報告一-太陽能電池技術課件

1、 太陽能電池技術1、引言2、太陽能電池的工作原理與特點3、太陽能電池的分類4、國外太陽能電池的發(fā)展趨勢5、國內(nèi)太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀6、當今國內(nèi)外新型高效太陽能電池技術1、引言 隨著環(huán)境污染和能源枯竭等問題的日益突出，近年來，世界各國競相實施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生綠色能源，充分利用太陽能資源有利于環(huán)境的改善。 太陽能資源的優(yōu)缺點及利用方式優(yōu)點：（1）普遍；（2）無害；（3）巨大； （4）長久 。 缺點： （1）分散性；（2）不穩(wěn)定性。 太陽能的利用方式 （1）太陽能的熱利用 所用設備有 平板式太陽能集熱器、真空管集熱器 、箱式太陽灶具等。 （2）太陽能的光電利用

2、 利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。 （3）光化學利用。 上面是參有5價元素磷、并依靠大量電子導電的N型半導體。下面是參有三價元素硼、并依靠空穴導電的P型半導體。界面處即為剛結。N型半導體表面布有很細的金屬柵線，另一面緊貼P型硅。為了減少反射，整個電池表面覆蓋一層透明的減反射模。太陽能電池表面結構圖 評價太陽能電池的指標 1、開路電壓（ ）：當電勢增長到正向電流恰好抵消光致電流時達到穩(wěn)定狀態(tài)，這時的電勢差稱為開路電壓。 2、短路電流 ：當外接負載很低時流過電路的電流等于光致電流，稱為短路電流。 3、填充因子（FF）：電池最大輸出功率與開路電壓與短路電流乘積的比值。實際中為0.6-0.75 。

3、評價太陽能電池的指標 4、光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)：單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到外電路的電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比。 5、能量轉(zhuǎn)換效率 ：太陽能電池的最大功率輸出與入射太陽光的能量 之比。 3、太陽能電池的分類 太陽能電池根據(jù)所使用的材料的不同，可以分為晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池、有機物太陽能電池、納米晶太陽能電池。種類材料轉(zhuǎn)換效率（） 優(yōu)點 缺點晶硅太陽能電池單晶硅24.70.5耐用、轉(zhuǎn)換效率高，技術成熟，壽命長制造能耗高，成本高，工藝復雜多晶硅20.30.5生產(chǎn)成本較低，工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)效率低于單晶硅薄膜太陽能電池非晶硅11.70.4成本低，工藝簡單，在弱光下也可以工作轉(zhuǎn)換效率偏低，且存在光

4、致衰減問題砷化鎵（GaAs）24.50.5光學帶隙十分理想，較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感材料價格不菲碲化鎘（CdTe）16.50.5效率較高，成本低廉，穩(wěn)定，易于規(guī)模生產(chǎn)原材料鎘有劇毒銅銦鎵硒（CIGS）19.50.8價格低廉，性能良好，工藝簡單銦和硒比較稀有有機太陽能電池有機物3.00.1有韌性，成本低廉，選擇余地大，加工容易，可制造面積大對光的吸收率低，導致轉(zhuǎn)換效率低納米晶化學太陽能電池染料敏化TiO210具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學穩(wěn)定性，成本低廉，工藝簡單敏化劑的制備成本高國外太陽能電池的發(fā)展趨勢(1)晶硅電池追求降低成本與制造能耗新一代多晶硅工藝技術研究空前活躍繼續(xù)向高效化

5、、薄型化和大面積方向進展降低每瓦成本轉(zhuǎn)換效率越來越高：14%18%20%；硅片面積越來越大：從103mm103mm125mm125mm156mm156mm210mm210mm（目前主流），未來兩年將達到210 mm 210 mm； 市場預測，近期薄膜電池的需求增長速度將是晶硅電池的兩倍，2013年之前薄膜硅和晶硅電池都在發(fā)展，但2013年后薄膜硅電池將成主流。（3）基于新材料、新結構和新工藝等下一代新型太 陽能電池不斷涌現(xiàn)。5、國內(nèi)太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 20032007年5年間，世界太陽能電池的平均增長速度為35，而中國太陽能電池年平均增長速度高達150%。2007年中國光伏電池年產(chǎn)量約1GW

6、，占世界的1/4，僅次于日本和歐洲位居全球第三。20062007年，陸續(xù)有10家中國光伏企業(yè)在海外上市。盡管如此，由于面臨越來越激烈的市場競爭和硅材料短缺等問題，中國的太陽能電池行業(yè)存在著嚴重的問題。 目前，太陽能電池的性能不斷改進，主要目的是降低生產(chǎn)成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率。作為太陽能電池材料，其中: （1）由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場的主導產(chǎn)品； （2）-族化合物及銅銦鎵硒（CIGS）等屬于稀有元素，盡管轉(zhuǎn)換效率高，但從材料看，該類電池不可能占據(jù)主導地位；CdTe太陽能電池受到主要原料鎘有毒的影響，他的推廣必須搭配龐大的回收體系

7、，目首前廠商投入較少。 CIGS電池的高轉(zhuǎn)換效率（目前產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率據(jù)各類薄膜電池之首）以及c-Si(含堆棧型電池)的大面積生產(chǎn)優(yōu)勢，則獲得更多廠商積極的追捧，未來也都有市場的發(fā)展空間。 納米晶太陽能電池以其高效、低價、無污染、長壽命的巨大優(yōu)勢挑戰(zhàn)未來，迅速成為廣大科學工作者研究的熱點和重點，隨著科技的發(fā)展以及研究的推進，這種太陽能電池應用前景廣闊無限。 制約太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高的內(nèi)在因素有 1、材料的光譜特性造成的限制 由于材料各自禁帶寬度的限制，入射到電池材料表面的太陽光只有一部分能被吸收而發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，且只對一種材料對應的峰值波長光子表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)換效率。如硅光電池對波長在0.3811m

8、區(qū)域的光子能有效的吸收，在峰值0.8m左右光電轉(zhuǎn)換效率最大。 2、材料內(nèi)部載流子的復合造成的限制 產(chǎn)生于P區(qū)或是N區(qū)的電子-空穴對要通過濃度梯度導致的擴散到達結界面處，之后由內(nèi)建電場把他們分開。只有滿足離PN結的距離小于它們的擴散長度，才有可能對電荷積累產(chǎn)生貢獻。 將電極作成手指狀，以增加入射光的面積。 將表面制成金字塔型的組織結構，并加入抗發(fā)射層，以減少光的反射量。 將電極均作在同一平面，可增加入射光的面積，且易于焊接。 （2）開發(fā)新材料提高轉(zhuǎn)換效率 有機材料具有柔性好、制作容易、材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢。有機太陽能電池將使太陽能的利用變的便宜與充滿前景。納米材料太陽能電池具有廉價的成本、

9、簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。 （3） 利用全新的構思來提高轉(zhuǎn)換效率 如果將搜集太陽能和完成光電轉(zhuǎn)化兩個過程進行分離，分別用一個高效的裝置去完成，將很大程度提高效率。用特殊的“聚光鏡”使吸收效率成很大倍數(shù)的增加，以及高效率的轉(zhuǎn)換器件。6、當今太陽能電池新技術（1） - 高效三階電池太陽能電池 三結GaAs電池具有很好的高溫特性，在高倍聚光時可獲得很高的輸出功率。以GaInP/GaAs/Ge為主要部件的聚光太陽能電池效率達到40%以上，空間平均效率最高超過30%。2007年8月美國能源部的20倍聚光的的三結GaAs電池轉(zhuǎn)換效率達42.8%。 （2）高效聚光多結太陽能電池 利用菲涅耳透鏡或拋物面反射鏡來

10、聚光，從而獲得高強度的太陽光，實現(xiàn)的主要技術難點是怎樣控制反射鏡來保證一直將太陽光反射到電池板上，還有就是電池板的冷卻技術（隨著溫度的升高太陽能電池的輸出效率會降低）。 據(jù)預測，使用三個以上的PN結、并改善材料與設計，將能夠達到58%的理論效率值。 在我國內(nèi)蒙古鄂爾多斯市建立的建立的聚光光伏電站，采用八面體反射鏡圍成的聚光器或稱“光漏斗”和普通光伏電池構成一個個分立的發(fā)電單元，這種新的聚光曲面和跟蹤方法比傳統(tǒng)聚光效果提高幾倍到幾十倍，并一次性實現(xiàn)了聚光與跟蹤同時進行的設計模式。 (3) 柔性CIGS太陽能電池 這種半導體材料具有轉(zhuǎn)換率高、不易老化、經(jīng)久耐用、耐放射線等優(yōu)點。由于十分輕薄，該材料

11、制成的太陽能電池可以彎曲，可應于凹凸的墻面和物體表面。通過在CIGS材料層與基板之間鋪設堿化合物硅酸鹽玻璃層，可以大幅度促進CIGS材料層的能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換率達到17.7%,創(chuàng)造了世界紀錄。 (4) 可聚太陽能的玻璃窗 麻省理工學院的科學家按特殊比例混合至少兩種涂料制成一種聚能材料，涂料涂在特殊玻璃窗或塑料嵌板上。這些涂料能一起工作以吸收大范圍的波長，然后以不同波長重新發(fā)射，并通過嵌板傳送給窗邊緣的太陽能電池上。這種可吸收大范圍波長的聚光器能使太陽能電池在每個波長上達到最優(yōu)解，大大減少了光線在傳輸途中的損失，最終由太陽能電池轉(zhuǎn)化而來的能量可達原來的十倍。 （5）印刷式太陽能電池 Nanosola

12、r采用在大氣中將銅銦鎵硒納米粉體直接噴灑于鋁箔之上，制成可彎曲的太陽能電池，藉由印刷制程，將這些粉體依正確的原子比例完整且均勻地沉積于基板上，該電池制備簡單、快速、產(chǎn)量大，所用設備便宜而且容易保養(yǎng)。由于使用了鋁箔作為基板，其導電率大大提高。 Nanosolar稱其實驗室產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率可達16，卻未公布其商業(yè)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率，外界人士估計其僅有不到10。另外，銦和硒均屬稀有真貴金屬，油墨法涂覆在鋁箔上的涂層是否能夠穩(wěn)定保持25年以及鋁是否比玻璃更好，這些都是應該擔心的問題。 (6) 半導體納米材料太陽能電池 傳統(tǒng)的太陽能電池中，一個光子只能精確地釋放1個電子，而半導體納米晶體中，一個光子可釋放出2個或2

13、個電子，這就是所謂的“雪崩效應”。釋放出的電子越多 ，太陽能電池的輸出功率越大，它的最大輸出能源效率將能達到44%。使用納米技術的新型太陽能供電系統(tǒng)，可以將回收成本的時間由原來的45年縮短至不超過1年。 同時可以將光電轉(zhuǎn)換電路印制在塑料薄膜材料上制成太陽能電池片，不僅使生產(chǎn)速度大大提高，而且印制的電路線寬僅有頭發(fā)直徑的十萬分之一，還可以卷曲，以收集更多的太陽能。 納米結構材料是在十億分之一米的尺度上制造的材料。 兩種制造太陽能電池材料的納米技術方法已經(jīng)顯示出了特別的前景，參雜和量子點敏化都增強了金屬氧化物材料對可見光的吸收，將兩種方法結合起來，整個材料的功能大于兩種獨立成分之和。 （7）分光譜

14、太陽能電池 利用光學系統(tǒng)將太陽的光譜分解成不同波長的光譜帶，分別用幾種對上述不同波長的光的光譜響應率高的半導體材料對準上述的光譜帶，從而總成一光電轉(zhuǎn)換效率高的光電池組，克服了單一半導體材料光電轉(zhuǎn)換效率低和疊層光電池半導體材料用量多，電流匹配困難，制作工藝復雜，造價昂貴的缺點。 (8) 轉(zhuǎn)換效率達42.8的超高效太陽能電池 采用一種新型的橫向光學聚焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)將入射光分成高、中、低三個不同的能量束，分別照射到不同的感光材料上，這些感光材料總的吸收光譜則覆蓋了整個太陽光譜，而且該聚焦系統(tǒng)包含一個靜止的寬接收角光學系統(tǒng)，可以捕獲大量的光能，而不需要復雜的跟蹤裝置，整個系統(tǒng)厚度不到1厘米。新型太陽能

15、電池的這種超薄、沒有活動部件的特性易被應用于筆記本電腦等便攜設備。 隨著新型太陽能電池的涌現(xiàn)，新的概念已經(jīng)開始在太陽能光伏技術中顯現(xiàn)，不從某種意義上預示了太陽能光伏技術的發(fā)展趨勢。表現(xiàn)在： （1）薄層化。促進了成本年的降低，提高光電轉(zhuǎn)換效率。 （2） 柔性化。柔性電池可以卷曲折疊，方便實用，它的最顯著的應用就是電池-服飾-一體化，嵌在服飾中的柔性電池可以全天候采光發(fā)電，為手機、mp3等數(shù)碼產(chǎn)品進行充電。 （3）疊層化。經(jīng)過疊層，太陽光可在全波段上受到較好的吸收，同時由于器件之間的耦合效應，整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達到更高水平。 太陽能電池的分光感度 太陽能電池在將光能轉(zhuǎn)換成電能的過程中，由于轉(zhuǎn)換

16、裝置的材料不同其所轉(zhuǎn)換的能量也不同，對應不同光的波長的感度特性也不同。太陽能電池對應不同光的波長的響應特性稱為分光感度特性。7、小結 近年來，太陽能電池的研究與應用無論在效率的提高、成本的降低、工藝的改進、應用范圍的擴大、新材料的采用等方面都取得了迅速的發(fā)展，太陽能電池電源以獨特的優(yōu)勢正逐步取代一些傳統(tǒng)的電源設備，在常規(guī)能源中所站的比例也逐年擴大。薄層化、柔性化和疊層化等趨勢，使得光伏電池能夠更加充分的吸收太陽光，表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)換效率，同時具備更加低廉的成本及更為廣泛的應用領域。 設計思路一、分光元件的選取：具有消相差的全息平場凹面光柵二、感光材料的選?。焊泄獠牧?光學增感劑三、電路系統(tǒng)設計（1）主控電路 完成功能：觸摸屏的控制。 處理數(shù)據(jù)，將用戶需要的結果顯示在觸摸屏上。 驅(qū)動多通道檢測器件，與采集電路進行通訊，