太阳能电池材料的研究进展综述课件.ppt

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1、太阳能电池材料的研究进展,太阳能电池材料的研究进展,其,其,石油,煤,天然气,其他,世界,中国和世界的能源结构,能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,CxHy+O2 H2O+CO2+SO2+NOx,石油短缺，对外依存度加大 1993年我国成为石油净进口国，2

2、001年进口依存度已经达到34，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到2020年将达到50。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。,可再生能源：风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,洁净能源：与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 导致“温室效应”，也不会造成环境污染,资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类 一年的能量需求,使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。,太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择,日本-93

3、年实施“新阳光计划”，涵盖74年的“阳光计划”、78年的“月光计划”和89年的“地球环境技术开发计划”；97年宣布7万太阳能光伏屋顶计划，计划到2010年安装7600MWp太阳能电池,日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50%以上。英、荷、日、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，其出口额占世界的贸易额的80%以上。,美国-提出了逐步提高绿色电力的发展计划。主要是通过风力发电、光伏发电、生物质能源发电等来达到目标，其中太阳光伏发电预计到2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右，累计安装量达到36GW，保持美国在光伏发电技术开发、制造水平的世界领先

4、地位。,美国百万屋顶计划的内容与目标,太阳能电池的发展,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，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。现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10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争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。,太阳能电池分类,按结构分类,同质结太阳电池,异质结太阳电池,肖特基太阳电池,按材料分类,硅太阳电池,敏化纳米晶太阳电池,有机化合物太阳电池,塑料太阳电池,无机

5、化合物半导体太阳电池,光生伏特效应,光子入射：造成跃迁产生空穴电子对。,电荷运动的势垒：p-n结区内形成的内建电场。阻碍电子从n区向p区运动，空穴从p区向n区运动。,光电池：空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。,1.无机太阳能电池,半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。,太阳能电池结构示意图,转换效率（h),入射在电池表面的阳光的功率,负载中消耗的功率,太阳能电池材料

6、,主要材料,半导体表面涂层电极封装,单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、有机半导体,金属氧化物、导电聚合物,金属导体,玻璃、有机玻璃,对材料的基本要求,能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽；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，材料的性能稳定且经济,无机太阳能电池的性能及应用,硅材料,工业硅（又称：结晶硅或金属硅）半导体用硅材料 含硅化合物（SiHCl3,SiH4）太阳能用硅材料 半导体用多晶硅 太阳能用多晶硅（又称：高纯硅或超纯硅）(Solar grade silicon)单晶硅锭 单晶硅锭 多晶硅锭 各种硅片 单晶硅片 多晶硅片 各种半导体器件 单晶硅太

7、阳能电池 多晶硅太阳能电池,各种太阳能电池的市场份额,2004年太阳能电池产量1,194.7MW，增长60.6%，其中：,国内太阳能电池用硅材料现状 硅单晶产量,2004年单晶硅产量（吨）,近年来我国硅单晶产量,注：单晶硅产量 及生产能力估算见附件1,国内现状趋势及分析,和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生产有一定基础；技术门槛低。国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是：硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能力严重不配套。企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材

8、料处于起步阶段。2 产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。,国内太阳能硅片加工环节十分薄弱除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外，太阳能单晶生产企业中只有晶龙有少量多线切割能力专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有限公司。切割能力约为1000万片/年,我国多晶硅片 生产能力（MW）,保定英利新能源有限公司垂直集成型，目前公司具有6MW 多晶硅片、10MW电池片、50MW电池组件的生产能力。二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW，将新增DSS多晶硅铸锭机20台,破锭机3台,多线切割机5台。浙江精功光电有限公司（前

9、身为浙江中意太阳能有限公司）原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE 合资企业，多晶硅片生产能力2MW。有扩大生产规模至20MW 的计划。,在建和筹建的多晶锭、片企业精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）精功集团与德国布莱斯-戴姆勒集团(Preiss-Daimler)共同投资兴建。引进GT Sola设备和技术。一期10MW，二期将达20MW。力诺太阳能基地项目（济南）太阳能多晶硅片2500万片，太阳能电池片50MW，太阳能电池组件50MW，太阳能电站10MW。该项目第一期是利用现有土地和厂房，购置多晶硅铸锭炉5台，1台破锭机和1台SD-B型线切割机等主要设备。年产量为多晶硅片500万片,第二期

10、1000万片，第三期2500万片（新疆新能源公司20MW硅片项目，资金筹措中）,非晶硅太阳电池,它又称“无定形硅太阳电池”（“aSi太阳电池”）。其最大特点是薄，不同于单晶硅或多晶硅太极电池需要以硅片为底，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面镀上一层薄硅膜，其厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有05伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。,非晶硅太阳能

11、电池是最理想的一种廉价太阳电池。作为一种弱光微型电源使用，如小型计算器、电子手表等。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。其应用涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。,太阳能电池阵列转换效率的提高对于空间系统有十分重要的意义它可以降低系统的重量，改善系统的搭载能力，减小轨道运行的阻力。还可以降低系统的成本。,GaAs材料,CuI

12、nSe2材料,2.染料敏化纳米晶体太阳能电池,染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grtzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。,工作原理,Voc=1/q【（Ef）TiO2(E（R/R-）)】,当太阳光照射到电池表面时，吸附在二氧化钛光电极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变为氧化态S+.注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向对电极,形成电流.处于氧化态的染料分子氧化溶液中的电子给体(此种在电解质溶液中的电子给体),自身恢复为还原态

13、，使染料分子得到再生。被氧化的电子给体扩散至对电极,在电极表面被还原,从而完成一个光电化学反应循环。,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。,影响电池光电转化效率的因素,采光效率电子的注入收集效率,有机光敏染料的光吸收性能,有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配,电子在薄膜中的扩散性能,敏化剂纳米半导体材料电解质其他方

14、面,(1)敏化剂,吸收尽可能多的太阳光；紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（COOH,-SO3H,PO3H2等）与相应的纳米晶的能带相匹配；激发态寿命足够长；具有长期的稳定性,敏化剂的种类,联吡啶金属络合物系列联吡啶钌系列（COOH,-SO3H,PO3H2，多核联吡啶等）羧酸多吡啶酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列纯有机染料系列无机化合物系列（窄带隙半导体材料敏化）,N3,Black dye,Nazeeruddin M.K,et al J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382.Nazeeruddin M.K,et al Chem.Commun.,

15、1997,1705-1706.,联吡啶金属络合物系列,Hagfeldt A and Grtzel M,Acc.Chem.Res.,2000,33,269-277.,Wavelength nm,Black dye,NazeeruddinM K and Gratzel M,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382.Hagfeldt A and Grtzel M,Acc.Chem.Res.,2000,33,269.,N3和Black Dye 的性能比较,多核吡啶钌络合物系列,Nazeeruddin M K and Gratzel M,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6

16、382.Hagfeldt A and Grtzel M,Chim.Acta.,1990,73,778.,X=H,CH3,Ph,COOH,C6H4SO3-,卟啉系列和酞菁系列,A.Kay and M.Gratzel,et al J.Phys.Chem.,1993,97,6272.M.M.Ressler and R.K.Panday,Chemtech.,1998,3,39.,R=SO3-,OC5H11;M=H2,Zn,AlCl,Sayama K,et al Chem.Commun.,2000,1173.,Merocyanine derivative,Mb(18)-N with an overall

17、=4.2%,纯有机染料系列（半菁染料衍生物）,Hara K,et al New J.Chem.,2003,27,783.,NKX-2311,NKX-2677,纯有机染料系列（香豆素衍生物）,Capped semiconductor（壳合式结构半导体）,Coupled semiconductor（偶合式结构半导体）,无机化合物染料系列,目前，联吡啶钌系配合物仍是性能最好的染料敏化剂，用得也最为广泛。设计有特定结构的、强吸收的、稳定的染料分子，获得高的电荷传输效率也是太阳能利用的一个方向。从微观上认识光伏太阳能电池及光催化反应的本质，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，为人们

18、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。,(2)纳米半导体材料,金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶、铁、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料.1999 年,Guo报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池.2000 年,Poznyak 等人还报道了纳米晶体In2O3 薄膜电极 的光电化学性质.在国内,目前北京大学的研究者们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导体材料中,TiO2,ZnO 和SnO2的性能较好.,纳米TiO2 薄膜极材料,制备方法：溶胶凝胶法；水热反应法；溅射法；醇盐水解法；溅射沉积法；等离子喷涂法；丝网印刷法等,微观结构

19、（孔径 气孔率）,(3)液态电解质存在的缺点,易导致敏化染料的脱附;溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解;密封工艺复杂;载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定;存在其他氧化还原反应,第一步：二氧化钛膜的制备,把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜（SnO2）,一调制纳米二氧化钛浆料,二、在导电玻璃片上涂膜,三、用酒精灯烤干,第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色,把新鲜的或冰冻的黑莓、山莓石榴籽或红茶，用一大汤匙的水进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡

20、5分钟，最后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。,第三步：制作反电极,电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极，是由涂有导电的SnO2膜层组成的，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的哪一面是导电的，利用手指也可以作出判断，导电面较为粗糙。把非导电面标上+，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。,第四步：注入电解质,注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。,第五步：组装电池,把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测

21、试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就作成了。在室外太阳光下，可以获得开路电压0.43V，短路电流1mA/cm2。,样 机,我国染料敏化太阳电池的研究历史,1、我国科研研究小组在九十年代中后期开始跟踪研究该项技术，中科院和北大等高校率先在该项研究上取得较好的成绩。2、其中中科院等离子体所、化学所和理化所的研究小组在中科院院长特别基金的支持下，开展了前期的跟踪研究，同时于2000年6月，该项研究被中科院列入中科院知识创新项目，并获得相应的经费支持，中科院等离子体物理研究所和王孔嘉研究员分别为项目承担单位和首席科学家，化学所和理化所为项目参加单位。3、2000年10月，“低价、长寿新

22、型光伏电池的基础研究”项目列入国家重点基础研究规划项目（973计划），中科院等离子体物理研究所和南开大学为项目承担单位，王孔嘉研究员和耿新华教授为项目首席科学家，化学所、理化所、中科院研究生院、北工大等七个单位为项目参加单位，染料敏化纳米薄膜太阳电池作为项目研究的主要方向之一。,中国首个染料敏化太阳电池示范电站,建立在等离子体所内的瓦规模的小型示范电站,面临的主要问题,染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比 较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？）电解质及基体材料（为达到商业化的目标

23、溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提高稳定性和使用寿命）电池的串并联问题,3.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07V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,高分子光电转换材料,倍受关注的高分子材料为聚对苯乙撑（PPV）,光电池结构：ITO/PPV/MgVoc=1.2V=1。,高分子光电转换材料,基团修饰：PPV MEH-PPVCa/

24、MEH-PPV/ITOVoc=1.6V Jsc 6Acm2=1,高分子光电转换材料,材料复合功能耦合美国加州大学 俞刚博士 Heeger教授 电子给体（D）MEH-PPV电子受体（A）C60Voc0.8VJsc1.53mAcm2,高分子光电转换材料,MEH-PPV与另一个PPV的衍生物CN-PPV配合使用，组成D-A网络结构的光电池,Acceptor Donor,高分子光电转换材料,ITO/MEH-PPV:CN-PPV/AlVoc0.6V 6,太阳能电池的应用,上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直

25、接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势,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,2.3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌

26、溉,交通领域 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。,通讯/通信领域 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。,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 风云三号气象卫星的太阳能电池,海洋气象监测标,家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。,光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电

27、站等。,办公楼与玻璃幕墙一体化的PV,太阳能屋顶系统,我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。但在总体水平由于生产规模、技术水平较低、太阳电池的效率低，专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化，成本高。,展望,小 结,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,太阳电能池的地面应用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供理论指导。太阳能的开发利用是人类进入21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。,Thank you,