《新能源材料与器件》教学课件—02太阳能电池材料与器件.pptVIP

太阳能电池材料与器件;光电转换理论;晶体硅太阳能电池原理图;太阳能电池的发电过程;太阳能电池的分类;第一代太阳能电池单晶硅的实验室效率已经达到25.6 %，但由于其禁带宽度仅有1.12 V，因此已经非常接近其29 %的理论极限，同时晶体硅生产过程中伴随的重污染和高能耗问题也导致其价格较为昂贵，尽管经过多年的发展，太阳能电池组件的成本已经降低至目前的约0.6美元/W[7]，但与传统能源相比仍有较大差距。 第二代太阳能电池是指以薄膜技术为核心的非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）等电池，这些材料大多为直接带隙半导体，具有较高的吸光系数，因此可以通过薄膜技术大大降低活性材料的使用量而降低成本，但效率及寿命相对晶体硅而言也逊色很多，即通过牺牲效率来换取成本。同时薄膜电池目前仍大多采用真空蒸镀的方法制备，生产成本很高，质量也很难控制，仅有少量实现了规模化产业应用，除此之外，镉污染和铟资源的稀缺也制约着其进一步的应用和发展[8]。 第三代太阳能电池是指突破传统的平面单pn结结构的各种新型电池，这类电池通过引入多pn结叠层、介孔敏化、体相异质结等新型结构以及新型材料以获得低成本、高效率的太阳能电池，代表了太阳能电池未来的发展方向。目前主要包括叠层电池（Tandem）、染料敏化电池（Dye-sensitized）、有机光伏电池（Organic）、量子点电池（Quatuam dots）以及最新的钙钛矿电池（Perovskite）等。;硅太阳能电池---从沙子到单晶硅太阳能电池片;提纯;拉单晶;清洗与制绒;扩散制结;去磷硅玻璃;制备减反射膜;制作电极;器件;太阳能电池片的工作电压只有0.4-0.5V，而且由于制作太阳能电池的硅片的尺寸通常是固定的，使得单个太阳能电池片的功率很小，远不能满足很多用电设备对电压、功率要求，因此需要根据要求将一些太阳能电池片进行串、并联。此外，太阳能电池片机械强度很小，很容易破碎。太阳能电池若是直接暴露制作大气中，水分和一些气体会对电池片产生腐蚀和氧化，时间长了甚至会使电极生锈或脱落，而且还可能会受到酸雨、灰尘等的影响，这使得太阳能电池??需要与大气隔绝。因此，太阳能电池片需要封装成太阳能电池组件。;封装;太阳能电池组件的封装即是将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、勃结性好的热熔型EVA胶膜包封；用透光率高且耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的聚氟乙烯复合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板， 通过相关工艺使EVA胶膜将电池片、上盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个实用的太阳能电池发电器件，即太阳能电池组件或光伏组件，俗称太阳能电池板。;封装;光伏系统;光伏系统应用;并网系统;独立系统;混合系统;多晶体硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料，其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低，目前仅为18％左右。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的不同之处在于电池的表面存在多种界面，与单晶硅的<100>晶面相比，得到理想的绒面结构比较困难，因此要有多种形式的减反射处理。;因此要有多种形式的减反射处理。多晶硅太阳能电池板由厚度350~450μm的高质量硅片组成，图3-18展示了这一过程。;改良西门子法 西门子法是以HCl（或Cl2）和冶金级工业硅为原料，在高温下合成为SiHCl3，然后对SiHCl3进行化学精制提纯，接着对SiHCl3进行多级精馏，使其纯度达标，最后在还原炉中1050℃的芯硅上用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原而生长成高纯多晶硅棒。;流态床反应法;非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池的优势是硅资源消耗少、生产成本低，近年来发展迅速。非晶硅对太阳光的吸收系数大，因此非晶硅太阳能电池可以做得很薄，膜厚度通常为1~2μｍ，仅为单晶硅和多晶硅电池厚度的1/500。 非晶硅中原子排列缺少结晶硅中的规则性，往往在单纯的非晶硅p-n结构中存在缺陷，隧道电流占主导地位，无法制备太阳能电池。因此要在p层和n层中间加入本征层i，形成p-i-n结，改善了稳定性和提高了效率，同时扼制了隧道电流。如果制成p-i-n／p-i-n／p-i-n的多层结构便形成叠层结构，在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和可靠性方面，叠层太阳能电池是一个重要的发展方向。;当入射光通过p+层后进入i层，产生e-h对时，光生载流子一旦产生便被p-n结内建电场分开，空穴漂移到p边，电子漂移到n边，形成光生电流IL和光生电动势UL。UL与内建电势Ub反向。当||UL||=||Ub||达到平衡时，IL=0，UL达到最大值，称之为开路电压Uoc。当外电路接通时，则形成最大光电流