太阳能电池材料及分类.ppt

新能源材料 太阳能电池材料太阳光谱分析太阳能电池种类我国太阳能与国外发展状况未来太阳能电池发展方向 太阳能电池材料与分类 材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 太阳能光伏发电的历史伴随着是太阳能电池材料的选择 开发和结构创新的历史 开发太阳能电池的两个关键问题是提高转换效率和降低成本 太阳能电池应选用什么样的材料 太阳能电池材料 1 太阳光的光谱分析 尽管太阳辐射的波长范围很宽 但绝大部分的能量却集中在0 22 4微米的波段内 占总能量的99 其中可见光波段约占43 红外波段约占48 3 紫外波段约占8 7 而能量分布最大值所对应的波长则是0 475微米 属于蓝色光 太阳光谱的能量分布曲线 能量为纵坐标 波长为横坐标 太阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电 例如 通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的 由于光的颜色 波长 不同 转变为电的比例也不同 这种特性称为光谱特性 光谱特性通常用收集效率来表示 所谓收集效率就是用百分数 来表示一单位的光 一个光子 入射到太阳能电池上 产生多少电子 和空穴 例如 有的电池在太阳光照射下能确定转换效率 但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换 就人眼的感觉而言 在室外太阳光下和在室内荧光灯下 其亮度并不觉得差别很大 但其能量的绝对值却相差数百倍 由于各种太阳能电池的光谱特性不同 所以太阳能电池的输出特性随所用的光源的光谱不同而变化较大 从太阳能电池的应用角度来说 太阳能电池的光谱特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的 这样可以更充分地利用光能和提高太阳能电池的光电转换效率 不同的太阳能电池与不同的光源的匹配程度是不一样的 光强和光谱的不同 会引起太阳能电池输出的变动 自然界的物质存在按导电性可分为三类 导体 半导体 绝缘体 对于绝缘体 本身导电很困难 故不适合作为光伏发电的材料 导体 金属 光电效应物质吸收光子 photon 并激发出自由电子的行为 当金属表面在特定的光辐照作用下 金属会吸收光子并发射电子 electron 发射出来的电子叫做光电子 photoelectron 由公式所推 尽管太阳辐射的波长范围很宽 但绝大部分的能量却集中在0 22 4微米的波段内 占总能量的99 其中可见光波段约占43 红外波段约占48 3 紫外波段约占8 7 而能量分布最大值所对应的波长则是0 475微米 属于蓝色光 太阳光谱的能量分布曲线 能量为纵坐标 波长为横坐标 对于半导体材料 帶隙比较适合太阳光谱范围的材料普遍在元素周期表的 族 族 族等半导体容易制成PN结 所以适合作为光伏电池的材料 导体 金属 材料中的电子移动受到的反作用力大 产生的自由电子少 电子要剥离需要克服表明势能 而金属表面势能较大 光子激发的电子能量小 无法提供剥离的能量 所以不适合作为光伏电池的材料 太阳能电池材料一般的要求 1 材料的禁带不能太宽 2 要有较高的光电转换效率 3 材料本身对环境不造成污染 4 材料便于工业化生产且材料性能稳定 太阳能电池的分类 各类的特点和研发方向 光伏电池的分类 按材料 一 晶硅电池 单晶硅光伏电池多晶硅光伏电池 砷化镓 GaAs 薄膜电池 三 多元化合物薄膜电池 四 染料敏化纳米晶电池 二 硅基薄膜电池 非晶硅薄膜电池 a Si 微晶硅薄膜电池 uc Si 五 有机聚合物电池 六 新一代太阳能电池 量子 纳米 聚光 石墨烯等 碲化镉 CdTe 铜铟硒 CIS 薄膜电池 无机化合物太阳能电池 1 单晶化合物太阳能电池单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓 GaAs 太阳能电池 砷化镓的能隙为1 4eV 是很理想的电池材料 这是单结电池中效率最高的电池 多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过40 所以早期在空间得到了应用 但是砷化镓电池价格昂贵 而且砷是有毒元素 所以极少在地面应用 2 多晶化合物太阳能电池多晶化合物太阳能电池的类型很多 目前已实际应用的主要有碲化镉 CdTe 太阳能电池 铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池等 2 多晶化合物太阳能电池碲化镉太阳能电池 PVD 物理气相沉积 工艺 溅射工艺 铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池是近年发展起来的新型太阳能电池 通过磁控溅射 真空蒸发等方法 在基底上沉积铜铟镓硒薄膜 薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等 基底一般用玻璃 也可以用不锈钢作为柔性村底 2 多晶化合物太阳能电池 薄膜太阳能电池指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体的村底上面构成的光伏电池 这种电池可大大地减少半导体材料的消耗 薄膜厚度以 m计 从而大大地降低了光伏电池的成本 可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种 主要包括多晶硅 非晶硅 碲化镉以及CIGS等 有机化合物太阳能电池 按基体材料分 1 有机化合物太阳能电池以酞菁 卟啉 苝 叶绿素等为基体材料的太阳能电池 如有机PN结太阳能电池 有机肖特基太阳能电池等 如聚乙烯太阳能电池 共轭聚合物 C60复合体系太阳能电池等 2 敏化纳米晶太阳能电池以TiO2 ZnO SnO2等宽禁带的氧化物型的纳米级半导体为电极 使用染料敏化 无机窄禁带宽度半导体敏化 过渡金属离子掺杂敏化 有机染料 无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池 1 美国FirstSolar 1100MW2 中国无锡尚德 704MW 2010年产能达1 8GW3 日本夏普 595MW4 德国Q Cells 586MW5 中国英利绿色能源 525 3MW 2010年产能达1 3GW6 中国晶澳太阳能 520MW 2010年产能达1GW7 日本京瓷 Kyocera 400MW8 中国天合光能 399MW 2010年产能达0 7GW9 美国SunPower 397MW10 中国台湾昱晶368MW 我国太阳能电池现状与发达国家比较 2009年 95 以上的产品出口国外 国内利用率不到5 2010年 中国各大厂商纷纷扩大产能 总产能达以12GW 未来太阳能发展方向按太阳能电池结构分 1 同质结太阳能电池指由同一种半导体材料所形成的P N结称为同质结 用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池 2 异质结太阳能电池指由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结 用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池 肖特基结太阳能电池指利用金属 半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳能电池称为肖特基结太阳能电池 简称MS电池 目前已发展为金属 氧化物 半导体 MOS 金属 绝缘体 半导体 MIS 太阳能电池等 叠层太阳能电池指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的