A 太阳能电池概述

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1、太阳能电池概述,一 背景介绍,二 太阳能电池发展历史,三 太阳能电池的应用,四 太阳能电池材料,五 单晶硅太阳能电池生产简易流程,六 太阳能电池的发展方向,Energy & Nanotechnology Conference, Rice Iniversity, May 3, 2003,人类未来50年面临的十大难题,一 背景介绍,化石能源的大量使用导致了全球气候变化。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的综合评估结果表明：近50年全球大部分增暖，非常可能(90%以上)是人类活动的结果，特别是源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放。,化石能源的开发利用造成环境污染。我国每年排入大气的污染物中，有约

2、80%的烟尘、87%的SO2和67%的NOx来源于煤的燃烧。这些污染物会形成硫酸烟雾、酸雨以及其它光化学烟雾等。,化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。按照2008年的开采速度计算，全球石油剩余探明储量可供开采42年，天然气和煤炭分别可供应60年和122年。2008年我国煤炭储采比约为41年，天然气和石油储采比分别约为32年和11年。,必须加强替代能源包括核能、风能、太阳能、水能、地热和海洋能等的开发利用。,2011-2012年我国能源科学发展战略报告,全人类的挑战,太阳能的优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利

3、用，不存在运输问题。太阳表面释放的能量换算成电能的功率约为3.81023KW左右，其中约22亿分之一到达地球，约1.21014KW(1.35KW/m2,太阳常数)，这相当于现在地球上消耗能量的约1万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取自不尽，用之不竭的。 太阳能的缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高，目前太阳能所提供的能源占世界商业能源总量不足1%。,太阳能利用的优点和缺点,半导体太阳能电池：通过光电转换装置把太阳辐射能转换成电能是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转

4、换的，因此又称太阳能光伏技术。,太阳能电池,太阳能电池：将太阳能转化为电能的装置。,几千年来人类无意识地利用太阳能来取暖和晾晒物品，直到19世纪末才出现了第一台太阳能热水器，而第一片太阳能电池的出现则是在1954年，其发展过程简列如下： 1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。 1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率为6%。 同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并

5、在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池。,二 太阳能电池发展历史,太阳能电池的发展历史,1958年 太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年 第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。 1975年 非晶硅太阳能电池问世。 1980年 单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。 自50年代研制成第一块实用的硅太阳能电池、60年代太阳能电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个

6、世纪。发展到今天，世界太阳能电池组件的年产量达200MW以上。,三 太阳能电池的应用,太阳能电池的应用,交通设施 交通/铁路信号灯 交通警示/标志灯 高空障碍灯,太阳能电池的应用,通信方面 光缆维护站 小型通信机 信号发射塔,太阳能电池的应用,建筑设施,太阳能电池的应用,太阳能电池的应用,航空航天 卫星供电电池 航天飞机供电 探测器电池,太阳能电池的应用,太阳能汽车,太阳能电池的应用,家电方面 手提灯 节能灯 充电器,全球太阳能电池市场,太阳能电池转换效率,太阳能电池转换效率：,Pm为太阳能电池最大输出功率；AiPin为照射到电池的总辐射能,影响转化效率的因素： 1 太阳光的反射，反射率降低转

7、换效率增大； 2 半导体带隙，存在一个合适的能带间隙； 3 光生载流子寿命，载流子的停留时间和半导体特性，以及掺杂特性、晶体缺陷以及杂质浓度等有关。,世界科技报道消息：美国特拉华大学最新研制的超高效硅太阳能电池，在标准的陆地日光条件下，其太阳能转换效率达到创纪录的42.8%，比其他种类太阳能电池高出大约30%，是目前最好的硅太阳能电池的2倍。这项技术将在世界范围内改变电力的产生方式。,太阳能电池发展的主要制约因素,1 太阳能电池造价高、电价贵：电池由1972年500$/W，降低到4$/W； 2 太阳能转换效率低，一般小于20%； 3 太阳光能量密度低； 4 太阳能发电受时间和气候影响大； 5

8、太阳能电池的材料普遍资源少，价格高。,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,四 太阳能电池材料,太阳能电池材料,按照所用材料的不同： 硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！ ） 无机化合物太阳能电池 如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素） 功能高分子材料大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短） 染料敏化纳米晶体太阳能电池,晶体硅太阳能电池,晶体硅太阳能电池 包括单晶硅、多晶硅、带状硅、单晶硅薄膜等类型，具有性能稳定、资源丰富、无毒

9、性等有点，是市场的主导产品。 缺点：单晶硅面积小，制造成本高。,晶体硅太阳能电池结构和原理图,晶体硅太阳能电池结构 PN结、背电极、减反射层、面电极、光栅。,2005年,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,目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很高，限制了大量广泛和普遍使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。,单晶硅太阳能电池性能改善措施,性能改善措施： 1 采用埋层电极； 2 表面钝化和绒化，降低光反射； 3

10、密栅工艺； 4 优化背电极及接触电极技术,埋栅太阳能电池BCSC,影响单晶硅电池性能因素： 1 表面光反射损失； 2 电池表面栅线遮光影响； 3 光传导损失； 4 内部和表面复合损失。,背面局部扩散太阳能电池PERL,单晶硅太阳电池的制作过程： 砂子还原成冶金级硅：石英砂(SiO2)在电弧炉中用C还原为Si和CO，纯度一般95-99%，杂质为Fe、Al、Ga、Mg等。冶金级硅提纯为半导体级硅：由工业硅制成硅的卤化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通过还原剂还原成为元素硅，最后长成棒状(或针状、块状)多晶硅。半导体级硅转变为硅片：多晶硅经过区熔法(Fz)和坩埚直拉法(CG)制成单晶硅棒。硅片制成太阳电池

11、：主要包括表面准备（化学处理和表面腐蚀）、扩散制(P-N)结、去边、去除背结、制作上下电极、制作减反射膜等。太阳电池封装成电池组件：将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件，主要有上盖板、粘接剂、底板、边框等部分。,五 单晶硅太阳能电池生产简易流程,硅太阳能电池制造工艺,1. 清洗蚀刻 2. 磷扩散,P-type wafer,单晶硅太阳能电池制造,3. 鍍抗反 射层 4. 网印 5. 烧结,单晶硅太阳能电池制造,多晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池特点： 1 光电转换效率低于单晶硅电池，其光电转换效率约12左右 ； 2 使用寿命比单晶硅太阳能电池短； 3 和单晶硅一样没光致衰退效应； 4 制作

12、成本降低。 5 多晶硅薄膜电池受到广泛重视。,多晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池特点 能量返回期短 大面积自动化生产 高温性好 弱光响应好(充电效率高) 存在光致衰减效应 非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池 本征吸收系数大 低成本,非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功；目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的10左右。,低成本 晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270m，硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%；非晶硅薄膜太阳电池的厚度0.5um。 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气

13、体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%） 非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，是太阳能电池的主要发展方向。,非晶硅太阳能电池存在的问题,效率较低 单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。 相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。,稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已

14、具备作为空间能源的基本条件。,非晶硅太阳电池的市场,大规模地成本发电站 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。 Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。 德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。 弱光下使用 由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。,与建筑相配合,建造太阳能房,

15、非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。,中国非晶硅太阳电池产业,目前中国已有的非晶硅太阳能电池生产线,化合物太阳能电池,化合物太阳能电池的特点,光电转化效率高、转换效率提高空间大。 美国Tecstar公司已研制成功了用于空间的、效率达到33.4%的太阳电池 （InGaP/GaAs电池）。,材料消耗少。 化合物半导体材料的带隙1.4eV ，对阳光吸收系数更大，使得这些材料适合制作薄膜电池。,化合物太阳电池的品种多，应用范围广泛

16、。,抗辐射性好，适用于空间飞行器电源等特殊应用。,砷化镓(GaAs)太阳电池,砷化镓属于-化合物半导体材料，能隙(band gap，又叫禁带宽度forbidden bandwidth)为1.4eV，并且耐高温性强，最高转换效率可达30%。砷化镓系列太阳能电池包括单晶GaAs、多晶GaAs、镓铝砷-GaAs异质结、金属-半导体GaAs、金属-绝缘体-半导体GaAs、GaSb（锑化镓）、GaInP等。,砷化镓(GaAs)太阳电池,砷化镓(GaAs)太阳电池特点： 砷化镓系列太阳能电池具有很高的光发射系数和光吸收系数 砷化镓系列太阳能电池比硅具有更高的理论转换效率 较好的抗辐射性能 易于获得晶格匹配和光谱匹配,CdTe太阳能电池,CdTe太阳能电池结构示意图,CdTe太阳能电池性能 光电转换效率高（27%），对可见光吸收系数大； 稳定性好，结构简单，易工业化 成本低 存在Cd毒性,CdTe太阳能电池结构 PN结：n-CdS/p-CdTe,CdTe电池组件制备,CdTe电池组件制备