薄膜太阳能电池

L/O/G/O薄膜太阳能电池组员：王文丽孙有政吕立锋晋俊超杨鸣春主要内容太阳能薄膜的性能表征4新型太阳能电池及展望51薄膜太阳能电池介绍Si薄膜太阳能电池3染料敏化太阳能电池2背景介绍存储量有限不可再生能源产物对环境造成影响不安全可再生清洁无污染安全可靠石油煤炭天然气核能太阳能风能潮汐能地热能对流能水能1954年美国贝尔实验室第一个实用硅太阳能电池无机和有机化合物类光伏材料研究历程2007年445MW2008年988.8MW2006年370MW•增长120%•增长122%2009年19.8%占太阳能电池的发展现状我国高度重视薄膜太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。截至2008年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企业的产能约达125.9MW，年产量约为46MW。截止2009年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个，按其规划，2014年前全部建成后的产能将高达约4000MW。薄膜太阳能电池的原理主要是利用光伏效应(photovoltaiceffect)将光能直接转换成电能的一种P-N结半导体装置。当晶片的接触面受光后，只要光子的能量等于或大于Eg，就会把电子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生电子-空穴对。如果所产生的电子-空穴对有足够长的寿命，各自扩散到p-n结的势垒区附近，在p-n结的内建电场作用下被互相分离，光生的非平衡空穴往带负电的p型区移动，电子往带正电的n型区移动。在p-n结开路情况下。n区边界将积累非平衡电子，p区边界将积累非平衡空穴，产生一个与p-n结内建电场方向相反的光生电场Voc，这就是光伏效应。在p-n结短路情况下光生电子和光生空穴分别产生电流Jn和Jp，总的光生电流密度Jsc为两者之和。此时在晶片的两边加上电极并引入负载，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n结起到了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。光照在接触面产生的电子－空穴对愈多，电流愈大。薄膜太阳能电池的特色1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳)2.没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内建)3.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少4.有较佳的功率温度系数5.较高的累积发电量6.只需少量的硅原料7.较佳的光传输8.厚度较晶圆太阳能电池薄9.材料供应无虑10.可与建材整合性运用(BIPV)非晶硅(AmorphusSilicon,a-Si)微晶硅(NanocrystallineSilicon，nc-Si，MicrocrystallineSilicon，mc-Si)化合物半导体II-IV族（CdS、CdTe、CuInSe2）色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)有机导电高分子(Organic/polymersolarcells)CIGS(铜铟硒化物)太阳能电池的分类薄膜太阳能模块结构图薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层..等半透明式的太阳能电池模：建筑整合式太阳能应用薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事、旅行薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防薄膜太阳电池产品应用国内投资状况国外投资状况2009年10月，英特尔投资公司以2000万美元投资正处于扩张期的深圳创益科技，助其发展光伏产业国际金融公司(IFC)向新奥集团旗下新奥太阳能有限公司投资1500万美元，并组织总计1.21亿美元的贷款，助其发展光伏产业百世德太阳能计划在苏州、南昌建设两座薄膜太阳能项目工厂，投资金额分别为25亿美元。苏州工厂投产时间预定为2008年底，南昌工厂为2009年第一季度123染料敏化太阳能电池孙有政染料敏化太阳能电池（DSSC电池）是一种新型光电化学太阳能电池。由于制作工艺简单、成本低和性能稳定，并且对环境无污染，具有良好的开发前景。是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。纳米TiO2薄膜是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，其形貌对电池性能影响显著。纳米TiO2薄膜的制备就成了发展光伏产业发展关键。染料敏化太阳能电池结构ClicktoaddtitleinhereTiO2薄膜的性能及应用太阳能电池板及催化降解污染物、杀菌、自清洁、CO2还原等性能光照下产生超亲水性实现太阳能的转化（光能→化学能，电能）应用防水汽和防污玻璃及陶瓷TiO2薄膜的常用制备工艺溶胶-凝胶涂层法电沉积法化学气相沉积喷雾热分解物理气相沉积自组装制膜太阳能薄膜制备方法TiO2薄膜根据不同用途可以选用不同制备方法。针对太阳能TiO2薄膜，由于需要大的比表面积，通常采用溶胶—凝胶法制备。溶胶—凝胶法具有纯度高、均均匀性强、合成温度低、反应过程易于控制、无需特殊贵重仪器等优点溶胶—凝胶法制备TiO2太阳能薄膜利用溶胶—凝胶法制备出纳米TiO2粒子溶胶或前躯体将涂覆的溶胶膜烘烤使有机物基本挥发分解形成的薄膜中TiO2粒子呈纳米晶网络海绵状制备纳米粒子涂覆干燥或烘干将纳米TiO2粒子溶胶涂覆在耐温基底如玻璃、不锈钢、陶瓷等上成膜制备纳米TiO2粒子溶胶或前躯体1将钛醇盐（如钛酸四醇酯）溶于有机溶剂（如异丙酮）混合均匀，然后滴入酸中可形成透明TiO2胶体2以Ticl4为原料，通过气相水解法、火焰水解法或激光热解法，可以得到以锐钛矿相为主的粉体材料3以工业钛为牺牲阳极，在常温常压下有机电解，可制备钛的多种醇盐前躯体TiO2粒子溶胶或前躯体质量的好坏直接影响着薄膜的质量实验举例配置一定浓度的钛酸四丁酯乙醇溶液甩胶控制厚度（100℃干燥5min,取出冷却5min）电阻炉10℃/s升至450℃保温30min制备纳米粒子涂覆干燥或烘干匀胶机转速2000r/min时间30s在导电玻璃上涂覆湿溶胶溶液存在的问题及改进显然，通过涂覆的办法只能得到小尺寸的薄膜，而我们希望薄膜的尺寸越大越好。使用丝网印刷法制备出大面积的TiO2薄膜，具体工艺如下：硅薄膜太阳能电池吕立锋硅薄膜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微晶硅薄膜太阳能电池Clicktoaddtitleinhere123硅薄膜太阳能电池可以分为以下三类：硅薄膜太阳能电池晶体硅太阳电池是光伏市场的主导产品之一薄膜硅太阳能电池特点生产工艺高效率、低成本、大规模生产发展不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电池的工艺路线，发展薄膜太阳电池的技术•材料大多来自半导体硅材料的外品和单晶硅的头尾料,原料紧缺•制作成本高，不能满足光伏工业发展的需要•硅材料是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分全球太阳能电池最大的生产企业日本夏普电器公司董事长片山干雄指出：“2013年之前是薄膜硅和结晶硅齐头并进，2013年以后薄膜硅将成主流。”多晶硅薄膜太阳能电池制备目前，制备多晶硅薄膜太阳能电池多采用各种化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺和快热化学气相沉积（RTCVD）工艺。此外还有半导体液相外延生长法、固相结晶法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池制备非晶硅薄膜太阳能电池制备•三种主要方法反应溅射法、低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等。•主要制备过程反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。•研究途径一寻求适当材料和工艺直接制备出优质稳定的a-Si:H薄膜.•研究途径二采取适当的后处理工艺来改进a-Si:H薄膜性质非晶硅薄膜太阳能电池制备三种主要的制备方法中，PECVD法最为成熟，在低温下就可以制备非晶硅太阳能电池。等离子体增强化学气相沉积：是在沉积室内建立高压电场，反应气体在一定气压和高压电场作用下，产生辉光放电，反应气体被激发成非常活泼的分子、原子、离子和原子团构成的等离子体，大大降低了沉积反应温度，加速了化学反应过程，提高了沉积速率。非晶硅薄膜太阳能电池制备三室连续PEVCVD沉积系统。该沉积系统由PIN三个反应室、真空系统、供气系统、激励电源与衬底加热系统等主要单元组成。PIN三个反应室都开有观察窗口，P室和N室分别进行p型与n型材料的沉积，I室用于制备本征层(i层)材料非晶硅薄膜太阳能电池制备溅射TCO膜95%的In2O3和5%的SnO2清洁处理玻璃衬底并装片在玻璃衬底上蒸发铝作反射层激光雕刻沉积非晶硅N层(SiH4+PH3)磷化氢工艺沉积非晶硅i层，气体流量比：SiH4/H2=10%沉积P层，材料气体及流量比：(B2H6+H2)/SiH4=1%溅射TCO膜95%的In2O3和5%的SnO2接触金属网状铝层和激光雕刻a-Si：H主要制备流程如下：微晶硅薄膜制备方法制备微晶硅材料的主要技术方法包括3种化学气相沉积法最早用于沉积微晶硅的技术的是：1.射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD。2.甚高频等离子体增强化学气相沉积方法（VHF-PECVD）3.热丝化学气相沉积（HW-CVD）太阳能薄膜的性能表征晋俊超薄膜结构与形貌表征薄膜的表面结构性质对光生载流子的收集起着决定性的作用，光生载流子对薄膜的光电化学活性又起着决定性作用。不同方法制备的薄膜组成和微结构不同，薄膜的性能存在显著的差异！应对其表面结构和形貌进行表征！以达到太阳薄膜光电转化设计的最优化！1薄膜结构与形貌表征1.紫外－可见光分光光度计，测量薄膜的透光率。2.利用薄膜厚度测试仪监测膜厚或用称重法计算出膜厚。3.采用X射线衍射（XRD）测薄膜的晶相组成4.研究非晶硅薄膜结构或是晶化，主要是通过测量Raman谱中TO模式的变化来实现的。5.扫描电子显微镜（SEM）观察成膜质量、表面形貌、以及薄膜的析晶情况等1薄膜结构与形貌表征6.用扫描电镜自带的电子能谱损失谱(EDS)测定薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较准确的判定相关微区结构的成分，通过计算获得各组成成分的相对含量。7.用原子力显微镜观察Ti02薄膜的三维显微图像。8.直流四探针法是测量薄膜材料的电阻率1薄膜结构与形貌表征采用X射线衍射（XRD）测薄膜的晶相组成扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌、显微结构及薄膜断面、膜厚等1薄膜结构与形貌表征用扫描电镜自带的电子能谱损失谱(EDS)测定薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较准确的判定相关微区结构的成分，通过计算获得各组成成分的相对含量。用原子力显微镜观察Ti02薄膜的三维显微图像。电流—电压关系曲线(l—V曲线)测量电流一电压关系曲线(I一V曲线)在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，在太阳能电池的研究中，I一V曲线测量也是非常重要的研究手段。手动测量I—V曲线电路图太阳能电池的光电流一光电压曲线(I-V曲线)和功率一光电压曲线DSSC电池的组装及其光电性能测试采用恒电位仪，检流计，电阻箱及球形标准氙（AM1.5）组成的测量系统来测量所组装太阳能电池的性能。以球形氙灯为光源对电池进行照射，通过电阻箱来调节电阻，通过恒电位仪记录开路电压Voc，直流检流计记录短路电流Isc。DSSC电池的测试在染料敏化太阳能电池中，通过I一V曲线测试可以得到的描述其光电性能的重要参数有以下几个:光电转换效率IPCE、短路电流Isc、开路电压Voc、填充因子FF和电池的总效率η等。光电转换效率是入射单色光的光子变成电流的转换效率（IPCE）。短路电流是指电路处于短路（即电阻为零，只连接对电极和安培计）时的电流，它是光电池所能产生的最大光电流，此时的光电压为零。开路电压Uoc是指电路处于开路（即电阻为无穷大，只连接参比电极和伏特计）时的电压，是光电池所能产生的最大电压，此时的电流为零。DSSC电池的光电性能测试当太阳能电池接上负载电阻后，太阳能电池的输出电压和电流随着负载电阻的变化而变化，当负载电阻R=Rm时，太阳能电池的输出功率为最大，即最大功率Pm，对应电压Um和电流Im，