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1、新能源材料太阳能电池材料,北航材料学院,太阳能电池材料,Global Carbon Dioxide Emissions,Global CO2 emissions from fossil fuel burning, cement production, and gas flaring for 1751-1999,While gross domestic product (GDP) grew by 38 percent from 1990 to 2000, energy-related carbon dioxide emissions grew by 16 percent.,GDP Growth
2、and Carbon Dioxide Emissions,开发新能源,太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。 太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！,太阳能热水器,太阳能汽车,FUNCTION OF THE SOLAR CELL .,Solar Cell,Load,I,CONVERTS LIGHT INTO ELECTRIC CURRENT,Solar Spectrum,Photons/m,Energy Band Structures and Conductivity,Semiconductors and
3、Insulators,Metals,Silicon Doping,Si (4 valence electrons),P (5 valence electrons) For n-type doping Results in extra electrons,B (3 valence electrons) For p-type doping Results in extra holes,e-,h+,The PIN Structure,N - layer,P - layer,I - layer,Contains positive mobile charge carriers,Contains nega
4、tive mobile charge carriers,Static Electric Field,-,+,Fixed dopant ions,半导体光伏效应原理,太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。,Solar Power: Not Cheap Enough Soon Enough!,Solar power needs to be 10-100 times cheaper to be competitive Even relatively low-tech
5、wind power has taken 20 years to decrease in cost by 85%,光电转换效率低,最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%.,硅材料制备,1. 多晶硅 定向凝固,单晶硅,非晶硅,Film Growth: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Process,Glass Slide,H Si P,Cathode (V+),Plasma Confinement Chamber,GND,H2,PH3,SiH4,太阳能电池,1. 单晶硅: 光电转换率大于20 %, 性
6、能稳定; 价格高. 2. 多晶硅: 光电转换率可达 15 %, 价格低. 3. 非晶硅: 光电转换率低; 用料省(1m; 多晶硅 50 m ), 无取向性, 可大尺寸生产.,晶体：士兵队列 非晶：电影院散场的观众 整体无序，但存在有规律的小集团， 家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等。,Crystalline Structure,Amorphous Structure,Least crystalline,Most crystalline,Amorphous,Crystalline,Phases of crystallinity,Nano-crystalline (nc),Amorphous (be
7、tween crystals),Measurement Techniques,Reflectance : (Measure of crystallinity) Electrical Conductivity: (Information about Carrier Concentration) Hot Probe Measurement: (Measure Sign of majority charge carrier),Reflectance Measurement,Light Source,Sample,Reflected Light,185-2600 nm,Detector,Monochr
8、omator,Electrical Conductivity,Electrode,Electrode,Si film,Glass Substrate,W,d,Film Thickness (t), = oe-Ea/kT,+ V -,A,I, = qN, = I V d /(t w),Hot Probe MeasurementSign of Majority Charge Carrier,Hot Probe (Cu),Cold Probe (Al),E,V+,V-,N-doped Sample,Voltmeter,+,-,太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐射能之比 =Pm/ Pin=V
9、oc Isc FF / At Pin,转化效率,目前CIS系列太阳电池的效率在1215最佳单电池转换效率达到19.2%,太阳光照射到电池后的主要损失环节,影响转化效率的因素,禁带宽度 温度 少数载流子寿命 掺杂浓度及其分布 光强 电池电阻,太阳能电池分类,按材料分为： 1）硅电池单晶硅，多晶硅，非晶硅 2）化合物半导体电池 CdTe，CIS/CIGS，GaAs，InP 3）有机电池-聚合物多层修饰电极型太阳能电池(染料敏化电池) 技术成熟程度： 1）晶体硅电池： 单晶硅，多晶硅, GaAs, InP 2）薄膜电池： a-Si，CIGS，CdTe, 球形电池，多晶硅薄膜,染料敏化电池 3）新型概
10、念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电池，杂质结电池 (也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池。),按电池结构分为： 1）直接能隙电池单晶硅，多晶硅，非晶硅 2）串联结构电池- 叠片型号, 混合型,太阳电池的半导体材料,各种半导体太阳能电池的效率,半导体太阳能电池发展现状,薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池， 而却它在能有更广的用途, 因为它能产生在可变形的薄片上。,晶体硅太阳能电池片的生产流程,太阳能电池（组件）生产工艺,组件-用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元 封装是太阳能电池生产中的关键步骤， 电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强
11、度。,薄膜太阳能电池 非晶硅(a-Si)、效率仅为7%左右并存在光致衰减现象，非晶硅薄膜电池已经商品化，占整个PV市场份额的8.9%左右 铜铟硒系列(CuInSe2和CuInGaSe2），实验室效率达19.8%，但由于组分多、结构复杂，导致成品率低。 碲化镉(CdTe) 等，实验室效率达15.8%，有毒成份Cd，对环境和人体的带来潜在危害； 光敏染料电池，聚合物多层修饰电极型太阳能电池，实验室效率达5%，尚处于研发阶段。,薄膜电池组件,非晶硅薄膜的制备,电子束蒸发 反应溅射 低压化学气相沉积（LPCVD） 辉光放电化学气相沉积 光化学气相沉积 离子体光化学气相沉积 ,非晶硅薄膜电池的制备工艺,
12、非晶硅薄膜电池的制备工艺,染料敏化太阳能电池,Dye-Sensitized Solar Cells（DSSC） DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I 3+溶于有机溶剂中形成。 染料敏化太阳能电池的能量 转化效率已达到11. 2%,染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对电极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。 结构上DSC就像人工制作的树
13、叶，只是植物中的叶绿素被敏化剂所代替，纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。,DSSC工作原理, 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； 电子扩散至导电基底，后流入外电路中； 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。,光阳极材料：敏化的TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，直接关系到太阳能电池的总效率。纳米多孔结构TiO2薄膜在目前染料敏化太
14、阳能电池中TiO2光阳极采用极为广泛。 光阴极材料：，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。 电解质：固态染料敏化太阳能电池获得的Uoc值很高，可以达到接近1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。 敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。,DSSC电池各组成部分的研究进展,敏化剂分为有机和无机两大类： 无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等； 有机敏化剂包括天然染料和合成染料。,环境保护和低碳经济,环境保护,各种发电方法污染量的比较 g/kwh,太阳能电池的应用,空间技术 发电机组 便携设备充电 交通工具 日常设施,最近十年光电转换市场的产量（兆瓦/年）,空间技术,神舟七号上的太阳能电池板 宇航员杨立伟在太空拍摄的照片 地面组装时的照片,日用便携设备充电 左图太阳能电池板的手机“Music Porter” 右图苹果ipod Mp3,Arizona,Hubble Telescope,Antarctica,Indiana-Colorado: 1250 mile
