太陽能電池的分類課件

1、單晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池 太陽能電池硅太陽能電池 單晶化合物太陽能電池 多晶化合物太陽能電池 非晶硅太陽能電池 結(jié)晶系太陽能電池?zé)o機(jī)化合物太陽能電池 有機(jī)化合物太陽能電池 22:491第一代：單晶硅和多晶硅兩種單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高，但生產(chǎn)成本高。第二代：薄膜太陽能電池基于薄膜技術(shù)基礎(chǔ)之上，主要采用非晶硅及氧化物等為材料。效率比第一代低，但生產(chǎn)成本最低。第三代：化合物薄膜太陽能電池（銅銦硒（CIS）等及薄膜Si系太陽能電池。轉(zhuǎn)化效率高，低成本，存在潛在龐大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。太陽能電池的分類22:492硅太陽能電池（按基體材料分 ）(1)單晶硅太陽能電池 (Single Crystaline

2、-Si) 單晶硅太陽能電池制造工程由電池片工程和模板工程組成。電池片工程大致可分為如下三部分： 從原材料制造單晶硅棒。 將單晶硅棒切斷，加工成半圓片狀。 形成pn結(jié)、加入電極，制成電池片。22:493 生產(chǎn)工藝： 單晶硅 膜切割 清洗 檢測 鍍鋁電極 沉積PN結(jié) 老化 檢測 封裝 成品檢測單晶硅太陽能電池22:4945晶硅太陽電池向薄片化方向發(fā)展 硅片是晶硅電池成本構(gòu)成中的主要部分。 硅間接半導(dǎo)體，理論上100m可以吸收 全部太陽光。電池制造工藝硅片厚度下限150 m。 降低硅片厚度是結(jié)構(gòu)電池降低成本的重要技術(shù)方向之一。 22:496Sharp單晶硅組件22:497Ultrathin Mult

3、icrystalline Si High Efficiency Solar Cells Fraunhofer- 20.3%世界記錄 22:498硅片厚度的發(fā)展： 70年代450500 m， 80年代400450m。 90年代350400 m。 2000年 -260300 m。 2010年 - 200260 m。 2020年 100200 m。22:499 帶硅技術(shù) 直接拉制硅片免去切片損失 (內(nèi)園切割，刀鋒損失300400 m。 線鋸切割，刀鋒損失200 m)。 過去幾十年里開發(fā)過多種生長帶硅 或片狀硅技術(shù)22:4910 邊緣限制薄膜帶硅生長技術(shù)(Edge defined film-fed g

4、rowth，EFG) 采用石墨模具電池效率1315。該技術(shù)于90年代初實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，目前屬于RWE (ASE)公司所有。22:4911蹼狀帶硅技術(shù)在表面張力的作用下,插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會(huì)同時(shí)長出一層如蹼狀的薄片,所以稱為蹼狀晶。切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶制作太陽電池。蹼狀晶為各種硅帶中質(zhì)量最好,但其生長速度相對(duì)較慢。22:49(2)多晶硅太陽能電池(Polycrystaline-Si) 在制作多晶硅太陽能電池時(shí)，作為原料的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅錠，然后使用切割機(jī)切成薄片，再加工成電池。 多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。其晶粒

5、尺寸一般約在幾十至幾百nm級(jí)，大顆粒尺寸可達(dá)m級(jí)。 22:491213多晶硅材料制造成本低于單晶硅材料，能直接制備出適于規(guī)模化生產(chǎn)的大尺寸方型硅錠，240kg, 400kg；制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料，因此具有更大降低成本的潛力。22:4914但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構(gòu)化困難。22:4915喬治亞(Geogia)工大 采用磷吸雜和雙層減 反射膜技術(shù)，使電池的效率達(dá)到18.6； 新南威爾士大學(xué)采用類似PERL電池技術(shù)， 使電池的效率19.8 Fraunhofer研究所 20.3%世界記錄 Kysera公司采用了PECVD/SiN+表

6、面織構(gòu)化 使1515cm2大面積多晶硅電池效率達(dá)17.7.22:4916PECVDSiN鈍化技術(shù)對(duì)商業(yè)化多晶硅 電池的效率提高起到了關(guān)鍵性的作用。目前商業(yè)化多晶硅電池的效率131622:49 (3)非晶硅太陽能電池(Amorphous-Si) 非晶硅(又稱-Si)太陽能電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷(SiH4)氣體分解沉積而成的。非晶硅的禁帶寬度為1.7eV，通過摻硼或摻磷可得到P型-Si或N型-Si。 非晶硅中由于原子排列缺少結(jié)晶硅中的規(guī)則性，缺陷多，因此單純的非晶硅P-N結(jié)中，隧道電流往往占主導(dǎo)地位，使其呈現(xiàn)無整流特性，不能制作太陽能電池。22:4917為了使光生載流子能有效地收集，

7、就要求在-Si太陽電池中光注入所及的整個(gè)范圍內(nèi)盡量布滿電場。因此，電場設(shè)計(jì)成pin型（p層為入射光面），其中i層為本征吸收層，處在p和n產(chǎn)生的內(nèi)建電場中。22:491819 優(yōu)點(diǎn)： 資源豐富，環(huán)境安全； 光的吸收系數(shù)高，活性層只需要1m 厚，省材料； 沉積溫度低，成本襯底上，如玻璃、 不銹鋼和塑料膜上等。 電池/組件一次完成，生產(chǎn)程序簡單。 缺點(diǎn)： 效率低 不穩(wěn)定 光衰減(S-W效應(yīng))。 22:49 三種硅基太陽能電池性能分析種類優(yōu)勢劣勢轉(zhuǎn)換效率單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率最高，技術(shù)最為成熟硅消耗量大，成本高，工藝復(fù)雜16%-20%多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率較高多晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，供應(yīng)受限制14%-

8、16%非晶硅薄膜太陽能電池成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率不高，光致衰退效應(yīng)9%-13%22:4920 (4)微晶硅(c-Si)太陽能電池 非晶硅對(duì)紅外區(qū)域太陽輻射不敏感，本身具有光致衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不好，在非晶硅薄膜基礎(chǔ)上經(jīng)退火處理得到微晶硅薄膜太陽能電池，穩(wěn)定性和光轉(zhuǎn)換效率得到提高。（禁帶寬度接近單晶硅，為1.12eV）。22:492122化合物半導(dǎo)體薄膜電池 GaAs, CdTe, CuInGaSe等的禁帶寬度在11.5eV,與太陽光譜匹配較好。同時(shí)這些半導(dǎo)體是直接帶隙材料，對(duì)陽光的吸收系數(shù)大，只要幾個(gè)微米厚就能吸收陽光的絕大部分，因此是制作薄膜太陽電池的優(yōu)選活性材料。 GaAs電池主要用于

9、空間，CdTe 和CIS電池被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)低于1美元/峰瓦成本目標(biāo)的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個(gè)研究課題。 22:49 (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(yīng)用。 但是砷化鎵電池價(jià)格昂貴，而且砷是有毒元素，所以極少在地面應(yīng)用。無機(jī)化合物太陽能電池22:492322:4924高的能量轉(zhuǎn)換效率：直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，GaAs的帶隙為1. 42eV，處于太陽電池材料所要求的最佳帶隙寬度范圍；GaAs太陽電池的優(yōu)

10、點(diǎn)22:4925 在波長0.85 m以下，GaAs的光吸收系數(shù)急劇升高，達(dá)到104/cm2，比硅材料要高1個(gè)數(shù)量級(jí)，而這正是太陽光譜中最強(qiáng)的部分。因此，對(duì)于GaAs太陽電池而言，只要厚度達(dá)到3m，就可以吸收太陽光譜中的95%的能量。22:4926高的能量轉(zhuǎn)換效率：直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，GaAs的帶隙為1. 42eV，處于太陽電池材料所要求的最佳帶隙寬度范圍；電子遷移率高；易于制成非摻雜的半絕緣體單晶材料，其電阻率可達(dá)108兆歐以上；具有良好的抗輻射能力：由于II-V族化合物是直接帶隙，少數(shù)載流子擴(kuò)散長度較短，且抗輻射性能好，更適合空間能源領(lǐng)域；溫度系數(shù)?。耗茉谳^高的溫度下正常工作。GaAs太陽電池

11、的優(yōu)點(diǎn)22:4927資源稀缺，價(jià)格昂貴，約Si材料的10倍；污染環(huán)境，砷化物有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染；機(jī)械強(qiáng)度較弱，易碎；制備困難，砷化鎵在一定條件下容易分解，而且砷材料是一種易揮發(fā)性物質(zhì)，在其制備過程中，要保證嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)量比是一件困難的事。材料密度大，GaAs材料密度為5.32g/cm3，是si材料密度的2倍多GaAs太陽電池的缺點(diǎn) (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(shí)際應(yīng)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。 22:4928291) CdTe電池 CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV, 理論效率28%，性能穩(wěn)定

12、，一直被光伏界看重。工藝和技術(shù)近空間升華(CSS),電沉積，濺射、真空蒸發(fā)，絲網(wǎng)印刷等；實(shí)驗(yàn)室電池效率16.4%；商業(yè)化電池效率平均810；CdTe電池90年代初實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，2002年市場份額為0.3。22:49 碲化鎘太陽能電池：PVD（物理氣相沉積）工藝、濺射工藝22:493022:4931CdTe太陽電池的結(jié)構(gòu)22:4932理想的帶隙寬度：直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，CdTe的帶隙為1.45eV，CdTe的光譜響應(yīng)與太能光譜非常匹配。高光子吸收率：CdTe的吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)達(dá)104/cm以上，95%的光子可在1um厚的吸收層被吸收，2um薄膜可吸收99%太陽光。轉(zhuǎn)換效率高：CdTe

13、薄膜太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為28%。電池性能穩(wěn)定：Cd與Te的結(jié)合能高達(dá)5.75eV，比太陽所有的光譜都高，其鍵不會(huì)被破壞。電池結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，工藝成熟，容易實(shí)現(xiàn)模組化。CdTe太陽電池的優(yōu)點(diǎn) 2）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(yù)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。22:493334 CIGS是-族三元化合物半導(dǎo)體，帶隙1.04eV。 70年代中后期波音公司真空蒸發(fā)，電池效率達(dá)到9；80年代開始，ARCO Solar 公司處領(lǐng)先地位；

14、 90年代后期，NREL保持世界記錄，19.5%；90年代初起，許多公司致力實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，該電池目前處在兆瓦級(jí)中試生產(chǎn)階段， ARCO Solar Simens Shell公司。22:4922:4935材料吸收率高，吸收系數(shù)高達(dá)105量級(jí)，直接帶隙，適合薄膜化，電池厚度可做到2-3微米，降低昂貴的材料成本。光學(xué)帶隙可調(diào)：調(diào)制Ga/ln比，可使帶隙在1.01.7eV間變化，可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配?？馆椛淠芰?qiáng)通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動(dòng)、加速度沖擊等試驗(yàn)，光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變。在空間電源方面有很強(qiáng)的競爭力。穩(wěn)定性好，不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng)。電池效率高小面積可達(dá)19

15、.9%，大面積組件可達(dá)14.2%。弱光特性好對(duì)光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能。銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池優(yōu)點(diǎn)22:493622:49371. 有機(jī)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(jī)PN結(jié)太陽能電池，有機(jī)肖特基太陽能電池等, 聚乙烯太陽能電池、共軛聚合物/C60復(fù)合體系太陽能電池等。 有機(jī)化合物太陽能電池22:49382009年4月26日nature photonics上的高效單結(jié)電池22:49392. 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(jí)半導(dǎo)體為電極，使用染料敏化、無機(jī)窄禁帶寬度半導(dǎo)體敏化、過渡金屬離子摻雜敏化

16、、有機(jī)染料/無機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法制成的太陽能電池。22:494041染料敏化TiO2電池實(shí)際是一種光電化學(xué)電池。早期的TiO2光電化學(xué)電池穩(wěn)定性差、效率低。1991年瑞士Grtzel 將染料敏化引入該種電池，效率達(dá)到7.1%，成為太陽電池前沿?zé)狳c(diǎn)之一。目前這種電池的實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到 11.22:49基本原理： 染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2 導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入 TiO2 導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜 , 然后通過外回路產(chǎn)生光電流。22:4942敏化納米晶太陽能電池22:4943444.5

17、太陽電池的未來發(fā)展趨勢 1998年以前，單晶硅電池占市場主導(dǎo)地位，其次是多晶硅電池。 從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一 非晶硅從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。 CdTe電池從80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一； CIS電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，In是稀有元素； Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速22:49各類太陽能性能比較種類材料太陽能單電池效率太陽能電池模塊效率主要制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)硅系太陽能電池單晶硅1524%1320%表面結(jié)構(gòu)化發(fā)射區(qū)鈍化分區(qū)摻雜效率最高技術(shù)成熟工藝繁瑣成本高多晶硅1017%1015%化學(xué)氣相沉積法液相外延法濺射沉積法無效率衰退問題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅813%510%反