1 薄膜电池、化合物电池及新概念 电池 1 1 2 思考题： 1 薄膜太阳电池的优点是什么？第三代太阳电池的特征 是什么？ 2 目前商品化化合物太阳电池的种类是什么？ 3 简述太阳电池的结构 4 纳米敏化太阳电池工作原理 3 第二代太阳电池薄膜太阳电池 硅基薄膜太阳电池 化合物半导体薄膜电池 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池) 第三代太阳电池-新概念太阳电池 4 Thin film solar cell modules Examples Amorphous silicon Microcrystalline silicon CIGS CdTe Very thin layers on a carrier Glass Plastic Metal Support structure, glass plastic or metal Contact layer Absorbing layer Contact layer 5 Thin Film Solar Cell Basics Manufacturing Order Thin Film Solar Cell Structure Thin Film Solar Panels Glass Lamination Back Contact PV Material Front Contact Glass Thin Films 6 硅基薄膜太阳电池 1)非晶硅(a-Si)太阳电池 a-Si 是Si-H(约10)的一种合金。 1976年RCA实验室D.Carlson和 C.Wronski 7 优点： 资源丰富，环境安全； 光的吸收系数高，活性层只需要1m 厚，省材料； 沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、 不锈钢和塑料膜上等。 电池/组件一次完成，生产程序简单。 缺点： 效率低 不稳定 光衰减(S-W效应)。 8 硅薄膜电池实验室效率： 初始 稳定 单结： 12 68 双结： 13 10 三结： 15.2% 13 商业化电池效率： 单结： 36 双结： 8 三结： 10 12 9 PECVD deposition of Si based thin films can be easily scaled up can be used in roll-to-roll lines Schematic representation of PECVD reactor Different materials can be deposited just by changing of gas mixture SiH4 GeH4 Ar SiF4 CH4 H2 TMB B2H6 PH3 NH3 to pumping system RF power substrate heater Plasma gases 10 a-Si is deposited by PECVD at 0.1 nm/sec It takes 50 min to deposit 0.3 mm. 25MW pilot plant Scale-Up of Deposition to 5.7 m2 Glass Size 11 非晶矽薄膜太陽電池“Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell”UniSolar and 12 13 我国非晶硅电池研究在上世纪80年代中期形成了高潮， 30多个研究组从事研究。实验室初始效率810； 80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国Chrona公司引进了 1MW生产能力的单结非晶硅生产线，稳定效率5左右。 2000年，以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池研究 被列入国家“973”项目，我国非晶硅电池的又进入一个新的 研究阶段。 目前太阳电池公司双结效率810，稳定效率8? 14 1414 15 2) 多晶硅薄膜电池 高温技术路线以RTCVD为代表 优点；薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易 作出高效率电池， 缺点：工艺温度高1000，衬底难解决。 衬底材料：陶瓷，石墨，硅片。 16 低温技术路线以PECVD为代表 优点：工艺温度低，200300， 衬底容易获得：玻璃，不锈钢等； 缺点：薄膜质量低，晶粒小，纳米极。 日本Kaneka公司PECVD玻璃衬底 pin结构的多晶硅薄膜电池，效率10； 南开大学结合“ 973” 项目PECVD 实验室小面积电池正在研制(6%)。 17 硅球太阳电池。 这种电池是由在铝箔上形成连续排列的硅球所组成的 ，硅球的平均直径为1.2mm，每个小球均有p-n结，小球 在铝箔上形成并联结构。实验室效率达到10%。 硅球电池在技术上有一定的特色，但规模化生产仍存 在许多技术障碍。 18 化合物半导体薄膜电池 GaAs, CdTe, CuInGaSe等的禁带宽度在11.5eV, 与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料 ，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚就能吸收阳光 的绝大部分，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材 料。 GaAs电池主要用于空间，CdTe 和CIS电池被认为是 未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因 此成为最热的两个研究课题。 19 1) CdTe电池 CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV, 理论效率28%，性 能稳定，一直被光伏界看重。 工艺和技术近空间升华(CSS),电沉积，溅射、真空蒸发， 丝网印刷等；实验室电池效率17%； 商业化电池效率平均14； CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场 份额为0.3。 20 Inorganic Thin Film Solar Cells CdTe CIGS (CuInGaSe2) amorphous Si A thin film of semiconductor is deposited by low cost methods. Less material is used. Cells can be flexible and integrated directly into roofing material. Glass Superstrate Transparent Conducting Oxide N-type CdS P-type CdTe Metal 38 um 0.1 um 0.05 um 1000 um 21 染料敏化TiO2太阳电池 染料敏化TiO2电池实际是一种光电化学电池。早期的TiO2 光电化学电池稳定性差、效率低。1991年瑞士Grtzel 将 染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池 前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到 11. 22 染料敏化太阳能电池发电过程 1.染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态 dye(S) + light dye*(S*) 2.激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带 dye*(S*) + TiO2 e-(TiO2) + oxidized dye(S+) 3.染料中失去的电子則很快从解質中得到补偿 oxidized dye(S+) +3/2 I-(A-) dye(S) + 1/2I3-(A) 4.进入TiO2导帶中的电子最終進入導電膜，然後通過外回路 產生光電流。 1/2I3-(A) + e-(counter electrode) 3/2I-(A- ) 半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化 太阳电池的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并 将激发态染料注入到电子传输到导电基底。 主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS， Fe2O3和SnO2等。 DSSC 电池结构和组成TiO2光电阴极 23 电子能级的不连续性 量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应 纳米微粒的基本性质 TiO2光电阴极 DSSC 电池结构和组成 24 其次，染料分子应含有大 键、高度共轭、并且有强的 给电子基只有这样染料分子的能级轨道才能与纳晶 TiO2 薄膜表面的O -离子形成大的共轭体系，使电子 从染料转移到TiO 2薄膜更容易，电池的量子产率更高 再次，染料在可见光区有较强的吸收，尽可能宽的吸 收带，从而吸收更多的太阳光，捕获更多的能量，提 高光电转换效率除了以上三点外，还要求染料能够 快速吸附到TiO2 的孔道中，且不易脱附. 染料 DSSC 电池结构和组成 25 染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成： 透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电 极 DSSC 电池结构 26 导 电 玻 璃 二 氧 化 钛 染 料 电 解 液 碳 电 极 导 电 玻 璃 DSSC 电池原理 27 l高能量转换效率 l低成本 l原料丰富 l在颜色的调控、适应 消费者方面具有很大 的潜力 l 无污染 l可再生性好 DSSC 的特点 28 29 我国“ 十五” 列入“ 973 ”重大课题 中科院等离子物理所、化学所、物化所，实验室小面积 电池效率10。 中科院物理所、化学所的固态电解质电池列入“ 863 ”，效 率5。 30 太阳电池的未来发展趋势 商业化趋势 1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电 池。 从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。 非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场 份额先高后低。 CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢， Cd的毒性是原因之一； CIS电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有 元素； Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速。 31 太阳电池技术发展趋势思考 新概念太阳电池 1.硅基电池: 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富 (以石英砂形式存在)； 环境友好； 电池效率高，性能稳定； 工艺基础成熟。 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点 晶硅电池的产业化技术 硅基薄膜电池 32 结 晶 完 美 化 程 度 电 池 效 率 增 加 趋 势 电池状况/技术实验室 商业化 单晶硅(体)商业化生产,280-350m24.71517 多晶硅(体) 商业化,280-350m19.81315 带硅,AES商业化,八面体,300,400m161214 带硅Evergrn中试,单面,300-400m16.21214 带硅中试,EBARA,单面,30