第五章光伏材料和太阳能电池

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。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一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30～40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，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3.75×1026W）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：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。10%24%40%26%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太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰2020~2030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，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名称禁带宽度(eV)转换效率应用实况单晶硅1.1224.4用于空间及地面太阳电池多晶硅1.1218与单晶硅占市场70~80%非晶硅1.5~2.013占市场10~20%消费电子,能源复合型17.3已商业化CdTe1.4415与CdS结合构成的太阳电池已商业化CuInSe21.0417探索大面积应用批量生产技术GaAs1.4237.4已开始用于空间太阳电池InP1.3519.1耐辐射性能优异,处于研究开发阶段表1无机太阳能电池的性能及应用MasafumiYamaguchi,TatsuyaTakamoto,KenjiAraki，etal.Solarenergy,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5~8美分/（kW·h）M.Grätzel,Photoelectrochemicalcells,Nature2001(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-O’ReganB.andGrätzelM.,Nature,1991,353,737~740工作原理BachU,LupoD,ComteP,etal.Nature,1998,395:583O’ReganB.andGrätzelM.,Nature,1991,353,737~740S+hS*S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+AA+e-(CE)A-1991年，瑞士GrätzelM.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15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。研究进展大日本印刷印刷方式による有機太陽電池を開発－フィルム基板で世界最高レベルの変換効率7％を達成－色素増感太陽電池モジュール2007年03月30日Supramoleculardyescouldboostefficiencyinsolarcells,sayscientistsfromtheUK.SaifHaque,fromImperialCollege,London,foundthatsupramoleculardyesgavea25%improvementinperformanceascomparedtoconventional,non-supramoleculardyes.Supersolarcells26April2007太阳光谱图太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(PhotovoltaicEffect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。UVVisibleInfrared48%新型太阳能电池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124351.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Nature2003(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种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅15~24%13~20%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅a10~17%10~15%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅8~13%5~10%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高种类材料单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓19~32%23~30%MOVPE和LPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉10~15%7~10%铜铟硒10~12%8~10%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池8~11%~8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定有机薄膜太阳能电池3~5%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短七、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２０％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１０％，每瓦发电设备价格降到１－２美元时，便足以同现在的发电方式