太阳能电池课件完整版

2011SolarDecathlonontheNationalMall‘sWestPotomacPark美国西波托马克河公园太阳能全能房屋赛（2011年9.23—10.2）NewZealand“FirstLight”这是中国代表队以及他们的设计一、太阳能电池概念•概念：太阳能光电池简称为太阳能电池或太阳电池，又称为太阳能晶片。太阳能电池是一种由太阳能转变为电能的器件（光电半导体薄片）•分类：单晶硅电池；多晶硅电池；非晶硅电池；碲化镉电池；铜铟硒电池等。二、太阳能电池的原理太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应将太阳辐射直接转换电能。光伏效应：某些半导体材料的p-n结，在光照射下形成光生电动势的现象太阳能电池发电的原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：•图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。•P型N型•当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。•由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。•另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃（1埃=10-10米）左右。将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。•太阳能电池板三、太阳能电池的不同材料和技术Source:StrategiesUnlimited,2005全球光伏电池行业在2010年爆发。原因有两点：一、多晶硅价格下跌，大大刺激市场需求；二、各国补贴政策面临调整。下表为全球16家光伏cell/moudle厂家2009年上半年与2010年上半年收入对比太阳能电池的分类•（1）硅太阳能电池•硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。•单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜单晶硅太阳能电池的替代产品。•多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。•非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池主要发展产品之一。•（2）多元化合物薄膜太阳能电池•多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓（GaAs）III-V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉(CdTe)及铜铟硒薄膜电池等。•硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。•砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。•铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。•（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池•以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。•（4）纳米晶太阳能电池•纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。•（5）有机太阳能电池•有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等四、太阳能电池的应用太阳能电池在航天、军事、工业、农业、民用等诸多领域有着广泛的应用，且前景广阔。太阳能汽车太阳能路灯PVAPPLICATION五、太阳能电池遇到的挑战•接受太阳辐射的面积；•气候的影响；•硅片的价格及硅片的加工技术。谢谢！