太陽能電池材料及分類.ppt

新能源材料 太陽能電池材料太陽光譜分析太陽能電池種類我國太陽能與國外發(fā)展狀況未來太陽能電池發(fā)展方向 太陽能電池材料與分類 材料永遠起著決定一代社會科技水平的關(guān)鍵作用 太陽能光伏發(fā)電的歷史伴隨著是太陽能電池材料的選擇 開發(fā)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的歷史 開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題是提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本 太陽能電池應選用什么樣的材料 太陽能電池材料 1 太陽光的光譜分析 盡管太陽輻射的波長范圍很寬 但絕大部分的能量卻集中在0 22 4微米的波段內(nèi) 占總能量的99 其中可見光波段約占43 紅外波段約占48 3 紫外波段約占8 7 而能量分布最大值所對應的波長則是0 475微米 屬于藍色光 太陽光譜的能量分布曲線 能量為縱坐標 波長為橫坐標 太陽能電池并不能把任何一種光都同樣地轉(zhuǎn)換成電 例如 通常紅光轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷谋壤c藍光轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷谋壤遣煌?由于光的顏色 波長 不同 轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷谋壤膊煌?這種特性稱為光譜特性 光譜特性通常用收集效率來表示 所謂收集效率就是用百分數(shù) 來表示一單位的光 一個光子 入射到太陽能電池上 產(chǎn)生多少電子 和空穴 例如 有的電池在太陽光照射下能確定轉(zhuǎn)換效率 但在熒光燈這樣的室內(nèi)光源下就無法得到有效的光電轉(zhuǎn)換 就人眼的感覺而言 在室外太陽光下和在室內(nèi)熒光燈下 其亮度并不覺得差別很大 但其能量的絕對值卻相差數(shù)百倍 由于各種太陽能電池的光譜特性不同 所以太陽能電池的輸出特性隨所用的光源的光譜不同而變化較大 從太陽能電池的應用角度來說 太陽能電池的光譜特性與光源的輻射光譜特性相匹配是非常重要的 這樣可以更充分地利用光能和提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 不同的太陽能電池與不同的光源的匹配程度是不一樣的 光強和光譜的不同 會引起太陽能電池輸出的變動 自然界的物質(zhì)存在按導電性可分為三類 導體 半導體 絕緣體 對于絕緣體 本身導電很困難 故不適合作為光伏發(fā)電的材料 導體 金屬 光電效應物質(zhì)吸收光子 photon 并激發(fā)出自由電子的行為 當金屬表面在特定的光輻照作用下 金屬會吸收光子并發(fā)射電子 electron 發(fā)射出來的電子叫做光電子 photoelectron 由公式所推 盡管太陽輻射的波長范圍很寬 但絕大部分的能量卻集中在0 22 4微米的波段內(nèi) 占總能量的99 其中可見光波段約占43 紅外波段約占48 3 紫外波段約占8 7 而能量分布最大值所對應的波長則是0 475微米 屬于藍色光 太陽光譜的能量分布曲線 能量為縱坐標 波長為橫坐標 對于半導體材料 帶隙比較適合太陽光譜范圍的材料普遍在元素周期表的 族 族 族等半導體容易制成PN結(jié) 所以適合作為光伏電池的材料 導體 金屬 材料中的電子移動受到的反作用力大 產(chǎn)生的自由電子少 電子要剝離需要克服表明勢能 而金屬表面勢能較大 光子激發(fā)的電子能量小 無法提供剝離的能量 所以不適合作為光伏電池的材料 太陽能電池材料一般的要求 1 材料的禁帶不能太寬 2 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率 3 材料本身對環(huán)境不造成污染 4 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定 太陽能電池的分類 各類的特點和研發(fā)方向 光伏電池的分類 按材料 一 晶硅電池 單晶硅光伏電池多晶硅光伏電池 砷化鎵 GaAs 薄膜電池 三 多元化合物薄膜電池 四 染料敏化納米晶電池 二 硅基薄膜電池 非晶硅薄膜電池 a Si 微晶硅薄膜電池 uc Si 五 有機聚合物電池 六 新一代太陽能電池 量子 納米 聚光 石墨烯等 碲化鎘 CdTe 銅銦硒 CIS 薄膜電池 無機化合物太陽能電池 1 單晶化合物太陽能電池單晶化合物太陽能電池主要有砷化鎵 GaAs 太陽能電池 砷化鎵的能隙為1 4eV 是很理想的電池材料 這是單結(jié)電池中效率最高的電池 多結(jié)聚光砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率已超過40 所以早期在空間得到了應用 但是砷化鎵電池價格昂貴 而且砷是有毒元素 所以極少在地面應用 2 多晶化合物太陽能電池多晶化合物太陽能電池的類型很多 目前已實際應用的主要有碲化鎘 CdTe 太陽能電池 銅銦鎵硒 CIGS 太陽能電池等 2 多晶化合物太陽能電池碲化鎘太陽能電池 PVD 物理氣相沉積 工藝 濺射工藝 銅銦鎵硒 CIGS 太陽能電池是近年發(fā)展起來的新型太陽能電池 通過磁控濺射 真空蒸發(fā)等方法 在基底上沉積銅銦鎵硒薄膜 薄膜制作方法主要有多元分步蒸發(fā)法和金屬預置層后硒化法等 基底一般用玻璃 也可以用不銹鋼作為柔性村底 2 多晶化合物太陽能電池 薄膜太陽能電池指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導體光電材料鋪在非半導體的村底上面構(gòu)成的光伏電池 這種電池可大大地減少半導體材料的消耗 薄膜厚度以 m計 從而大大地降低了光伏電池的成本 可用于構(gòu)成薄膜光伏電池的材料有很多種 主要包括多晶硅 非晶硅 碲化鎘以及CIGS等 有機化合物太陽能電池 按基體材料分 1 有機化合物太陽能電池以酞菁 卟啉 苝 葉綠素等為基體材料的太陽能電池 如有機PN結(jié)太陽能電池 有機肖特基太陽能電池等 如聚乙烯太陽能電池 共軛聚合物 C60復合體系太陽能電池等 2 敏化納米晶太陽能電池以TiO2 ZnO SnO2等寬禁帶的氧化物型的納米級半導體為電極 使用染料敏化 無機窄禁帶寬度半導體敏化 過渡金屬離子摻雜敏化 有機染料 無機半導體復合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法制成的太陽能電池 1 美國FirstSolar 1100MW2 中國無錫尚德 704MW 2010年產(chǎn)能達1 8GW3 日本夏普 595MW4 德國Q Cells 586MW5 中國英利綠色能源 525 3MW 2010年產(chǎn)能達1 3GW6 中國晶澳太陽能 520MW 2010年產(chǎn)能達1GW7 日本京瓷 Kyocera 400MW8 中國天合光能 399MW 2010年產(chǎn)能達0 7GW9 美國SunPower 397MW10 中國臺灣昱晶368MW 我國太陽能電池現(xiàn)狀與發(fā)達國家比較 2009年 95 以上的產(chǎn)品出口國外 國內(nèi)利用率不到5 2010年 中國各大廠商紛紛擴大產(chǎn)能 總產(chǎn)能達以12GW 未來太陽能發(fā)展方向按太陽能電池結(jié)構(gòu)分 1 同質(zhì)結(jié)太陽能電池指由同一種半導體材料所形成的P N結(jié)稱為同質(zhì)結(jié) 用同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽能電池稱為同質(zhì)結(jié)太陽能電池 2 異質(zhì)結(jié)太陽能電池指由兩種禁帶寬度不同的半導體材料形成的結(jié)稱為異質(zhì)結(jié) 用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的太陽能電池稱為異質(zhì)結(jié)太陽能電池 肖特基結(jié)太陽能電池指利用金屬 半導體界面上的肖特基勢壘而構(gòu)成的太陽能電池稱為肖特基結(jié)太陽能電池 簡稱MS電池 目前已發(fā)展為金屬 氧化物 半導體 MOS 金屬 絕緣體 半導體 MIS 太陽能電池等 疊層太陽能電池指將兩種對光波吸收能力不同的半導體材料疊在一起構(gòu)成的