第五章 光伏材料和太阳能电池

1、第五章 光伏材料和太阳能电池内容v序言v太阳能电池简介v太阳能电池工作原理v太阳能电池分类v太阳能电池对材料的要求v各类太阳能电池的制造方法及研究状况v利用太阳能电池发电的优缺点v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太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一u 二十一世纪将是能源危机和能源革命的世纪。众所周二十一世纪将是

2、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知，世界上已探明的石油存储量只能供应4040至至5050年，世界年，世界上石油储量上石油储量67%67%在中东，我国在中东，我国20042004年进口原油年进口原油1.21.2亿吨和成亿吨和成品油品油40004000万吨。我国已探明煤炭储存量约万吨。我国已探明煤炭储存量约82008200亿吨标准煤，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利用目前的工艺技术，可以安全开采的总储量约15001500亿吨亿吨标准煤，标准煤，20042004年我国煤炭能源消耗为年我国煤炭能源消耗为19.619.6亿吨标准煤，按亿吨标准煤

3、，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能够满足30304040年的使用。常规能源是地球年的使用。常规能源是地球4646亿年形成过亿年形成过程中，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。发展的大事。 u我国已决定发展核电，在未来十几年内将兴建约我国已决定发展核电

4、，在未来十几年内将兴建约4040个百万个百万千瓦级核电组，如果千瓦级核电组，如果20202020年我国电力装机总量达到年我国电力装机总量达到9 9亿千瓦，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，到照目前的耗能情况比例上升，到20202020年全国消耗常规能源年全国消耗常规能源为为6060亿吨，所排放的亿吨，所排放的COCO2 2将高达将高达200200亿吨以上，对人类的生存亿吨以上，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，

5、将会遇到更为严重的困难，人们还寄托希望于钍，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。知。常规能源的消耗量不可逆转的，也是有尽时的。 u 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3.751026W）

6、的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。10%24%40%26%能源状况能源状况传统化石能源传统化石能源不可再生、环境污染、能源枯竭不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等水能、潮汐能、太阳能等资源丰富、利用方便、洁净无污染资源丰富、利用方便、洁净无污染石石油油煤煤天然气天然气其他其他世界的能源结构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

7、制太阳能电池！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20202030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

8、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无机太阳能电池半导体硅半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等）单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）等）有机太阳能电池有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）有机半导体（酞菁锌、聚苯

9、胺、聚对苯乙炔等）染料敏化（光化学）太阳能电池（染料敏化（光化学）太阳能电池（纳米纳米TiOTiO2 2等）等）按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：无机太阳能电池 工作原理无机太阳能电池研究进展表1 无机太阳能电池的性能及应用Masafumi Yamaguchi,Tatsuya Takamoto,Kenji Araki，et al. Solar energy, 2005. 新能源材料新能源材料雷永泉，万群，石永康，天津大学出版社，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58美

10、分美分/（kWh）M. Grtzel, Photoelectrochemical cells, Nature 2001(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

11、化太阳能电池（染料敏化太阳能电池（DSSCsDSSCs）电池结构 阳极：染料敏化半导体薄膜染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料染料阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737740工作原理Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583 ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737740S + h S*S* S+ + e- CB(TiO2)S+ + A- S + AA + e-(CE) A-

12、1991年，瑞士Grtzel M. 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 1520年，且其。研究进展大日本印刷印刷方式有機太陽電池開発基板世界最高変換効率7達成 色素増感太陽電池 2007年03月30日 Supramolecular dyes could boost efficiency in solar cells, say scientists from the UK.Saif Haque, from Imp

13、erial College, London, found that supramolecular dyes gave a 25% improvement in performance as compared to conventional, non-supramolecular dyes.Super solar cellsSuper solar cells26 April 2007太阳光谱图太阳光谱图太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。 UV Visible Infrared新型太阳能电池e-外电路光子电子能量色素分子层

14、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Nature 2003(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1524%1320%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a1017%1015%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题

15、成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅813%510%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%2330%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1015%710%铜铟硒1012%810%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811%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35%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

16、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uIII-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。u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。u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。u今后研究的重

17、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。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，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。太阳能

18、电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为能电池，效率为4%，于，于1958年应用到美国的先锋年应用到美国的先锋1号人号人造卫星上。造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个中。一个的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电由于材料、结构、工艺

19、等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到池的价格不到20世纪世纪70年代的年代的1%。预期。预期10年内太阳能电年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的，是能源技术领域发展最快的行业。行业。太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发大规模生产技术的

20、开发跟踪与聚光跟踪与聚光储电及并网发电结合储电及并网发电结合并网发电已占并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模规模VS太阳能热发电站太阳能热发电站与建筑物结合与建筑物结合架设太阳电池组件架设太阳电池组件 日本：日本：1994-2000年年 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW ；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280M 美国：美国：19972010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW 发电成本发电成本6美分美分集成在建筑材料上集成在建筑材料上 曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃小 结太阳能电池在航天技术发展中有

21、着不可替代的作用。由太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。由于材料与器材结构的研究与开发于材料与器材结构的研究与开发, ,太阳电能池的地面应用太阳电能池的地面应用的潜在能力得到了发挥。的潜在能力得到了发挥。从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材料及染料敏化剂提们设计较高光电转换效率的半导体材料及染料敏化剂提供理论指导。供理论指导。太阳能的开发利用是人类进入太阳能的开发利用是人类进入2121世纪必须解决的

22、难题。世纪必须解决的难题。太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重要的意义。要的意义。光伏产业的发展1、传统的化石能源资源日益枯竭，严重的环境污染 制约了世界经济的可持续发展。2、能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战 略物资。3、太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生 能源。4、世界各国竞相出台发展可再生能源的扶持政策、 法令、法规。5、从2006年1月1开始，我国可再生能源法开 始实施。世界能源发展趋势根据欧盟的预测：到2030年

23、太阳能发电将占总能耗10%以上 可再生能源在总能源结构中占30%到2050年 太阳能发电将占总能耗20% 可再生能源在总能源结构中占50%以上二、世界光伏产业及应用特点1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均 增长速度超过0%。2、德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用 市场。3、光伏建筑一体化及并网光伏发电前景广阔。4、晶体硅太阳电池继续保持领先地位。5、欧洲太阳电池组件零售价格在经历几年的持续 上涨后，出现了平稳期。6、太阳能光伏发电在未来的能源供应中被寄予厚 望。1、世界光伏电池产量快速增长，最近年的平均增长速度超过0%。 2005年世界太阳电池产量达到1650MW，比2004增加了

24、38%。日本光伏电池产量再次领先增长到762MW，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到464MW；美国增加12%，达到156MW；世界其他地区增加96%，达到274MW。历年世界太阳电池产量世界顶级十家太阳能电池生产厂2005年及2006（预测）产量公司2005年产量排名2006年预测产量排名夏普428 MW1500 MW1Q-Cells166 MW2234 MW2京瓷142 MW3175 MW3三洋125 MW4150 MW4三菱100 MW5125 MW6肖特95 MW6110 MW7BP太阳能86 MW7105 MW10尚德82 MW8150 MW4茂迪60 MW9110 MW7De

25、tsche cell包括壳牌太阳能 96 MW壳牌太阳能5910110 MW72、在光伏应用和安装方面，德日美依然是世界三个最大最主要的光伏应用市场。 2005年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%。德国安装837MW,比前一年增长了53%；占世界安装量的57%；日本安装292MW,比前一年增长了14% ，占世界安装量的20%；美国安装102MW，占世界安装量的7%；欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%；世界其它地区安装146MW，占世界安装量的10%。 2005年世界各地光伏安装量及所占比例地区2005年安装量（MW）德国837日本292美国102欧洲其它地区88世

26、界其它地区1463、光伏建筑一体化及并网光伏发电前景广阔。以光伏集成建筑（BIPV）为核心的光伏屋顶并网发电应用占据了目前绝对的光伏市场份额，尤其日本和德国近几年光伏安装几乎全部是并网应用。 4、晶体硅太阳电池继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，其中多晶硅太阳电池的份额为52.3%，单晶硅为38.3%，带硅/片硅电池2.9%。预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。1995-2005年各类太阳电池的产量百分比（%）1999200020012002200320042005单晶硅40.837.434.636.432.236.238.3多晶硅42.148.250.251.657.254.752.3

27、带硅/片硅4.14.35.64.64.43.32.9非晶硅12.39.68.96.44.54.44.7锑化镉0.50.30.50.71.11.11.6铜铟化锡0.20.20.20.20.60.40.2欧洲和美国组件零售价格6、太阳能光伏发电在未来的能源供应中被寄予厚望。欧洲、日本、美国都制定了宏伟的光伏发展计划。欧洲、日本、美国制定的光伏发展计划（GW）2005201020202030日本1.54.830205欧洲2.13.041200美国1.02.136200世界5.45121259202004-2008年多晶硅原料的产量及预测年份200420052006(e)2007(e)2008(e)全

28、球硅料产量(吨)2800032000360004200052000半导体消耗量(吨)1800018000189001984520837太阳能硅料(吨)1000014000171002215531163每瓦消耗量(克)1312111110硅片产量(MW)7691167155520142833电池片产量(MW)900137382923703333电池片需求量(MW)12001560202826363427供需缺口(MW)300187199267942004-2008年世界主要高纯多晶硅制造商产量和生产能力一览表公司名称产量(吨)扩产后的产能(吨)20042005200620072008Hemlock(美国)7000740077001000011000Wacker(德国)50005000550065009000Tokuyama(日本)52005200540054008400MEMC(美国/意大利)25003700520064008000REC SGS(美国)21002300270060007400REC AsiMI(美国)22003000330033003300三菱(日本/美国)28002800280028002800住