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1、2017/11/17,1,第六讲 太阳能电池,2017/11/17,Prof. Guoyou GAN,Faculty of MSE,KMUST,2,目 录,一、太阳能电池应用二、太阳能电池发展历史三、太阳能电池原理四、太阳能电池分类五、太阳能电池发展方向六、附言,一、太阳能电池应用,人造卫星上的太阳能电池,2012年6月16日18时37分，神舟九号在酒泉卫星发射场，通过长征二F遥九火箭发射升空，与在轨运行的天宫一号目标飞行器进行载人交会对接。 神九飞船绕地球飞行1小时耗电只需1.8度，相当于一个功率高点的微波炉。飞行一天，“神九”只需43度。神舟九号电源系统共有3种电源，即太阳电池帆板、镉镍蓄
2、电池、应急电池。,在火箭发射前几个小时，电源系统会被充满电，电源系统实际上就是一个光伏系统，像一个小“发电场”，能源的来源就是太阳能，只有太阳能电池帆板展开了，电源系统才能正常工作。而依靠太阳能发的电，一部分供给飞船使用，一部分则用蓄电池储存起来。 “神舟九号”绕地球飞行一圈需要约90分钟，这期间有50多分钟是在阳光照射下的光照期，太阳电池帆板可以正常工作并给储能电池充电。但有30多分钟却是在没有阳光照射的地影期，太阳电池帆板将停止工作，这时维持飞船正常运转的电能都来自镉镍蓄电池事先储藏好的电能。这就像我们平时使用的手机一样，只有给电池充好电才能正常工作，所以在光照期为蓄电池充好电，飞船才能维
3、持正常运转。,太阳能汽车,7,西班牙塞维利亚太阳能发电站欧洲最大的太阳能电站，可供18万户使用，每年减排60万吨CO2,2017/11/17,8,亚洲第一，我国最大，昆明石林166兆瓦，总投资91亿元太阳能光伏并网实验示范电站一期的光伏电板，20兆瓦,2017/11/17,9,太阳能发电综合利用系统光伏电站,申奥用太阳能路灯彩图,10,世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度，每年减排二氧化碳2800吨，
4、节约标准煤1000多吨。,世博中国馆,世博主题馆,2017/11/17,11,清华大学电力国家重点实验室开发综合利用系统清华大学电力国家实验室开发综合利用系统,2017/11/17,12,太阳能空调降温 太阳能制冷及在空调降温研究工作重点是寻找高效吸收和蒸发材料，优化系统热特性，建立数学模型和计算机程序，研究新型制冷循环等。 太阳能热发电 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能 转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。,2017/11/17,13,太阳灶 我国目前大约有20万台太阳灶在使用中。太阳灶表面可以加涂一层光谱选择性材料，如二氧化硅之类的透明涂料，以改变阳光的吸收
5、与发射，最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。提高太阳灶的效率。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。太阳能干燥 是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有1000多套太阳能干燥系统，总面积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药干燥等。,2017/11/17,14,太阳房 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房可以节约7590的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。被动式太阳房平均每平方米建筑面积每年
6、可节约2040公斤标准煤，用于蔬菜和花卉种植的太阳能温室在中国北方地区较多采用。全国太阳能温室面积总计超1000万亩，发挥着较好的经济效益。我国在相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限制。,太阳能电池发展史（世界）,2017/11/17,16,我 国 1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生 1971年3月太阳电池首次应用于我国第二颗 人造卫星实践1号上； 1973年太阳电池首次应用于浮标灯上； 1979年开始用半导体工业废次单晶、半导体 器件工艺生产单晶硅电池； 80年代中后期引进国外关键设备或成套生产 线我国太阳电池制造产业初步形成。,2017/11
7、/17,17,全世界太阳能电池市场量,当太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。 由此，在p-n节两侧形成了正、负电荷积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光伏效应。,三 、太阳能电池原理,2017/11/17,19,四、太阳能电池的分类,太阳能电池根据所使用的材料的不同，可以分为晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、有机物太阳能电池、纳米晶太阳能
8、电池。,单晶硅太阳电池,单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。,2017/11/17,23,单晶硅太阳能电池外观,单晶硅太阳能电池典型结构,单晶硅太阳能电池外观与构造,单晶硅太阳能电池外观,2017/11/17,25,单晶硅太阳能电池制造步骤例(I),2017/11/17,26,单晶硅太阳能
9、电池制造步骤例(II),2017/11/17,Prof. Guoyou GAN,Faculty of MSE,KMUST,27,平面单晶硅高效电池 为了达到高效的目的,在电池制作中采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。 电池表面织构化采用光刻腐蚀工艺,制成倒金字塔结构。 发射区钝化采用含氯氧化。分区掺杂采用两次氧化,经光刻后分别形成轻、重掺杂区,再控制掺杂工艺条件实现。,单晶硅太阳电池,单晶硅太阳电池优点、缺点及近况,2017/11/17,29,多晶硅太阳能电池,随着电池制备和封装工艺的不断改进，在硅太阳电池总成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。因此，生产厂家迫切希望在不
10、降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。目前，比较适用的材料就是多晶硅。因为熔铸多晶硅锭比提拉单晶硅锭的工艺简单，设备易做，操作方便，耗能较少，辅助材料消耗也不多，尤其是可以制备任意形状的多晶硅锭，便于大量生产大面积的硅片。同时，多晶硅太阳电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳电池基本相似，而生产成本却低于单晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。,2017/11/17,Prof. Guoyou GAN,Faculty of MSE,KMUST,30,晶体硅电
11、池效率不断提高，技术不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面，采用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低成本的目的。,多晶硅太阳能电池,多晶硅太阳电池制备工艺,实验室制备：,工业制备（丝网印刷）,电子工程网http:/ 1) 晶硅电池的技术发展 2) 向高效化方向发展 3) 向薄片化方向发展,2017/11/17,35,1) 晶硅电池的技术发展
12、单晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术: (1)钝化技术：热氧化SiO2钝化，氢钝化， PECVDSiN工艺钝化(多晶 硅)，a-Si钝化等 (2)陷光技术： 表面织构化技术，减反射技术,2017/11/17,36,(3) 背表面场(BSF)技术 (4)表面织构化(绒面)技术, (5)异质结太阳电池技术: 如SnO2/Si, In2O3/Si, ITO/Si等 (6)MIS电池 (7).MINP电池 (8).聚光电池 ,2017/11/17,37,2) 向高效化方向发展(1)单晶硅高效电池斯坦福大
13、学的背面点接触电池： 22特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失,2017/11/17,38,新南威尔士大学的PERL电池 24.7%，最高。（发射极钝化及背面局部扩散）,2017/11/17,39,Fraunhofer研究所LBSC电池： 23%Local back-surface field and contacts,2017/11/17,40,(2)多晶硅高效电池,多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料。 能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg, 400kg。制造过程简单、省电、节约硅材料。因此具有更大降低成本的潜力。目前多晶硅料大部分采用三氯氢硅 SiHCl3精馏发（西
14、门子Siemens法）生产。用改进的西门子法并扩大生产规模是降低成本的保证。我国目前主要采用改进西门子法。,2017/11/17,41,但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。,2017/11/17,42,乔治亚(Geogia)工大 采用磷吸杂和双层减 反射膜技术，使电池的效率达到18.6； 新南威尔士大学采用类似PERL电池技术， 使电池的效率19.8。 Fraunhofer研究所 20.3%世界记录 。 Kyocera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化， 使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7。,2017/11/17,43,3) 晶硅太阳电池向薄片化方向发展 (1) 硅片减薄 硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。 硅间接半导体，理论上100m可以吸收 全部太阳光。电池制造工艺硅片厚度下 限150 m。 降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要 技术方向之一。,2017/11/17,44,硅片厚度的发展： 70年代450500 m， 80年代400450m。 90年代350400 m。 目前 260300 m。 2010年 200260 m。 2020年 100200 m。,
