳能电池材料的特性、结构和技术要求，为今后的学习和工作打下基础。,2,课程介绍,太阳电池材料概论、太阳电池材料的半导体物理基础、太阳电池材料分析技术、太阳电池的基本原理与测试方法、晶体硅太阳电池材料、染料敏化/有机聚合物/钙钛矿太阳电池材料、硅基薄膜太阳电池材料、III-V族化合物太阳电池材料、 铜铟镓硒薄膜太阳电池材料等。,3,课程介
2、绍,讲授方式：以课堂讲授为主。考核方式：考核方式为考试。综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占30% ，期末成绩占70% 。平时成绩：出勤情况+作业。不定期点名！（迟到15min算旷课）每章结束将会有作业。期末成绩：闭卷考试，考察平时学习的内容。学时数： 64学时 学分数： 4 学分,4,课程介绍,推荐教材和参考书目太阳能电池 材料制造 检测技术，翁敏航，科学出版社，2013太阳能电池基础与应用，熊少珍，朱美芳，科学出版社，2009半导体器件导论，Donald A. Neaman，清华大学出版社， 2006纳米材料与太阳能利用，沈辉等，化学工业出版社，2012,5,课程介绍,太阳能电池
3、材料课程结构：以不同类型电池材料为主线。针对特定类型电池，讲述所用材料的制备技术、性能及器件性能等相关知识。学习重点：材料的制备技术材料结构、物理化学性质材料对电池性能的影响,6,第一章 太阳能电池材料概论,7,1.1 章节重点与学习目标,介绍发展太阳能电池材料的原因、太阳能电池材料发展历史及分类、太阳能电池材料的发展现状与研究重点。学生在学完本章课程后需了解：发展太阳能电池的必要性。太阳能电池的发展历史。太阳能电池的种类与性能。各种太阳能电池的优缺点。太阳能电池的发展现状与研究重点。,8,1.2 能源现状与可再生能源,全球变暖：,9,1.2 能源现状与可再生能源,能源危机：能源需求增长，传统
4、能源面临枯竭,10,1.2 能源现状与可再生能源,可再生能源种类：太阳能、风能、生物质能、地热能、海水温差等。,11,1.2 能源现状与可再生能源,12,1.2 能源现状与可再生能源,13,1.2 能源现状与可再生能源,14,1.2 能源现状与可再生能源,太阳能电池及其模块在使用上的优点：对于人类历史而言，太阳能取之不尽、用之不竭。太阳能的提供无需任何能源运转费，无需燃料，无需废弃物与污染，无转动组件，无噪声。机械磨损较少，可使用20年以上。太阳能可以直接将光能转换为直流电能，发电规模弹性较大。太阳能电池种类众多，外形、尺寸可随意变化，应用广泛。可与建筑物相结合。,15,1.2 能源现状与可再
5、生能源,太阳能电池及其模块在使用上的缺点：目前成本相对昂贵。转换效率只有15-20%，大规模发电需要较大的面积。目前常用的结晶硅电池的发电受天气影响较大，在弱光、晨昏与阴雨天时，电量会降低。但是：各国对太阳能电池都有较大的补助政策，太阳能电池的技术开发进展很大，太阳能电池成本逐渐降低，新型适合各种需求的太阳能电池也逐渐被开发并走向产业化。太阳能电池拥有极大的发展空间。,16,1.3 太阳光的使用与光电转换,太阳辐射与吸收：黑体辐射，太阳表面温度为6000K左右，地球大气中所产生的各种物理过程和物理现象，都直接或者间接地依靠太阳辐射的能量进行。地球所接收的太阳能量换算成电力表示约为1.77*10
6、14KW，这大概是全球平均年消耗电力的100000倍。太阳辐射强度：表征太阳辐射能强弱的物理量，即表示单位时间内处置投射在单位面积上的太阳辐射能，用I表示，单位为cal/(cm*min)。达到地球大气顶端的太阳辐射强度，主要由以下因素决定：日地距离、太阳高度、日照时间。,17,1.3 太阳光的使用与光电转换,18,1.3 太阳光的使用与光电转换,太阳光的光电转换：太阳光照射到可吸收光谱的半导体光电材料后，光子将会以电子/空穴的方式输出。在光电转换过程中，吸收的光谱能量由吸收材料的所决定。,19,光伏转换（Photovoltaic）：Photo-光，voltaic-电太阳能电池：是一种光电转换的
7、器件，经太阳光照射后可以把光的能量转换为电能。,1.3 太阳光的使用与光电转换,20,1.4 太阳能电池的种类和发展,太阳能电池种类很多，以材料（光吸收材料）分主要可分为：,21,模块效率15-17%,模块效率13-16%,模块效率6%,模块效率10-13%,模块效率大于12%,模块开发中,1.4 太阳能电池的种类和发展,晶体硅晶片型太阳能电池：单晶硅芯片与多晶硅芯片效能：单晶硅芯片效率高；多晶硅成本较低。优点：可量产，是目前市场主流；模块稳定，使用期限长，一般可达20年。缺点：能源回收周期较长；硅片不透光，不适于建筑一体化应用。硅晶片型太阳能电池制备,22,1.4 太阳能电池的种类和发展,硅
8、基薄膜太阳能电池：非晶、微晶、多晶、结晶效能：非晶较低6%；结晶模块效率10-13%。优点：制备与模块一体成型，适合建筑一体化使用；制备与设备技术发展较快；可大面积且定制化生产，也可制作柔性电池。缺点：非晶硅电池效率较低，且稳定性差；镀膜设备技术门槛高；整厂输出的设备价格高。,23,1.4 太阳能电池的种类和发展,III-V族化合物太阳能电池：主要有GaAs、GaInP等效能：聚光型GaAs是目前效率最高的，大于30%。优点：GaAs效率大部分超过20%以上；器件制备类似与发光二极管，因此可将发电与照明相结合。高效率、低重量、耐辐射特性，是目前太空卫星及聚光太阳能电池的主流。缺点：生产设备与材
9、料昂贵， 大面积制备困难；聚光型砷 化镓的成本极高，每瓦成本 是其他电池的百倍以上。,24,1.4 太阳能电池的种类和发展,II-VI族化合物太阳能电池：主要有CuInGaSe2 (CIGS)、CuInSe2、CdTe等.效能：模块效率CIGS12%,CdTe10%。优点：CIGS可通过卷印制备用于柔性基板生产。缺点：材料部分成本毒性高，存在严重环保问题；部分原料储量有限；CIGS大面积材料制备困难度较大。,25,1.4 太阳能电池的种类和发展,染料敏化太阳能电池：染料吸收太阳光效能：实验室效率最高15%。模块开发中。优点：材料成本低；制备简单；可大面积制备；可柔性。缺点：技术不成熟，商业化模
10、块效率低； 封装较为复杂；稳定性较差。,26,1.4 太阳能电池的种类和发展,有机聚合物太阳能电池：采用有机聚合物PCBM/P3HT等效能：实验室效率最高10%。模块开发中。优点：材料成本低；制备简单；可大面积制备；可柔性。缺点：技术不成熟，商业化模块效率低； 封装较为复杂；稳定性较差。,27,1.4 太阳能电池的种类和发展,太阳能电池的发展1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池
11、的原理。1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文。1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。,28,1.4 太阳能电池的种类和发展,1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。 1930年B.Lang研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky发表“新型氧化亚铜光电池”论文。1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象。1933年L.O.G
12、rondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。1953年Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光普的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算。,29,1.4 太阳能电池的种类和发展,1954年RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉的光伏现象，(RCA:RadioCorporationofAmerica,美国无线电公司)。 贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。1955年西部电工（Wes
13、ternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利，在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。 1956年P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。,30,1.4 太阳能电池的种类和发展,1957年Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D. M. Chapin, C. S. Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器件”专利权。1958年美国信号部队的T.Mandelkorn制成n/p型单晶硅光伏电池
14、，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100c，0.1W,为一备用的5mW话筒供电。1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳能电池列阵，每片2c，共20W。1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。,31,1.4 太阳能电池的种类和发展,1977年世界光伏电池超过500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W. E. Spear的1975年控制p-n结的工作基础
15、上制成世界上第一个非晶硅(a-Si)太阳能电池。1984年面积为929c的商品化非晶硅太阳能电池组件问世。1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W；澳大利亚新南威尔土大学MartinGreen研制单晶硅的太阳能电池效率达到20%。1991年瑞士Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达到7%。1999年美国NREL的M. A. Contreras等报道铜铟锡（CIS）太阳能电池效率达到18.8%；非晶硅太阳能电池占市场份额12.3%。,32,1.4 太阳能电池的种类和发展,2000年WuX.，DhereR.G.，AibinD.S.等报道碲化镉（CdTe）太阳能电池效率达到
16、16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。2003年德国FraunhoferISE的LFC（Laserfired-contact）晶体硅太阳能电池效率达到20%。2004德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。,33,1.4 太阳能电池的种类和发展,34,1.4 太阳能电池的种类和发展,35,1.4 太阳能电池的种类和发展,36,1.4 太阳能电池的种类和发展,37,1.4 太阳能电池的种类和发展,发展方向新材料：化合物、硅基薄膜、染料敏化、聚合物等新型电池材料
17、新结构与新技术：叠层电池、光学运筹（optical managing）新一代太阳能电池：宽带隙电池：量子点电池可见光利用：多激子产生的电池结构、热载流子电池红外部分能量利用：中间带电池（量子点中间带、高失配合金）、并联式叠层结构、表面等离基元,38,1.5 其他信息,太阳能电池生产厂商：中国：尚德、英利、晶澳、天合、阿特斯等国际主要生产厂商：,39,1.5 其他信息,太阳能电池技术知识领域：电子：pn结、器件结构设计与仿真。光电：防反射层、透明导电膜、集光器设计等。材料：各种半导体、陶瓷、高分子或金属等材料的物理与化学特性。制备：镀膜技术与封装技术。机械：生产设备、器件的热、应力等设计。太阳能
18、电池材料课程主要内容：材料物理化学特性：材料结构、光电、电化学、力、热特性等。材料制备：制备技术、不同技术对材料性能影响器件：不同材料界面特性（pn结等）、材料对器件性能影响,40,1.5 其他信息,专有名词：光电效应（photoelectric effect）：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。太阳能电池（solar cell）：通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池组件（solar cell module）：单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。,41,本章作业,题目：说明太阳能电池的种类（以材料分）及其优缺点。你认为比较有潜力的太阳能电池（材料）及原因。要求：手写，交A4纸，本周四上课前交。所写的内容可以比讲课时详细。详细资料参考书里及网上有很多。,42,下次课：,课程内容：太阳能电池的基本原理提前预习：太阳能电池材料的半导体物理基础半导体能带结构pn结，正向偏压及反向偏压下的pn结半导体光吸收,43,太阳能电池材料,宋丹丹新能源材料与器件教研室,44,
