太阳能电池学习教案

1、会计学1太阳能电池太阳能电池(dinch)第一页，共67页。第2页/共67页第二页，共67页。传统化石传统化石(hush)能源能源不可再生、环境污染、能源不可再生、环境污染、能源(nngyun)枯竭枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等资源丰富、利用方便、洁净无污染资源丰富、利用方便、洁净无污染10%24%40%26%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太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！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

2、年第3页/共67页第三页，共67页。第4页/共67页第四页，共67页。A-玻璃外壳玻璃外壳B-防反射层防反射层C-正面正面(zhngmin)电极电极D-N-SiE-P-SiF-背电极(dinj)第5页/共67页第五页，共67页。第6页/共67页第六页，共67页。第7页/共67页第七页，共67页。Ps: 太阳电池转换效率的趋势太阳电池转换效率的趋势(qsh)与与“摩尔定律摩尔定律”不同不同。第8页/共67页第八页，共67页。第9页/共67页第九页，共67页。第10页/共67页第十页，共67页。n3.6 总结总结第11页/共67页第十一页，共67页。3.1.1光吸收过程光吸收过程(guchng)及

3、本征吸收及本征吸收本征吸收(xshu)非本征吸收光能量经半导体吸收，使价带电子跃迁到导带（即载流子越过Eg）。第12页/共67页第十二页，共67页。跃迁(yuqin)吸收非跃迁(yuqin)吸收激子吸收杂质迁吸收自由载流子吸收晶格吸收第13页/共67页第十三页，共67页。流密度第14页/共67页第十四页，共67页。X = -1/ ln 95%第15页/共67页第十五页，共67页。?0.45nm0.8nm1.12nm波长波长0.45nm0.80nm21048102X(cm)1.510-43.710-3第16页/共67页第十六页，共67页。第17页/共67页第十七页，共67页。3.2.1电池电池(

4、dinch)结构及工艺结构及工艺Al-Ag背电极背电极(dinj)P+PN+SiO2900埃抗反射层埃抗反射层Al-Ag电极电极第18页/共67页第十八页，共67页。第19页/共67页第十九页，共67页。Ehf当光子到达太阳电池表面，一当光子到达太阳电池表面，一部分光子被反射掉了，但不是部分光子被反射掉了，但不是所有所有(suyu)的光子都被反射的光子都被反射掉，有一部分被掉，有一部分被P-N结吸收或转结吸收或转化。化。第20页/共67页第二十页，共67页。当光子被吸收后，光当光子被吸收后，光子的能量被转换交给子的能量被转换交给晶格中的电子晶格中的电子(dinz) ，这就是光，这就是光生伏特效

5、应（生伏特效应（photovoltaic effect）。）。太阳电池由半导体材太阳电池由半导体材料制成，典型如：硅料制成，典型如：硅（Silicon）第21页/共67页第二十一页，共67页。第22页/共67页第二十二页，共67页。第23页/共67页第二十三页，共67页。第24页/共67页第二十四页，共67页。n产生光生电势，同时对外部呈现光生电场，即开路电压第25页/共67页第二十五页，共67页。EcEvq (VD-VOC)VOLEFNEFPPN非平衡态等同于非平衡态等同于PN结正偏时的效果结正偏时的效果(xiogu)lEFN分裂分裂(fnli)成：成：lEFN和和EFPlVOL = EFN

6、 - EFP第26页/共67页第二十六页，共67页。3.2.3 光生光生(un shn)伏特伏特效应的效应的I-V曲线曲线IpVp最大矩形最大矩形(jxng)第27页/共67页第二十七页，共67页。第28页/共67页第二十八页，共67页。第29页/共67页第二十九页，共67页。第30页/共67页第三十页，共67页。3.2.4 太阳能电池太阳能电池(dinch)效率效率IV0ImpVmp第31页/共67页第三十一页，共67页。Na1015101610171018Voc(mV)504565625684第32页/共67页第三十二页，共67页。n =( FF Isc Voc / A ) / 100mW

7、/cm2第33页/共67页第三十三页，共67页。第34页/共67页第三十四页，共67页。3.3 光生光生(un shn)电流的收电流的收集效率集效率3.3.1光生光生(un shn)载流载流子的收集子的收集第35页/共67页第三十五页，共67页。3.3.2 影响影响(yngxing)收集效率收集效率的因素的因素第36页/共67页第三十六页，共67页。-第37页/共67页第三十七页，共67页。x载流子浓度载流子浓度(nngd)x载流子浓度载流子浓度(nngd)p+np+nI短短长长总总第38页/共67页第三十八页，共67页。第39页/共67页第三十九页，共67页。3.4 太阳电池太阳电池(ti

8、yn din ch)设计的几个问题设计的几个问题3.4.1光谱光谱(gungp)匹配匹配到达(dod)地球的能量约1.37 KW/m2第40页/共67页第四十页，共67页。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(cilio)相互作用而产生电势。 UV Visible Infrared第41页/共67页第四十一页，共67页。3.4.2 太阳电池太阳电池(ti yn din ch)串联电阻串联电阻Rs第42页/共67页第四十二页，共67页。RsR0薄层电阻表面层掺杂浓度(nngd)Rb基体电阻1cmRc电极电阻合理收集栅极线设计第43页/共67页

9、第四十三页，共67页。3.4.3 表面表面(biomin)反射问反射问题题900埃抗反射埃抗反射(fnsh)膜膜SiO2p+n光吸收增加(zngji)第44页/共67页第四十四页，共67页。第45页/共67页第四十五页，共67页。 金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和 S0 = 4S = 4aa = a2 由此可见有绒面的受光面(un min)积比光面(un min)提高了倍即1.732倍。a第46页/共67页第四十六页，共67页。 当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生(chnshng)反射光1和进入硅中的折射光2。反射光1可以继续投射到另一方锥的B点，产生(chns

10、hng)二次反射光3和进入半导体的折射光4；而对光面电池就不产生(chnshng)这第二次的入射。经计算可知还有11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%。图（图（1515）第47页/共67页第四十七页，共67页。所制绒面颜色均匀一致所制绒面颜色均匀一致(yzh)无花篮印、白边、无花篮印、白边、雨点印迹，反射率曲线。雨点印迹，反射率曲线。第48页/共67页第四十八页，共67页。3.4.4 太阳电池的成本太阳电池的成本(chngbn)问题问题第49页/共67页第四十九页，共67页。第50页/共67页第五十页，共67页。据所用据所用(su (su ynyn) )

11、材料分材料分砷化镓砷化镓III-VIII-V化合物化合物硫化镉硫化镉铜铟硒铜铟硒单晶硅太阳能电池单晶硅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电池3.5 各种太阳电池各种太阳电池第51页/共67页第五十一页，共67页。第52页/共67页第五十二页，共67页。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1017%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

12、PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高第53页/共67页第五十三页，共67页。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聚合物多层修饰电极型太阳能电池35%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短第54页/共67页第五十四页，共67页。工作(gngzu)原理第55页/共

13、67页第五十五页，共67页。无机(wj)太阳能电池研究进展 无机(wj)太阳能电池的性能及应用单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本(chngbn)可降低为可降低为58美分美分/（kWh）第56页/共67页第五十六页，共67页。第57页/共67页第五十七页，共67页。 3.5.4 色素(s s)敏化光化学太阳能电池（DSSCs）电池(dinch)结构 阳极阳极(yngj)：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：阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃电解质：电解质：I3-/I-第58页/共67页第五十八页，共67页。工

14、作(gngzu)原理S + h S*S* S+ + e- CB(TiO2)S+ + A- S + AA + e-(CE) A-1991年，瑞士年，瑞士Grtzel M. 以较以较低的成本得到了低的成本得到了7%的光电转化的光电转化效率。效率。1998年，采用固体有机空穴传输年，采用固体有机空穴传输材料的全固态材料的全固态DSSCs电池研制成电池研制成功，其单色光电转换效率达到功，其单色光电转换效率达到33%，从而，从而(cng r)引起了全世引起了全世界的关注。界的关注。目前，目前，DSSCs的光电转化效率的光电转化效率已能稳定在已能稳定在10以上，寿命能达以上，寿命能达 1520年，且其制造成本仅为硅年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的太阳能电池的1/51/10。研究进展第59页/共67页第五十九页，共67页。e-外电路光子(gungz)电子(dinz)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.色素分子还原导带转换效率小于1%，10%吸收的光子