光伏电池的分类.ppt
第三章 光伏电池的分类,一、太阳能电池的种类二、硅太阳能电池三、化合物半导体四、有机太阳能电池五、光化学太阳能电池,一.太阳能电池的种类,无机太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、微晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）光化学太阳能电池（纳米TiO2等）有时也归类于有机太阳能电池,A.按照所用材料的不同：,.目前各类太阳能电池的实验室转换效率的记录,无机太阳能电池的种类,二、硅太阳能电池（按基体材料分）,(1)单晶硅(Single Crystaline-Si)太阳能电池,电池片制造过程大致可分为如下三部分：,1.从原材料制造单晶硅棒。,2.将单晶硅棒切断，加工成半圆片状。,3.形成pn结、加入电极，制成电池片。,上电极,下电极或背电极,单晶硅太阳能电池的结构示意图,硅光伏电池一般分为P+/N和N+/P 两种结构。其中带+的第一位符号表示电池表面光照层。,单晶硅太阳能电池的结构,上电极为指形电极,(2)多晶硅(Polycrystaline-Si)太阳能电池,制备多晶硅材料有许多方法，其中最常用的就是浇铸法。它是把硅的溶液直接浇铸在坩埚模具中并缓慢冷却固化成多晶硅锭的方法。,The most popular method for making Commercial semicrystalline siliconis casting,in which molten silicon is poured directly into a mold and allowed to solidify into an ingot.,多晶硅(Polycrystaline-Si)太阳能电池制作过程,浇铸生成的正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级。,单晶硅和多晶硅电池片的比较,单晶硅电池,多晶硅电池,在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶（single crystal）。,由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶（polycrystal）。,(3)非晶硅(Amorphous-Si)薄膜太阳能电池,非晶硅(又称-Si)太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷(SiH4)气体分解 沉积而成的。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼或掺磷可得到P型-Si或N型-Si。,薄膜电池中，具有代表性的材料是氢化非晶硅（-Si:H),氢化非晶硅中化合氢的含量大约10%左右，这些氢原子会对空键（dangling bond)缺陷进行补偿,使得该种电池的应用成为可能。,由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n结。,非晶硅太阳能电池的p-i-n结,P型非晶硅,本征层,光生载流子主要在这一层产生,n型非晶硅,目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),简称AZO,背电极和Al/Ag电极,绒面的TCO（透明导电膜）,a-Si太阳能电池基本结构是p-i-n结。掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势，以收集电荷。太阳光照通过电线产生电流。,非晶硅太阳能电池发电原理,P-I-N结工作原理,P,I,N,E,2009年，SunFab“system公司制备出的大型薄膜太阳能电池,玻璃基板,由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。,图2 非晶硅柔性太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池,具备以往产品没有的“轻”、“薄”、“可弯曲”等特点，其优点为基板采用塑料薄膜，其重量仅相当于以往玻璃基板的十分之一,与建筑相配合,建造太阳能房,非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨;,美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。,为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳能电池，近年来又出现了微晶薄膜硅电池，微晶硅可以在接近室温的低温下制备，特别是使用大量氢气稀释的硅烷，可以生成晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在23m。,(4)微晶硅(c-Si)太阳能电池,多晶硅薄膜其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级,硅基薄膜电池的发展,三.化合物半导体,(1)单晶 化合物 太阳能电池 单晶化合物太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)太阳能电池。砷化镓的能隙为1.4eV，是很理想的电池材料。它是单结电池中效率最高的电池，多结聚光砷化镓电池的转换效率已超过40%。所以早期在空间得到了应用。但是砷化镓电池价格昂贵，而且砷是有毒元素，所以极少在地面应用。,-族 GaAs 光伏电池,Ga 是族元素，As 是族元素。GaAs的最常用的施主元素是族元素如S,它替代As；受主是族元素如Te,它替代Ga。所以，GaAs 光伏电池也可以形成pn结，工作原理与硅光伏电池相同。,GaAs 结构示意图,(2)多晶 化合物 太阳能电池,多晶 化合物 太阳能电池的类型很多，目前已实际应用的主要有碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池等。,CIGS薄膜太阳能光伏电池结构示意图,碲化镉太阳能电池形成薄膜的技术：,PVD（物理气相沉积）工艺,溅射工艺,PVD的物理原理,块状材料(靶材),薄膜,物质输运能量输运,能量,衬底,以气态方式进行,气态,铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池是近年发展起来的新型太阳能电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法，在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分步蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可以用不锈钢作为柔性村底。,铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池,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58美分/（kWh）,M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338,四.有机太阳能电池,略去,五、光化学太阳能电池的结构及工作原理,染料敏化纳米薄膜太阳电池,为什么电子不通过溶液直接到对电极？,色素敏化光化学太阳能电池（DSSCs）,电池结构,阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料,阴极：镀铂的导电玻璃,电解质：I3-/I-,Dye-sensitized solar cells,染料敏化纳米晶结构,它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量，使染料分子中的电子发生跃迁，最后电子进入收集电极，通过外回路产生电流,工作原理简述,工作原理分析,(1)Dye+h Dye*(2)Dye*Dye+e-(TiO2)(3)e-(TiO2)BC,负极,Dye+e-(TiO2)Dye*,2 Dye+3I-I3-+Dye,I3-+2 e-(TiO2)3I-,I3-+2 e-(CE)3I-,光敏燃料,工作原理分析,(1)Dye+h Dye*(2)Dye*Dye+e-(TiO2)(3)e-(TiO2)BC（Back Contact),负极,光敏燃料,处于激发态的燃料将电子注入(Injection)到半导体的导带中，自身转化为燃料氧化态（Dye*）,工作原理分析,负极,光敏燃料,2 Dye+3I-I3-+Dye,I-离子还原氧化态燃料可以使燃料再生，从而使燃料不断将电子注入的到TiO2的导带中。I-离子还原氧化态燃料的速率常数越大，电子回传被抑制的程度越大，这相当于I-离子对电子回传进行了拦截（Interception）,Dye+e-(TiO2)Dye,Bach U,Lupo D,Comte P,et al.Nat ure,1998,395:583 ORegan B.and Grtzel M.,Nature,1991,353,737740,1991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，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。,研究进展,5.太阳能电池的发展进程,1.第一代光伏电池,基于silicon wafers（硅晶），采用单晶硅和多晶硅及GaAs材料制成。2004年第一代光伏太阳能电池约占产品市场的86%。,优缺点：工艺成熟，具有较高的转换效率；但成本较高，硅晶体的尺寸不能满足大面积的要求。目前，圆形单晶硅片的主流产品是200mm(8英寸），逐渐向300mm过渡，研制水平达到400 450 mm。由于制作晶体硅光伏电池的硅材料占总成本的45%以上，生产成本太高，而且制作全过程中还需消耗大量的能源。,2.第二代光伏电池,-是基于薄膜技术的一种光伏电池。电池在薄膜中，很薄的光电材料被铺在衬底上。厚度为晶体硅光伏电池的1/100到1/10。,构成薄膜的材料有很多种，主要包括多晶硅，非晶硅（-Si amorphous silicon),硫化镉(cadmium sulphide)，铜铟硒(copper indium diselenide)，碲化镉(cadmium Telluride)。,第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低，只有6-10%。,薄膜电池的优势,虽然目前晶硅电池占主流，薄膜电池也还存在种种问题需要解决，但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔：（1）转换效率和生产成本改善空间巨大；（2）生产工序相对简单、生产能耗少；（3）应用范围广泛。美国的薄膜产商FirstSolar发展非常迅速，后来者居上，已成为世界第一大太阳能电池企业；根据NanoMarkets预测，09-15年薄膜电池产量还将有16倍的增长空间，复合增速高达58%；而按照国内目前各厂商的扩产计划，国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动TCO玻璃需求高增长。,http:/2010年07月06日08:21 生意社,新型非晶硅薄膜电池,等离子体增强化学气相沉积,因为透明的TCO层不吸收可见光,把连续的膜层分成单个电池,非晶硅层,制作连接有效层的背电极（Al/Ag的电极）,处理非,3.第三代光伏电池,第三代光伏发电技术就是使用“太阳能炼硅+跟踪+聚光+高效聚光硅电池”技术发电,无 论第一代技术还是第二代技术，都存在高耗能、高污染的问题,从图1所给出的三代太阳能电池的成本和转换效率区间图可以看出，第三代太阳能电池转换效率最高可以接近60%，而成本只在10美分/瓦到50美分/瓦之间，相当于目前主流技术的1/30到1/6。,
