新能源材料-太阳能电池材料课件

新能源材料

太阳能电池材料

北航材料学院新能源材料

太阳能电池材料北航材料学院太阳能电池材料材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9单晶～20化合物半导体GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化纳米染料薄膜（大面积）5有机太阳能转换膜<5太阳能电池材料材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）GlobalCarbonDioxideEmissionsGlobalCO2emissionsfromfossilfuelburning,cementproduction,andgasflaringfor1751-1999GlobalCarbonDioxideEmissionWhilegrossdomesticproduct(GDP)grewby38percentfrom1990to2000,energy-relatedcarbondioxideemissionsgrewby16percent.

GDPGrowthandCarbonDioxideEmissionsWhilegrossdomesticproduct(开发新能源

太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！太阳能热水器太阳能汽车开发新能源太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能FUNCTIONOFTHESOLARCELL...SolarCellLoadICONVERTS

LIGHT

INTO

ELECTRICCURRENTFUNCTIONOFTHESOLARCELL...新能源材料-太阳能电池材料课件UVIRVisible01x10212x10213x10214x10210.511.522.533.54PhotonEnergy(eV)2/sec/eV0.4mm2.0mm0.7mm1.0mmc-Simc-Sic-Genc-GeSolarSpectrumPhotons/mUVIRVisible01x10212x10213x1021EnergyBandStructuresandConductivitySemiconductorsandInsulatorsMetalsEnergyBandStructuresandConSiliconDopingSi

(4valenceelectrons)P

(5valenceelectrons)For

n-type

dopingResultsinextraelectrons

B

(3valenceelectrons)For

p-type

dopingResultsinextraholese-h+SiliconDopinge-h+ThePINStructureN-layerP-layerI-layerContainspositivemobilechargecarriersContainsnegativemobilechargecarriersStaticElectricField

- - - -+ + + +FixeddopantionsThePINStructureN-layerP-半导体光伏效应原理PN++++----++++-----e+h阳光NP-e+h+-半导体P/N结太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

半导体光伏效应原理PN+-+--e+h阳光NP-e+h+-半SolarPower:NotCheapEnoughSoonEnough!

Solarpowerneedstobe10-100timescheapertobecompetitiveEvenrelativelylow-techwindpowerhastaken20yearstodecreaseincostby85%SolarPower:NotCheapEnough光电转换效率低最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%...光电转换效率低最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料硅材料制备1.多晶硅定向凝固硅材料制备1.多晶硅单晶硅单晶硅新能源材料-太阳能电池材料课件非晶硅非晶硅FilmGrowth:

PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition(PECVD)ProcessGlassSlideHSiPCathode(V+)PlasmaConfinementChamberGNDH2PH3SiH4FilmGrowth:

PlasmaEnhanced太阳能电池1.单晶硅:光电转换率大于20%,性能稳定;价格高.2.多晶硅:光电转换率可达15%,价格低.3.非晶硅:光电转换率低;用料省(1m;多晶硅50m),无取向性,可大尺寸生产.太阳能电池1.单晶硅:光电转换率大于20%,性能稳定新能源材料-太阳能电池材料课件晶体：士兵队列非晶：电影院散场的观众整体无序，但存在有规律的小集团，家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等。晶体：士兵队列CrystallineStructureAmorphousStructureCrystallineStructureAmorphous新能源材料-太阳能电池材料课件LeastcrystallineMostcrystallineAmorphous

CrystallinePhasesofcrystallinityNano-crystalline(nc)Amorphous(betweencrystals)LeastMostAmorphous新能源材料-太阳能电池材料课件MeasurementTechniques

Reflectance:(Measureofcrystallinity)

ElectricalConductivity:(InformationaboutCarrierConcentration)

HotProbeMeasurement:(MeasureSignofmajoritychargecarrier)MeasurementTechniquesReflectanceMeasurementLightSource

Sample

ReflectedLight185-2600nmDetectorMonochromatorReflectanceMeasurementLightSElectricalConductivityElectrodeElectrodeSifilmGlassSubstrateW

dFilmThickness(t)=oe-Ea/kT+V-AI

=qN

=IVd/(t

w)ElectricalConductivityElectroHotProbeMeasurement

SignofMajorityChargeCarrierHotProbe(Cu)ColdProbe(Al)EV+V-N-dopedSampleVoltmeter+-HotProbeMeasurement

Signof

太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐射能之比

η=Pm/Pin=VocIscFF/AtPin转化效率目前CIS系列太阳电池的效率在12％～15％

最佳单电池转换效率达到19.2%太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐入射光光反射光透射表面复合体内复合电池电阻输出电能太阳光照射到电池后的主要损失环节入射光光反射光透射表面复合体内复合电池电阻输出电能太阳光影响转化效率的因素

禁带宽度温度少数载流子寿命掺杂浓度及其分布光强电池电阻影响转化效率的因素禁带宽度太阳能电池分类按材料分为：

1）硅电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅

2）化合物半导体电池—CdTe，CIS/CIGS，GaAs，InP……3）有机电池--聚合物多层修饰电极型太阳能电池(染料敏化电池)技术成熟程度：

1）晶体硅电池：单晶硅，多晶硅,GaAs,InP2）薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe,球形电池，多晶硅薄膜,染料敏化电池

3）新型概念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电池，杂质结电池……(也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池。)

太阳能电池分类按材料分为：按电池结构分为：

1）直接能隙电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅

2）串联结构电池-叠片型号,混合型按电池结构分为：太阳电池的半导体材料材料能隙(eV)禁带性质迁移率电子(cm2/Vs)空穴晶系晶格常数(nm)应用晶体Si1.12间接1500450立方a=0.543占市场70-80%非晶Si1.5-2.0~10.1占市场10-20%Ge0.66间接39001900立方a=0.5646空间电池衬底GaAs1.424直接8500400立方a=0.5653空间电池CdS2.42直接340正方a=0.4136c=0.6176薄膜电池的一级CdTe1.44直接70065立方a=0.6477薄膜电池AlSb1.6间接900400立方a=0.37腐蚀,未应用CuInSe21.04直接30020正方a=0.5653a=0.5653薄膜电池太阳电池的半导体材料材料能隙禁带迁移率(cm2/Vs)晶系晶太阳能电池种类半导体材料Cell转换效率机组转换效率应用现状硅晶体硅单晶硅15-24%10-14%电池占市场分额70-80%多晶硅10-17%9-12%非晶硅a-Si、a-SiGe8-13%6-9%电池占市场份额10-20%化合物半导体二元素GaAs结晶型18-30%-空间技术CdS、CdTe薄膜10-12%-已商品化三元素CuInSe2薄膜10-19%-正进入商品化有机半导体染料敏化TiO2太阳能电池1%-实验阶段各种半导体太阳能电池的效率太阳能电池种类半导体材料Cell转换效率机组转换效率应用现状半导体太阳能电池发展现状硅片太阳能电池薄膜太阳能电池单晶硅多晶硅非晶硅膜CdTeCIGS效率23%19%13%16%19%成本($/瓦)4.5321.2<1技术难度低低高高高技术成熟度已成熟大量生产已成熟大量生产开发中小量正在发展中小量开发中小量国内发展现状成熟成熟小量产小量产无量产国外发展现状成熟成熟小量产大量生产小量产薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池，而却它在能有更广的用途,因为它能产生在可变形的薄片上。半导体太阳能电池发展现状硅片太阳能电池薄膜太阳能电池单晶硅晶体硅太阳能电池片的生产流程硅片清洗扩散掺杂制绒沉积反射膜印刷电极电池性能监测质量分级引线焊接安装组件组件质量检测质量分级晶体硅太阳能电池片的生产流程硅片清洗扩散掺杂制绒沉积反射膜印太阳能电池（组件）生产工艺组件--用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元封装是太阳能电池生产中的关键步骤，电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。太阳能电池（组件）生产工艺组件--用电池片组成阵列，作为一个

薄膜太阳能电池非晶硅(a-Si)、效率仅为7%左右并存在光致衰减现象，非晶硅薄膜电池已经商品化，占整个PV市场份额的8.9%左右铜铟硒系列(CuInSe2和CuInGaSe2），实验室效率达19.8%，但由于组分多、结构复杂，导致成品率低。碲化镉(CdTe)

等，实验室效率达15.8%，有毒成份Cd，对环境和人体的带来潜在危害；光敏染料电池，聚合物多层修饰电极型太阳能电池，实验室效率达5%，尚处于研发阶段。薄膜太阳能电池薄膜电池组件薄膜电池组件非晶硅薄膜的制备电子束蒸发反应溅射低压化学气相沉积（LPCVD）辉光放电化学气相沉积光化学气相沉积离子体光化学气相沉积……非晶硅薄膜的制备电子束蒸发非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺染料敏化太阳能电池

Dye-SensitizedSolarCells（DSSC）DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。

染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达到11.2%染料敏化太阳能电池Dye-SensitizedSolar染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对电极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。结构上DSC就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被敏化剂所代替，纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。

染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明

DSSC工作原理⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中；⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。

DSSC工作原理⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发光阳极材料：敏化的TiO2电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，直接关系到太阳能电池的总效率。纳米多孔结构TiO2薄膜在目前染料敏化太阳能电池中TiO2光阳极采用极为广泛。光阴极材料：，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。电解质：固态染料敏化太阳能电池获得的Uoc值很高，可以达到接近1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和改善电池的长期稳定性。敏化剂：敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。DSSC电池各组成部分的研究进展DSSC电池各组成部分的研究进展敏化剂分为有机和无机两大类：无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。敏化剂分为有机和无机两大类：环境保护和低碳经济环境保护发电方法煤石油天然气核能风力水力太阳能污染物CO2322.8258.51787.86.75.95.3NOx1.80.880.90.003--0.007Sox3.41.70.0010.03--0.02各种发电方法污染量的比较g/kwh环境保护和低碳经济环境保护发电方法煤石油天然气核能风力水力太太阳能电池的应用空间技术发电机组便携设备充电交通工具日常设施最近十年光电转换市场的产量（兆瓦/年）太阳能电池的应用空间技术最近十年光电转换市场的产量（兆瓦/年空间技术神舟七号上的太阳能电池板宇航员杨立伟在太空拍摄的照片地面组装时的照片空间技术神舟七号上的太阳能电池板日用便携设备充电左图太阳能电池板的手机“MusicPorter”

右图苹果ipodMp3日用便携设备充电ArizonaArizonaHubbleTelescopeHubbleTelescopeAntarcticaAntarctica新能源材料-太阳能电池材料课件新能源材料-太阳能电池材料课件Indiana-Colorado:1250miles;43miles/hIndiana-Colorado:1250miles;TexasTexas新能源材料-太阳能电池材料课件TheEnd！TheEnd！新能源材料

太阳能电池材料

北航材料学院新能源材料

太阳能电池材料北航材料学院太阳能电池材料材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9单晶～20化合物半导体GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化纳米染料薄膜（大面积）5有机太阳能转换膜<5太阳能电池材料材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）GlobalCarbonDioxideEmissionsGlobalCO2emissionsfromfossilfuelburning,cementproduction,andgasflaringfor1751-1999GlobalCarbonDioxideEmissionWhilegrossdomesticproduct(GDP)grewby38percentfrom1990to2000,energy-relatedcarbondioxideemissionsgrewby16percent.

GDPGrowthandCarbonDioxideEmissionsWhilegrossdomesticproduct(开发新能源

太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！太阳能热水器太阳能汽车开发新能源太阳能：辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能FUNCTIONOFTHESOLARCELL...SolarCellLoadICONVERTS

LIGHT

INTO

ELECTRICCURRENTFUNCTIONOFTHESOLARCELL...新能源材料-太阳能电池材料课件UVIRVisible01x10212x10213x10214x10210.511.522.533.54PhotonEnergy(eV)2/sec/eV0.4mm2.0mm0.7mm1.0mmc-Simc-Sic-Genc-GeSolarSpectrumPhotons/mUVIRVisible01x10212x10213x1021EnergyBandStructuresandConductivitySemiconductorsandInsulatorsMetalsEnergyBandStructuresandConSiliconDopingSi

(4valenceelectrons)P

(5valenceelectrons)For

n-type

dopingResultsinextraelectrons

B

(3valenceelectrons)For

p-type

dopingResultsinextraholese-h+SiliconDopinge-h+ThePINStructureN-layerP-layerI-layerContainspositivemobilechargecarriersContainsnegativemobilechargecarriersStaticElectricField

- - - -+ + + +FixeddopantionsThePINStructureN-layerP-半导体光伏效应原理PN++++----++++-----e+h阳光NP-e+h+-半导体P/N结太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

半导体光伏效应原理PN+-+--e+h阳光NP-e+h+-半SolarPower:NotCheapEnoughSoonEnough!

Solarpowerneedstobe10-100timescheapertobecompetitiveEvenrelativelylow-techwindpowerhastaken20yearstodecreaseincostby85%SolarPower:NotCheapEnough光电转换效率低最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%...光电转换效率低最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料硅材料制备1.多晶硅定向凝固硅材料制备1.多晶硅单晶硅单晶硅新能源材料-太阳能电池材料课件非晶硅非晶硅FilmGrowth:

PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition(PECVD)ProcessGlassSlideHSiPCathode(V+)PlasmaConfinementChamberGNDH2PH3SiH4FilmGrowth:

PlasmaEnhanced太阳能电池1.单晶硅:光电转换率大于20%,性能稳定;价格高.2.多晶硅:光电转换率可达15%,价格低.3.非晶硅:光电转换率低;用料省(1m;多晶硅50m),无取向性,可大尺寸生产.太阳能电池1.单晶硅:光电转换率大于20%,性能稳定新能源材料-太阳能电池材料课件晶体：士兵队列非晶：电影院散场的观众整体无序，但存在有规律的小集团，家庭型、情侣型、亲子型、朋友型等。晶体：士兵队列CrystallineStructureAmorphousStructureCrystallineStructureAmorphous新能源材料-太阳能电池材料课件LeastcrystallineMostcrystallineAmorphous

CrystallinePhasesofcrystallinityNano-crystalline(nc)Amorphous(betweencrystals)LeastMostAmorphous新能源材料-太阳能电池材料课件MeasurementTechniques

Reflectance:(Measureofcrystallinity)

ElectricalConductivity:(InformationaboutCarrierConcentration)

HotProbeMeasurement:(MeasureSignofmajoritychargecarrier)MeasurementTechniquesReflectanceMeasurementLightSource

Sample

ReflectedLight185-2600nmDetectorMonochromatorReflectanceMeasurementLightSElectricalConductivityElectrodeElectrodeSifilmGlassSubstrateW

dFilmThickness(t)=oe-Ea/kT+V-AI

=qN

=IVd/(t

w)ElectricalConductivityElectroHotProbeMeasurement

SignofMajorityChargeCarrierHotProbe(Cu)ColdProbe(Al)EV+V-N-dopedSampleVoltmeter+-HotProbeMeasurement

Signof

太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐射能之比

η=Pm/Pin=VocIscFF/AtPin转化效率目前CIS系列太阳电池的效率在12％～15％

最佳单电池转换效率达到19.2%太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池的总辐入射光光反射光透射表面复合体内复合电池电阻输出电能太阳光照射到电池后的主要损失环节入射光光反射光透射表面复合体内复合电池电阻输出电能太阳光影响转化效率的因素

禁带宽度温度少数载流子寿命掺杂浓度及其分布光强电池电阻影响转化效率的因素禁带宽度太阳能电池分类按材料分为：

1）硅电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅

2）化合物半导体电池—CdTe，CIS/CIGS，GaAs，InP……3）有机电池--聚合物多层修饰电极型太阳能电池(染料敏化电池)技术成熟程度：

1）晶体硅电池：单晶硅，多晶硅,GaAs,InP2）薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe,球形电池，多晶硅薄膜,染料敏化电池

3）新型概念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电池，杂质结电池……(也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池。)

太阳能电池分类按材料分为：按电池结构分为：

1）直接能隙电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅

2）串联结构电池-叠片型号,混合型按电池结构分为：太阳电池的半导体材料材料能隙(eV)禁带性质迁移率电子(cm2/Vs)空穴晶系晶格常数(nm)应用晶体Si1.12间接1500450立方a=0.543占市场70-80%非晶Si1.5-2.0~10.1占市场10-20%Ge0.66间接39001900立方a=0.5646空间电池衬底GaAs1.424直接8500400立方a=0.5653空间电池CdS2.42直接340正方a=0.4136c=0.6176薄膜电池的一级CdTe1.44直接70065立方a=0.6477薄膜电池AlSb1.6间接900400立方a=0.37腐蚀,未应用CuInSe21.04直接30020正方a=0.5653a=0.5653薄膜电池太阳电池的半导体材料材料能隙禁带迁移率(cm2/Vs)晶系晶太阳能电池种类半导体材料Cell转换效率机组转换效率应用现状硅晶体硅单晶硅15-24%10-14%电池占市场分额70-80%多晶硅10-17%9-12%非晶硅a-Si、a-SiGe8-13%6-9%电池占市场份额10-20%化合物半导体二元素GaAs结晶型18-30%-空间技术CdS、CdTe薄膜10-12%-已商品化三元素CuInSe2薄膜10-19%-正进入商品化有机半导体染料敏化TiO2太阳能电池1%-实验阶段各种半导体太阳能电池的效率太阳能电池种类半导体材料Cell转换效率机组转换效率应用现状半导体太阳能电池发展现状硅片太阳能电池薄膜太阳能电池单晶硅多晶硅非晶硅膜CdTeCIGS效率23%19%13%16%19%成本($/瓦)4.5321.2<1技术难度低低高高高技术成熟度已成熟大量生产已成熟大量生产开发中小量正在发展中小量开发中小量国内发展现状成熟成熟小量产小量产无量产国外发展现状成熟成熟小量产大量生产小量产薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池，而却它在能有更广的用途,因为它能产生在可变形的薄片上。半导体太阳能电池发展现状硅片太阳能电池薄膜太阳能电池单晶硅晶体硅太阳能电池片的生产流程硅片清洗扩散掺杂制绒沉积反射膜印刷电极电池性能监测质量分级引线焊接安装组件组件质量检测质量分级晶体硅太阳能电池片的生产流程硅片清洗扩散掺杂制绒沉积反射膜印太阳能电池（组件）生产工艺组件--用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元封装是太阳能电池生产中的关键步骤，电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。太阳能电池（组件）生产工艺组件--用电池片组成阵列，作为一个

薄膜太阳能电池非晶硅(a-Si)、效率仅为7%左右并存在光致衰减现象，非晶硅薄膜电池已经商品化，占整个PV市场份额的8.9%左右铜铟硒系列(CuInSe2和CuInGaSe2），实验室效率达19.8%，但由于组分多、结构复杂，导致成品率低。碲化镉(CdTe)

等，实验室效率达15.8%，有毒成份Cd，对环境和人体的带来潜在危害；光敏染料电池，聚合物多层修饰电极型太阳能电池，实验室效率达5%，尚处于研发阶段。薄膜太阳能电池薄膜电池组件薄膜电池组件非晶硅薄膜的制备电子束蒸发反应溅射低压化学气相沉积（LPCVD）辉光放电化学气相沉积光化学气相沉积离子体光化学气相沉积……非晶硅薄膜的制备电子束蒸发非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的制备工艺染料敏化太阳能电池

Dye-SensitizedSolarCells（DSSC）DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+