太阳能电池研究进展.ppt

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1、 太阳能电池材料的研究进展 其 6% 2% 17% 75% 其 煤 石油 天然气 其他 中国 10% 24% 40% 26% 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 白皮书 CxHy + O2 H2O +

2、 CO2 + SO2 + NOx 同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点 能源枯竭的威胁可能来的更早 人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占 世界人均量的 17.1和 13.2 ； 加之能源利用技术落后，效率低下，能 耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早 能源供需缺口将越来越大 2020年全国需求量 27亿吨 TOE，尚缺 4.8亿吨标煤； 2050年一次需 求量达到 40亿吨标煤，缺口达 10亿吨标煤，短缺 25以上 过度依赖煤炭，环境影响更加严重 煤炭几乎满足了我国一次能源需求的 70， 66的城市大气颗粒物 的含量和 22的城市的

3、二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在 冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的 2倍。 环境专家估计，大气中 90的二氧化硫和 70的烟尘来自于燃煤 煤废料的处理仍是问题 煤炭 开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞 灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持 续发展的一个制约因素 石油短缺，对外依存度加大 1993年我国成为石油净进口国， 2001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

4、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 太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！ 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

5、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

6、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。 办公楼与玻璃幕墙一体化的 PV 太阳能屋顶系统 无机太阳能电池 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

7、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 。 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 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 、

8、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 名称 禁带宽度 ( e V ) 转换效率 应用实况 单晶硅 1 . 1 2 24 .4 用于空间及地面太阳电池 多晶硅 1 . 1 2 18 与单晶硅占市场 7 0 8 0 % 非晶硅 1 . 5 2 . 0 13 占市场 1 0 2 0 % 消费电子 , 能源 复合 型 1 7 . 3 已 商业 化 C d T e 1 . 4 4 15 与 C d S 结合构成的太阳电

9、池已商业化 C u I n S e 2 1 . 0 4 17 探索大面积应用批量生产技术 G a A s 1 . 4 2 3 7 . 4 已开始用于空间太阳电池 I n P 1 . 3 5 1 9 . 1 耐辐射性能优异 , 处于研究开发阶段 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 单晶硅太阳能电池 多晶硅

10、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： 产量 比例 % 增长 % mc-Si 669.1 5 56.0 46.8 sc-Si 343.4 5 28.7 71.3 a-Si 64.60 5.4 49.2 a-Si/scSi 60.00 5.0 100 Ribbon 41.00 3.4 502.9 CdTe 13.00 1.1 333.3 CIS 3.0 0.3 -25.0 太阳能用硅材料的生产工艺 1-1 单晶锭 1-1-1 CZ法 1-1-2 FZ法 1-2 多晶锭 1-2-1 铸造多晶硅 1-2-1 EMC多晶硅 1-3

11、 非晶硅 太阳能用硅材料的生产工艺 CZ法 来源： CGS 太阳能用硅材料的生产工艺 CZ法 1 熔化 2 稳定 3 引晶 4 缩径 5 放肩 6 等径 来源： CGS 太阳能用硅材料的生产工艺 FZ法 FZ 来源： CGS 太阳能用硅材料的生产工艺 多晶浇注法 由于铸锭中采用低成本的坩埚及脱模涂料， 对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（ EMC） 被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加 到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷坩埚通过电磁力保 持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。目前该工艺 已铸出截面为 220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯 度比常规硅锭高。 我国可生产出 220m

12、mX220mmX140mm 的硅锭。 太阳能用硅材料的生产工艺 多晶浇注设备 HEM DSS 太阳能用硅材料的生产工艺 方法比较 Method Width （ cm） Weight (kg) Growth Rate (mm/min) Growth Rate (kg/h) Throughput (m2/day) Energy Use (kWh/kg) Energy Use (kWh/ m2) Efficiency (Typical, best) FZ 15 50 2-4 4 80 30 36 18, 24 CZ 15 50 0.6- 1.2 1.5 30 18-40 21-48 15, 20 D

13、S (定向结晶 ) 69 240 0.1- 0.6 3.5 70 8-15 9-17 14, 18 EMC (电磁铸造 ) 35 400 1.5-2 30 600 12 35 30% R M = H2, Zn, AlCl Sayama K, et al Chem. Commun., 2000, 1173. N S C H C H N S O S C 1 8 H 3 7 C O O H Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall =4.2% 纯有机染料系列 （半菁染料衍生物） Hara K, et al New J. Chem., 2003,

14、 27, 783. O C N C O O H N O ON O S S H O O C C N 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） e- e- h+ h+ TiO2 CdS A B B- (a) A+ h h 无机化合物染料系列 h+ TiO2 CB VB e- e- h+ h+ A+ A 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 ，

15、 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 。 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

16、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 （孔径 气孔率） 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 固 态 空 穴 传 输 材 料 Grtzel 等人在 1998 年用 2 ,2,7 ,7-四 (N ,N-二对甲氧基苯 基氨基 )- 9 ,9-螺环二芴 (OM

17、eTAD ,如下图所示 ) 作为空穴传 输材料 ,得到了单色效率高达 33 %的电池 。 Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583 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 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 第一步：二氧化钛膜的制备 把二氧化钛胶体涂敷 在透明导

18、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 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

19、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

20、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

21、月 ， “ 低价 、 长寿新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 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

22、。 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 0 7 V 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/Mg Voc=1.2V =1 。 高分子光电转换材料 基团修饰： PPV MEH-PPV Ca/MEH-PPV/ITO Voc =1.6V Jsc 6Acm 2 = 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

23、 电子给体（ D） MEH-PPV 电子受体（ A） C60 Voc 0.8V Jsc 1.53mAcm 2 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/Al Voc 0.6V 6 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 光伏产业价值链