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1、第五章 光伏材料和太阳能电池,内容,序言太阳能电池简介太阳能电池工作原理太阳能电池分类太阳能电池对材料的要求各类太阳能电池的制造方法及研究状况利用太阳能电池发电的优缺点太阳能电池的展望,一、序言,1、地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。2、包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。3、太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。,二十一世纪将是能源危机和能源革命的世纪。众所周知，世界上已探明的石油存储量只能供应40至50年，世界上石油储量67%在中东，我国2004年进口
2、原油1.2亿吨和成品油4000万吨。我国已探明煤炭储存量约8200亿吨标准煤，利用目前的工艺技术，可以安全开采的总储量约1500亿吨标准煤，2004年我国煤炭能源消耗为19.6亿吨标准煤，按照目前能源消耗增长的速率来计算的话，则我国的煤炭仅能够满足3040年的使用。常规能源是地球46亿年形成过程中，太阳给予地球能源的储存，可是在我们几代人的发展过程中，就将这种常规能源消耗殆尽，这不仅危及到我国的持续发展，而且也是危及到中华民族的能否继续生存发展的大事。,我国已决定发展核电，在未来十几年内将兴建约40个百万千瓦级核电组，如果2020年我国电力装机总量达到9亿千瓦，则核电只占总装机容量的几个百分点
3、，但是预计我国在按照目前的耗能情况比例上升，到2020年全国消耗常规能源为60亿吨，所排放的CO2将高达200亿吨以上，对人类的生存环境将造成严重的影响。我国天然铀资源短缺，大力进口天然铀，将会遇到更为严重的困难，人们还寄托希望于钍，如果钍能发电，那将提供我国上千年的能源需求，但是钍能否实现象铀一样的发电，目前尚无结论。我国东海、南海的能源开发有待积极进行国际协作开发，其储量尚未可知。常规能源的消耗量不可逆转的，也是有尽时的。,太阳能就是无污染的巨大能源，太阳实时给予地球的能量是人类每天所消耗的能量的上万倍，其中70%以上的能量是给予了大海，陆地的降雨量、沿海的台风、飓风都是太阳能转化的表现形
4、式。据专家计算，我国陆地每年接受太阳辐射的能量约为24000亿吨标准煤，这是取之不尽、用之不竭的绿色能源。问题是应该尽快地研制出价格低廉、转换效率较高的光伏电池。目前的太阳能电池每三千瓦约需一万美元，价格十分昂贵，远远地超过我们的国家和人民所能承受的极限。研制廉价和转化效率高的太阳能电池的历史使命就责无旁贷地落在光电子科技工作者的肩上。,太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强
5、度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。,太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤 它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯
6、竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。,能源状况,传统化石能源,不可再生、环境污染、能源枯竭,可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等,资源丰富、利用方便、洁净无污染,石油,煤,天然气,其他,世界的能源结构,能源结构调整,每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰20202030年,世界和中国主要常规能源储量预测,二、太阳能电池简介,1、太阳光能转换成电能的装置，采用半导体产生PN结来获得电位。2、太阳能电池是物理电池之一。,三、太阳能电池工作原理,光伏效应,太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应
7、，一般的半导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边 的四个电子。,太阳能电池利用原理,当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入时，硅晶体中就会存在着一个空穴，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,四、太阳能电池的分类,1、硅系太阳能电池 2、多元化合物薄膜太阳能电池 3、有机薄膜太阳能电池 4、染料敏化太阳能电池,据所用材料分,砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒,单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池,太阳能电池的种类,无机
8、太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）染料敏化（光化学）太阳能电池（纳米TiO2等）,按照所用材料的不同：,无机太阳能电池,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。,工作原理,无机太阳能电池研究进展,表1 无机太阳能电池的性能及应用,Masafumi Y
9、amaguchi,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电成本可降低为58美分/（kWh）,M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338,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
10、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0.7V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,无机硅太阳能电池（左12%）与有机薄膜太阳能电池（右4%）,染料敏化太阳能电池（DSSCs）,电池结构,阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料,阴极：镀铂的导电玻璃,电解质：I3-/I-,ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,737740,工作原理,Bach U,Lupo D,Comte P,et al.Nat ure,1998,395:583 ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,737740,
11、S+h S*S*S+e-CB(TiO2)S+A-S+AA+e-(CE)A-,1991年，瑞士Grtzel M.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达 1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。,研究进展,大日本印刷印刷方式有機太陽電池開発基板世界最高変換効率7達成,色素増感太陽電池,2007年03月30日,Supramolecular dyes could boost efficiency in s
12、olar cells,say scientists from the UK.Saif Haque,from Imperial College,London,found that supramolecular dyes gave a 25%improvement in performance as compared to conventional,non-supramolecular dyes.,Super solar cells26 April 2007,太阳光谱图,太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。,48%,新型太阳
13、能电池,e-,外电路,光子,电子能量,色素分子层,金层,肖特基结,TiO2层,Ti基底,1,2,4,3,5,1.电子激发2.电子穿越3.电子进导带4.电子热能化5.色素分子还原,导带,Nature 2003(421),616,转换效率 1%，10%吸收的光子转换为电流。,五、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,六、各类太阳能电池的制造方法及研究状况,七、利用太阳能电池发电的优缺点,优点：属于可再生能源，不必担心能源枯竭太阳能本身并不会给地球增加热负荷运行过程中低污染、平稳无噪音发电装置需要极少的维护,寿
14、命可达20年所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网用途广泛,缺点：受地域及天气影响较大由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高,八、太阳能电池的展望,III-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池很难占据主导地位。另两类电池染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶
15、硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。,目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。,太阳能电池的发展,1954年美国贝尔实验室制
16、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。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。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。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。,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规
17、模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年 2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划 280M美国：19972010年 百万屋顶计划 3025MW 发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,小 结,太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。由于材料与器材结构的研究与开发,太阳电能池的地面应用的潜在能力得到了发挥。从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材
18、料及染料敏化剂提供理论指导。太阳能的开发利用是人类进入21世纪必须解决的难题。太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重要的意义。,光伏产业的发展,1、传统的化石能源资源日益枯竭，严重的环境污染 制约了世界经济的可持续发展。2、能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战 略物资。3、太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生 能源。4、世界各国竞相出台发展可再生能源的扶持政策、法令、法规。5、从2006年1月1开始，我国可再生能源法开 始实施。,世界能源发展趋势,根据欧盟的预测：到2030年 太阳能发电将占总能耗10%以上 可再生能源在总能
19、源结构中占30%到2050年 太阳能发电将占总能耗20%可再生能源在总能源结构中占50%以上,二、世界光伏产业及应用特点,1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均 增长速度超过0%。2、德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用 市场。3、光伏建筑一体化及并网光伏发电前景广阔。4、晶体硅太阳电池继续保持领先地位。5、欧洲太阳电池组件零售价格在经历几年的持续 上涨后，出现了平稳期。6、太阳能光伏发电在未来的能源供应中被寄予厚 望。,1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均增长速度超过0%。2005年世界太阳电池产量达到1650MW，比2004增加了38%。日本光伏电池产量再次领先增长到762M
20、W，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到464MW；美国增加12%，达到156MW；世界其他地区增加96%，达到274MW。,历年世界太阳电池产量,世界顶级十家太阳能电池生产厂2005年及2006（预测）产量,2、在光伏应用和安装方面，德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场。2005年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%。德国安装837MW,比前一年增长了53%；占世界安装量的57%；日本安装292MW,比前一年增长了14%，占世界安装量的20%；美国安装102MW，占世界安装量的7%；欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%；世界其它地区安装146MW，占世界
21、安装量的10%。,2005年世界各地光伏安装量及所占比例,3、光伏建筑一体化及并网光伏发电前景广阔。以光伏集成建筑（BIPV）为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了目前绝对的光伏市场份额，尤其日本和德国近几年光伏安装几乎全部是并网应用。,4、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，其中多晶硅太阳电池的份额为52.3%，单晶硅为38.3%，带硅/片硅电池2.9%。预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。,1995-2005年各类太阳电池的产量百分比（%）,欧洲和美国组件零售价格,6、太阳能光伏发电在未来的能源供应中被寄予厚望。欧洲、日本、美国都制定了宏伟的光伏发展计划。欧洲、日本、美国制
22、定的光伏发展计划（GW）,2004-2008年多晶硅原料的产量及预测,2004-2008年世界主要高纯多晶硅制造商产量和生产能力一览表,2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场发生一个迅速增长，总装 机容量从2001年的23500KW迅速增长到2002年的 45000KW，至2003年达到55000KW。2003-2005 年，受德国巨大的市场需求影响，国内 光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长。2005年，电池产量约150MW 组件产量约284MW 安装量(国内)约5MW 累计安装量70MW,2005年我国晶体硅锭/片生产能力和产量(吨),2005年我国主要电池厂家产量及06年预期产能,2005年底我国光伏市场应用分布,
