薄膜太阳能电池

1、L/O/G/O薄膜太阳能电池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背景介绍背景介绍存储量有限不可再生能源存储量有限不可再生能源 产物对环境造成影响产物对环境造成影响 不安全不安全可再生可再生 清洁无污染清洁无污染安全可靠安全可靠石油石油 煤炭煤炭 天然气天然气 核能核能太阳能太阳能 风能风能 潮汐能潮汐能 地热能地热能 对流能对流能 水能水能1954年年 美美国贝尔实验国贝尔实验室室 第一个实第一个实用硅太阳能用硅太阳能电池无机和电池无机和有机化合物有

2、机化合物类光伏材料类光伏材料1976年年，第，第一个一个cIS多晶多晶薄膜太阳能电薄膜太阳能电池池的诞生的诞生1982年，波年，波音公司音公司 制备制备的的CdSCulnSe2薄薄膜太阳能电池膜太阳能电池1974年年WagnerN 单晶单晶CuInSe2研制出研制出高效太阳能电池，高效太阳能电池，其效率可以达到其效率可以达到6，标志着，标志着CIS光光伏材料的崛起伏材料的崛起1993年，欧洲年，欧洲CIS(EuroCIS)研究中心使研究中心使用用CdSCu(In,Ga)Se2结构，成功结构，成功将效率提升到将效率提升到15左右。左右。1996年，美国可在年，美国可在生能源国家实验室生能源国家实

3、验室(NERL) 效率提高到效率提高到了了177。直到现。直到现在为止，在为止，NERL已将已将效率再往上提升至效率再往上提升至195研究历程研究历程南开大学的南开大学的CIS太阳能电池研究太阳能电池研究小组小组,在在CIGS太太阳能电池的转换阳能电池的转换效率上已经达到效率上已经达到121左右左右2007年年 445MW2008年年988.8MW2006年年370MW 增长120% 增长122%2009年年19.8%占太阳能电池的占太阳能电池的发展现状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

4、逐步缩小，积极有序地发展。截至小，积极有序地发展。截至2008年底，我国已建成并投产的年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电家薄膜太阳能电池企业的产能约达池企业的产能约达125.9MW，年产量约为，年产量约为46MW。截止。截止2009年底，已开工建年底，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，个，按其规划，2014年前全部建成后的产能将高达约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薄膜太阳能电池的原理v 主要是利用光伏效应主要是利用光伏效应(photovoltaic effect)

5、将光能直接转换成电将光能直接转换成电能的一种能的一种P-N结半导体装置。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J

6、p，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薄膜太阳能电池的特色v 1.相同遮蔽面积下功率损失较小相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳弱光情况下的发电性佳)v 2.没有内部电路短路问题没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内建联机已经在串联电池制造时内建)v 3.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少v 4.有较佳的功率温度系数有较佳的功率温度系数

7、v 5.较高的累积发电量较高的累积发电量v 6.只需少量的硅原料只需少量的硅原料v 7.较佳的光传输较佳的光传输v 8.厚度较晶圆太阳能电池薄厚度较晶圆太阳能电池薄v 9.材料供应无虑材料供应无虑v 10.可与建材整合性运用可与建材整合性运用(BIPV)非晶硅非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)微晶硅微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)化合物半导体化合物半导体II-IV 族（CdS、CdTe、CuInSe2）色素敏化染料色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell

8、)有机导电高分子有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) CIGS (铜铟硒化物)太阳能电池的分类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结构图 薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导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、半导体层电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层.等等半透明式的太阳能电池模：半透明式的太阳能电池模：建筑整合式太阳能应用建筑整合式太阳能应用薄膜太阳能之应用：薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电随身折迭式充电电源、军事、旅行源、军事、旅行薄膜太阳能模块之应用：薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远屋

9、顶、建筑整合式、远程电力供应、国防程电力供应、国防薄膜太阳电池产品应用薄膜太阳电池产品应用国内投资状况国内投资状况国外投资状况国外投资状况2009年年10月，英特尔投资公司以月，英特尔投资公司以2000万美元投资正处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国际金融公司(IFC) 向新奥集团旗下新奥太阳能有限公司向新奥集团旗下新奥太阳能有限公司投资投资1500万美元，并组织总计万美元，并组织总计1.21亿美元的贷款，助亿美元的贷款，助其发展光伏产业其发展光伏产业 百世德太阳能计划在苏州、南昌建设两座薄膜太阳能项百世德太阳能计划在苏

10、州、南昌建设两座薄膜太阳能项目工厂，投资金额分别为目工厂，投资金额分别为25亿美元。苏州工厂投产时亿美元。苏州工厂投产时间预定为间预定为2008年底，南昌工厂为年底，南昌工厂为2009年第一季度年第一季度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Click to add

11、title in here TiO2薄膜的性能及应用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薄膜的常用制备工艺溶胶溶胶-凝凝胶涂层胶涂层法法电沉电沉积法积法化学气化学气相沉积相沉积喷雾热喷雾热分解分解物理气物理气相沉积相沉积自组装制膜太阳能薄膜制备方法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

12、特殊贵重仪器等优点溶胶溶胶凝胶法制备凝胶法制备TiO2太阳能薄膜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制备纳米TiO2粒子溶胶或前躯体粒子溶胶或前躯体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

13、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：硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池吕立锋硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池多晶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非晶硅薄膜太阳能

14、电池 微晶硅薄膜太阳能电池微晶硅薄膜太阳能电池 Click to add title in here 123硅薄膜太阳能电池可以分为以下三类：硅薄膜太阳能电池可以分为以下三类：硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池晶体硅太阳电池是光伏晶体硅太阳电池是光伏市场的主导产品之一市场的主导产品之一薄膜硅太阳能电池薄膜硅太阳能电池高效率、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材料大多来自半导体硅材料的 外品和单晶硅的头尾料外品和单晶硅的头尾料,原料紧原料紧缺缺 制作成本高制作成本高，不能满

15、足光伏，不能满足光伏工业发展的需要工业发展的需要 硅材料是构成晶体硅太阳电硅材料是构成晶体硅太阳电 池组件池组件成本中很难降低的部分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。

16、非晶硅薄膜太阳能电池制备非晶硅薄膜太阳能电池制备非晶硅薄膜太非晶硅薄膜太阳能电池制备阳能电池制备 三种主要方法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非晶硅薄膜太阳能电池制备三种主要的制备方法中，三种主要的制备

17、方法中，PECVD法最为成熟，在法最为成熟，在低温下就可以制备非晶硅太阳能电池。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：等离子体增强化学气相沉积：是在沉积室内建立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，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，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。提高了沉积速率。非晶硅薄膜太阳能电池制备非晶硅

18、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

19、状铝层和激光雕刻a-Si：H主要制备流程如下：主要制备流程如下：微晶硅薄膜制备方法微晶硅薄膜制备方法v制备微晶硅材料的主要技术方法包括制备微晶硅材料的主要技术方法包括3种化学气相种化学气相沉积法最早用于沉积微晶硅的技术的是：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（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（热丝化学气相沉积（HW-CVD）太阳能薄膜的性能表征太阳能薄膜的性能表征晋俊超薄膜结构与形貌表征薄膜结构与形貌表征 薄膜的表面结构性质对

20、光生载流子的收集起着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。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！的性能存在显著的差异！应对其表面结构和形貌进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！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薄膜结构与形貌表征v紫外可见光分光光度计，测量薄膜的透光率。紫外可见光分光光度计，测量薄膜的透光率。v利用薄膜厚度测试仪监测膜厚或用称重

21、法计算出利用薄膜厚度测试仪监测膜厚或用称重法计算出膜厚。膜厚。v采用采用X射线衍射（射线衍射（XRD）测薄膜的晶相组成）测薄膜的晶相组成v研究非晶硅薄膜结构或是晶化，主要是通过测量研究非晶硅薄膜结构或是晶化，主要是通过测量Raman谱中谱中TO模式的变化来实现的。模式的变化来实现的。v扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）观察成膜质量、表面形）观察成膜质量、表面形貌、以及薄膜的析晶情况等貌、以及薄膜的析晶情况等1 薄膜结构与形貌表征薄膜结构与形貌表征v 用扫描电镜自带的电子能谱损失谱用扫描电镜自带的电子能谱损失谱(EDS)测测 定定薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较薄膜的组成元素分布

22、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。各组成成分的相对含量。v用原子力显微镜观察用原子力显微镜观察Ti02薄膜的三维显微图像。薄膜的三维显微图像。v直流四探针法是测量薄膜材料的电阻率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薄膜结构与形貌表征采用采用X射线衍射（射线衍射（XRD）测）测薄膜的晶相组成薄膜的晶相组成扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）观）观察薄膜的表面形貌、显微结察薄膜的表面形貌、显微结构及薄膜断面、膜厚等构及薄膜断面、膜厚等1 薄膜结构与形貌表征薄膜结构与形貌表征用扫描

23、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。 电流电流电压关系曲线电压关系曲线(lV曲线曲线)测量测量电流 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IV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（AM 1.5）组成的测量系

24、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 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

25、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，可知Pm = ImUm。 填充因子FF 是表征太阳能电池输送电力的一个指标，将最大功率Pm 和Uoc 与Isc 之积的比值定义为填充因子FF，即FF = Pm / UocIscImUm /UocIsc 。 光生电流的效率即光电池总的光电转换效率，定义为最大输出功率和入射太阳光的能量（Pin）之比可通过下式来计算： 总= Pm / Pin入射单色光的光电转化效率（入射单色光的光电转化效率（IPCE）测量）测量IPCE即入射单色光子电子转化效率，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。测试IPCE曲线，可以了解被测的电池样品在哪些波长范围内可以获得较高的光子电子转化效率，即可以得到该电池的光谱响应情况。染料敏化太阳能电池IPCE曲线 新型太阳能电池及展望新型太阳能电池及展望杨鸣春 目前，市场上的太阳能电池主要以硅基太阳能电池为主，其中又以多晶硅电池为主流。 近年来，多晶硅原料价格的迅速攀升，使其成本