太阳能电池材料 第一章

3.
目前常用的结晶硅电池的发电受天气影响较大，在弱光、晨昏与阴
雨天时，电量会降低。
4.
。。。
但是：各国对太阳能电池都有较大的补助政策，太阳能电池的技术
开发进展很大，太阳能电池成本逐渐降低，新型适合各种需求的太阳 能电池也逐渐被开发并走向产业化。太阳能电池拥有极大的发展空间。
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1.3 太阳光的使用与光电转换
20. 1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
22. 1977年世界光伏电池超过500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W. E. Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅(a-Si) 太阳能电池。 23. 1984年面积为929c㎡的商品化非晶硅太阳能电池组件问世。 24. 1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W；澳大利亚新南威尔土大学 MartinGreen研制单晶硅的太阳能电池效率达到20%。
因此可将发电与照明相结合。高效率、低重量、耐辐射特性，是目 前太空卫星及聚光太阳能电池的主流。
3.
缺点：生产设备与材料昂贵， 大面积制备困难；聚光型砷 化镓的成本极高，每瓦成本 是其他电池的百倍以上。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
II-VI族化合物太阳能电池： → 主要有CuInGaSe2 (CIGS)、CuInSe2、CdTe等.
无转动组件，无噪声。
3. 4. 机械磨损较少，可使用20年以上。 太阳能可以直接将光能转换为直流电能，发电规模弹性较大。
5.
6. 7.
太阳能电池种类众多，外形、尺寸可随意变化，应用广泛。
可与建筑物相结合。 。。。
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1.2 能源现状与可再生能源
太阳能电池及其模块在使用上的缺点：
1. 2. 目前成本相对昂贵。 转换效率只有15-20%，大规模发电需要较大的面积。
太阳能电池材料
宋丹丹
dandsong@gmail.com
主楼B605
1
课程介绍
太阳能电池材料是新能源材料与器件专业本科生的专业必 修课。其预修课程有固体物理、半导体物理、材料分析方 法等。本课程的目的在于使学生理解典型太阳能电池原理
及所用功能材料特性，了解太阳能电池材料的特点和制备
技术，掌握太阳能电池材料的特性、结构和技术要求，为 今后的学习和工作打下基础。
1.
2. 3. 4. 5.
发展太阳能电池的必要性。
太阳能电池的发展历史。 太阳能电池的种类与性能。 各种太阳能电池的优缺点。 太阳能电池的发展现状与研究重点。
8
1.2 能源现状与可再生能源
全球变暖：
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1.2 能源现状与可再生能源
能源危机：能源需求增长，传统能源面临枯竭
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1.2 能源现状与可再生能源
3.
4.
《半导体器件导论》，Donald A. Neaman，清华大学出版社， 2006
《纳米材料与太阳能利用》，沈辉等，化学工业出版社，2012
5
课程介绍
太阳能电池材料课程结构：
1. 2. 以不同类型电池材料为主线。 针对特定类型电池，讲述所用材料的制备技术、性能及器件性能等
相关知识。
3. 学习重点：
3.
1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。
4.
1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合在一起具有光
敏特性；德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应 的论文。
5.
1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。
缺点：技术不成熟，商业化模块效率低； 封装较为复杂；稳定性较差。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
太阳能电池的发展
1. 1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简 称为光伏效应。
2.
1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第
一片硒太阳能电池。
内处置投射在单位面积上的太阳辐射能，用I表示，单位为
cal/(cm*min)。达到地球大气顶端的太阳辐射强度，主要由以下因素 决定：日地距离、太阳高度、日照时间。
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1.3 太阳光的使用与光电转换
பைடு நூலகம்18
1.3 太阳光的使用与光电转换
太阳光的光电转换：太阳光照射到可吸收光谱的半导体光电材料
后，光子将会以电子/空穴的方式输出。在光电转换过程中，吸收的光 谱能量由吸收材料的所决定。 ☼ 光伏转换
太阳辐射与吸收：黑体辐射，太阳表面温度为6000K左右，地球大
气中所产生的各种物理过程和物理现象，都直接或者间接地依靠太阳 辐射的能量进行。 ☼ 地球所接收的太阳能量换算成电力表示约为1.77*1014KW，这大概是 全球平均年消耗电力的100000倍。
太阳辐射强度：表征太阳辐射能强弱的物理量，即表示单位时间
可再生能源种类：太阳能、风能、生物质能、地热能、海水温差等。
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1.2 能源现状与可再生能源
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1.2 能源现状与可再生能源
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1.2 能源现状与可再生能源
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1.2 能源现状与可再生能源
太阳能电池及其模块在使用上的优点：
1. 2. 对于人类历史而言，太阳能取之不尽、用之不竭。 太阳能的提供无需任何能源运转费，无需燃料，无需废弃物与污染，
（Photovoltaic）：
Photo-光，voltaic-电
太阳能电池：是一
种光电转换的器件，经
太阳光照射后可以把光 的能量转换为电能。
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1.3 太阳光的使用与光电转换
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1.4 太阳能电池的种类和发展
太阳能电池种类很多，以材料（光吸收材料）分主要可分 为：
晶体硅 多晶硅晶片 硅 非晶 单晶硅晶片 模块效率15-17% 模块效率13-16% 模块效率6% 模块效率10-13%
平时成绩：出勤情况+作业。不定期点名！（迟到15min算
旷课）每章结束将会有作业。
期末成绩：闭卷考试，考察平时学习的内容。
学时数： 64学时 学分数： 4 学分
4
课程介绍
推荐教材和参考书目
1. 2. 《太阳能电池 材料●制造 ●检测技术》，翁敏航，科学出版社，2013 《太阳能电池基础与应用》，熊少珍，朱美芳，科学出版社，2009
10. 1933年L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文
11. 1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。 12. 1953年Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光普的具有不同 带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
① 材料的制备技术
② 材料结构、物理化学性质
③ 材料对电池性能的影响
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第一章 太阳能电池材料概论
1.1 章节重点与学习目标 1.2 能源现状与可再生能源 1.3 太阳光的使用与光电转换 1.4 太阳能电池的种类和发展 1.5 太阳能电池的其他信息
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1.1 章节重点与学习目标
介绍发展太阳能电池材料的原因、太阳能电池材料发展历 史及分类、太阳能电池材料的发展现状与研究重点。学生 在学完本章课程后需了解：
25. 1991年瑞士Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达
到7%。 26. 1999年美国NREL的M. A. Contreras等报道铜铟锡（CIS）太阳能电池
效率达到18.8%；非晶硅太阳能电池占市场份额12.3%。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
27. 2000年WuX.，DhereR.G.，AibinD.S.等报道碲化镉（CdTe）太阳能 电池效率达到16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。 28. 2003年德国FraunhoferISE的LFC（Laserfired-contact）晶体硅太阳能 电池效率达到20%。 29. 2004德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太 阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS
1. 效能：模块效率CIGS>12%,CdTe>10%。
2.
3.
优点：CIGS可通过卷印制备用于柔性基板生产。
缺点：材料部分成本毒性高，存在严重环保问题；部分原料储量有 限；CIGS大面积材料制备困难度较大。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
染料敏化太阳能电池： → 染料吸收太阳光
1. 效能：实验室效率最高>15%。模块开发中。
3.
缺点：非晶硅电池效率较低，且稳定性差；镀膜设备技术门槛高； 整厂输出的设备价格高。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
III-V族化合物太阳能电池： → 主要有GaAs、GaInP等
1. 效能：聚光型GaAs是目前效率最高的，大于30%。
2.
优点：GaAs效率大部分超过20%以上；器件制备类似与发光二极管，
2
课程介绍
太阳电池材料概论、太阳电池材料的半导体物理基础、太 阳电池材料分析技术、太阳电池的基本原理与测试方法、 晶体硅太阳电池材料、染料敏化/有机聚合物/钙钛矿太阳
电池材料、硅基薄膜太阳电池材料、III-V族化合物太阳电
池材料、 铜铟镓硒薄膜太阳电池材料等。
3
课程介绍
讲授方式：以课堂讲授为主。 考核方式：考核方式为考试。综合成绩根据平时成绩和期 末成绩评定，平时成绩占30% ，期末成绩占70% 。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
6. 1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理 论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。 7. 1930年B.Lang研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池” 论文； 8. 9. W.Schottky发表“新型氧化亚铜光电池”论文。 1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象。
流效应”的文章。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
17. 1957年Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D. M. Chapin, C. S. Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器件”专利权。 18. 1958年美国信号部队的T.Mandelkorn制成n/p型单晶硅光伏电池，这 种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅 电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电 池100c㎡，0.1W,为一备用的5mW话筒供电。 19. 1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过 用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共 用9600片太阳能电池列阵，每片2c㎡，共20W。
20年。
3.
缺点：能源回收周期较长；硅片不透光，不适于建筑一体化应用。
硅晶片型太阳能电池制备
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1.4 太阳能电池的种类和发展
硅基薄膜太阳能电池： 非晶、微晶、多晶、结晶
1. 效能：非晶较低～6%；结晶模块效率10-13%。
2.
优点：制备与模块一体成型，适合建筑一体化使用；制备与设备技
术发展较快；可大面积且定制化生产，也可制作柔性电池。
2.
3.
优点：材料成本低；制备简单；可大面积制备；可柔性。
缺点：技术不成熟，商业化模块效率低； 封装较为复杂；稳定性较差。
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1.4 太阳能电池的种类和发展
有机聚合物太阳能电池： → 采用有机聚合物PCBM/P3HT等
1. 效能：实验室效率最高>10%。模块开发中。
2.
3.
优点：材料成本低；制备简单；可大面积制备；可柔性。
硅基薄膜
III-V族化合 物 铜铟镓硒 染料敏化
多晶 微晶
太阳能电池
化合物
模块效率大于12%
有机
有机聚合物
模块开发中
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1.4 太阳能电池的种类和发展
晶体硅晶片型太阳能电池： 单晶硅芯片与多晶硅芯片
1. 效能：单晶硅芯片效率高；多晶硅成本较低。
2.
优点：可量产，是目前市场主流；模块稳定，使用期限长，一般可达
13. 1954年RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉的光伏现象， (RCA:RadioCorporationofAmerica,美国无线电公司)。 贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道 4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。 14. 1955年西部电工（WesternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利， 在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2% 的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于 1785USD/W。 15. 1956年P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电