空间材料学——太阳能电池课件.ppt
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,太阳能电池的发展及应用,指导老师： 秦 伟报告人 ： 计 璇,太阳能电池定义及分类太阳能电池的发展现状及发展前景太阳能电池的应用现状,报告内容,太阳能电池定义及分类太阳能电池的发展现状及发展前景太阳能电池的应用现状,报告内容,1.1太阳能电池定义,太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。,1.2太阳能电池分类, 硅太阳能电池 多晶体薄膜电池 有机聚合物电池 有机薄膜电池 纳米晶电池 染料敏化电池 塑料电池,1.2太阳能电池分类,1、硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池：转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2019，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难多晶硅薄膜太阳能电池：与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2019，为17%）。非晶硅薄膜太阳能电池：成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。,1.2太阳能电池分类,2、多晶体薄膜电池多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。,1.2太阳能电池分类,3、有机聚合物电池由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。 但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。,1.2太阳能电池分类,4、纳米晶电池纳米晶体化学能太阳能电池 优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。5、有机薄膜电池有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。,1.2太阳能电池分类,6、染料敏化电池染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。 染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。7、塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但目前塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。,太阳能电池定义及分类太阳能电池的发展现状及发展前景太阳能电池的应用现状,报告内容,2.1太阳能电池的发展现状,太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源,2.1太阳能电池的发展现状,世界太阳能电池发展的“大事件” 1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6 1955 第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明Ga As太阳能电池 1958 太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8。 1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。 1960 太阳能电池首次实现并网运行。 1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。 1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世 1978 美国建成100KW光伏电站 1980 单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为14.5，Ga As为 22.5 1986 美国建成6.5KW光伏电站 1990 德国提出“2000光伏屋顶计划” 2019 高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达32。 2019 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳 光计划” 2019 单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出“百万光伏屋顶 计划” 2000 世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2019年生产60亿 瓦光伏电池,2.2太阳能电池的发展前景,在全球日益重视环保的大趋势下，太阳能电池行业在未来几年会继续快速发展。但是太阳能电池发电的成本较高，是不是能够普及，就要看各国政府如何认识太阳能发电的重要性，采取什么样的支持政策，当然作为企业要努力降低成本。业内人士认为，在这10年里业界要努力研发新技术使太阳能电池成本降低，四五年以后太阳能电池发电的成本应该会有所下降，另外，要面向消费者大力宣传发展太阳能电池的重要性，使人们改变消费观念。,太阳能电池定义及分类太阳能电池的发展现状及发展前景太阳能电池的应用现状,报告内容,3.1太阳能电池在生活中的应用,3.1.1用户太阳能电源1.小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等,太阳能电源,太阳能逆变器,3.1太阳能电池在生活中的应用,3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,3.1太阳能电池在生活中的应用,光伏水泵：解决无电地区的深水井 饮用、灌溉,3.1太阳能电池在生活中的应用,如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,3.1.2 交通领域,3.1太阳能电池在生活中的应用,太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,3.1.3 通讯/通信领域,3.1太阳能电池在生活中的应用,风云三号气象卫星的太阳能电池,3.1.4石油、海洋、气象领域,石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等,3.1太阳能电池在生活中的应用,海洋气象监测标,3.1太阳能电池在生活中的应用,如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。,3.1.5家庭灯具电源,3.1太阳能电池在生活中的应用,3.1.6光伏电站,3.1太阳能电池在生活中的应用,3.1.6光伏电站,3.2太阳能电池在空间中的应用,3.2.1空间太阳能电池的应用背景 现在科学在对宇宙的探索过程中，太阳能电池是卫星和空间电站的主要能量来源。太阳能电池作为一种高效率、长寿命、高可靠性的空间能源，在已发射的 3,000多颗各类人造卫星中，80以上的卫星能源都利用了太阳能电池组件，空间太阳能电池需求量增长迅速,3.2太阳能电池在空间中的应用,3.2.2空间太阳能电池的基本要求卫星的发射成本高达80000$/Kg，因此要求太阳能 电池的转换效率高和重量轻。空间太阳能电池工作时直接受到各种高能粒子以及 高强度紫外线的辐照，所以还要求空间太阳能电池 的抗辐照性能高。最好是直接带隙半导体，原料丰富，无毒无害；可 重复的沉积技术以满足大规模生产；光伏转换效率 高；抗辐照，长期的使用稳定性；,3.2太阳能电池在空间中的应用,3.2.3空间太阳能电池的影响因素及保护措施影响因素：太阳能电池是太空飞行器在空间运转的唯一动力来源，没有可靠的能源供应，航天器将无法正常工作和运行。太阳能电池方阵在太空中随飞行器高速飞行，要承受恶劣环境和突发现象，例如要经受到在太空中急速移动的各种尘埃、能量粒子以及太空垃圾的冲击、摩擦；真空中高能射线的辐照;经受-185150的高低温急变冲击等。保护措施：目前，国内外空间太阳能电池的保护，多采用耐辐照玻璃盖片来实现。,3.2太阳能电池在空间中的应用,3.2.3空间太阳能电池的影响因素及保护措施 耐辐照玻璃(irradiation resistant glass)是一种在高能射线照射后，可见光透过率下降较小的特种光学玻璃。 它具有耐辐照稳定性强、透光性好、物化性能稳定及热稳定性高等特点。 同时，它还可滤掉紫外线以防止电池与盖片间有机胶粘剂的老化和变黑，保证电池的光电转换效率。 主要用于卫星、飞船、空间站等航天器的太阳能电池表面，保护太阳能电池免受空间高能射线和高能粒子的辐射和轰击，延长太阳能电池的使用寿命，使航天器获得可靠的能源供应。现有太阳能电池盖片玻璃材料光学性能优越，作为很好的保护材料，己广泛地应用于各种飞行器上,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,谢 谢！,敬请老师指正,
