太阳能光伏发电电池09应用化学一班毕新英学号：0914131001太阳能电池定义太阳能电池定义太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史太阳能电池的市场状况及趋势太阳能电池的市场状况及趋势太阳能电池的分类太阳能电池的分类太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的应用太阳能电池的应用太阳能电池的研究难点太阳能电池的研究难点与与趋势趋势太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的定义定义 太阳能电池是通过太阳能电池是通过光电效应光电效应或者光化学效应直或者光化学效应直接把光能转化成接把光能转化成电能电能的装置。以的装置。以光电效应光电效应工作的工作的薄膜薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。多晶硅太阳能电池太阳能电池板国际空间站太阳能电池板太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的发展历史以太阳能发展的历史来说，光照射以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的到材料上所引起的“ “光起电力光起电力” ”行行为，早在为，早在1919世纪的时候就已经发世纪的时候就已经发现了。现了。18391839年，光生伏特效应第一次由年，光生伏特效应第一次由法国物理学家法国物理学家A.E.BecquerelA.E.Becquerel发现。发现。到了到了19301930年代，光起电力行为原年代，光起电力行为原理广泛地使用于照相机的曝光计。理广泛地使用于照相机的曝光计。19461946年年Russell OhlRussell Ohl申请了现代太申请了现代太阳电池的制造专利。阳电池的制造专利。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的市场状况及趋势太阳能电池的市场状况及趋势太阳能电池的应用现状 2010 2010年全球累计装机容量为年全球累计装机容量为25.4GW25.4GW，预计预计20202020年达到年达到278GW278GW，20302030年达到年达到1864GW1864GW。全球太阳能电池产量以全球太阳能电池产量以年均复年均复合增长率合增长率47%47%的速度迅猛增长的速度迅猛增长。目前，许多国家正在制订中长期目前，许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在太阳能开发计划，准备在2121世纪世纪大规模开发太阳能，大规模开发太阳能，美国能源部美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。出的是阳光计划。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池装机容量和发电量太阳发电系统装机容量太阳发电系统装机容量太阳发电系统装机容量太阳发电系统装机容量电池板面积电池板面积电池板面积电池板面积 日照强度日照强度日照强度日照强度 光电转换效率光电转换效率光电转换效率光电转换效率日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：日照强度：太阳光照射在单位面积的能量强度，单位：W/mW/m2 2光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体光电转换效率：太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率。晶体硅目前的效率约为：硅目前的效率约为：硅目前的效率约为：硅目前的效率约为：13-16%13-16%太阳发电系统发电量太阳发电系统发电量太阳发电系统发电量太阳发电系统发电量装机容量装机容量装机容量装机容量 有效日照时间有效日照时间有效日照时间有效日照时间 综合系数综合系数综合系数综合系数综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变综合系数：考虑到电池板的安装角度（水平、垂直方向）、逆变器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的器的逆变损失、电力传输的线损、局部阳光遮挡等因素，最终的系统发电效率因数系统发电效率因数系统发电效率因数系统发电效率因数太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池各国太阳能的发展趋势 美国继国家美国继国家“ “光伏计划光伏计划” ”后，还推出了后，还推出了 太阳能路灯太阳能路灯计划计划, ,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电根据计划，每盏路灯每年可节电 800 800 度。度。 日本也正在实施太阳能日本也正在实施太阳能77万套工程计划万套工程计划 ， 日本准备日本准备普及的太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的普及的太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电力太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电公司。一个标准家庭可安装一部发电30003000瓦的系统。瓦的系统。 日本、日本、韩国韩国以及欧洲地区总共以及欧洲地区总共8 8个国家决定携手合作，个国家决定携手合作，在亚洲在亚洲内陆内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能太阳能发电站发电站，他们的目标是将占全球陆地面积约，他们的目标是将占全球陆地面积约1/41/4的沙漠地的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为区的长时间日照资源有效地利用起来，为3030万用户提供万用户提供100100万千瓦的电能。万千瓦的电能。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池定义和分类太阳能电池定义和分类分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为和非结晶系薄膜式（以下表示为a-a-）两大类，而两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。前者又分为单结晶形和多结晶形。 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：池可分为：硅太阳能电池硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳、多元化合物薄膜太阳能电池、能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳、纳米晶太阳能电池、米晶太阳能电池、有机太阳能电池有机太阳能电池、塑料太阳能、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。在应用中居主导地位。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池硅太阳能电池 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%（截止2011，为18%）。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做为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%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 太阳能单晶硅片 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。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池非晶硅太阳能电池 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的主要发展产品之一。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的工作原理及结构太阳能电池的工作原理及结构原理 太阳光照在半导体太阳光照在半导体p-np-n结结上，形上，形成新的空穴成新的空穴- -电子对，在电子对，在p-np-n结光照结光照的作用下，光生空穴由的作用下，光生空穴由n n区流向区流向p p区，光生电子由区，光生电子由p p区流向区流向n n区，接区，接通电路后就形成通电路后就形成电流电流。这就是。这就是光光电效应电效应太阳能电池的工作原理。太阳能电池的工作原理。 太阳能发电有两种方式，一种是太阳能发电有两种方式，一种是光光热热电转换方式，另一种是电转换方式，另一种是光光电直接转换方式。电直接转换方式。 太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的结构玻璃盖板：用来将电池与元件分开，以保护电池。负电极：主要起导电作用。通常制作为金属接触网状，它可缩短电子移动的距离同时只覆盖电池表面的一小部分，以便太阳光能照射到半导体材料并且减少反射造成的损失。即使是这样，有些光子也会被网格阻止；网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。反射防止膜：硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的应用目前，太阳能电池的应用已从军事领域、目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天航天领域进入工领域进入工业、商业、农业、业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的用，以节省造价很贵的输电线路输电线路。但是在目前阶段，它的。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出成本还很高，发出1kW1kW电需要投资上万美元，因此大规模电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。使用仍然受到经济上的限制。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池的研究难点与进展太阳能电池的研究难点与进展太阳能电池研究难点1 1、太阳能光谱中能量（、太阳能光谱中能量（hvhv）小于）小于EgEg的光子不能被吸收，充的光子不能被吸收，充电池中透过。电池中透过。2 2、能量大于、能量大于EgEg的光子被吸收后激发出热载流子，超过的光子被吸收后激发出热载流子，超过EgEg的的能量（能量（hv-Eghv-Eg）很快以热能的形式释放掉了。）很快以热能的形式释放掉了。3 3、光生载流子的辐射，即太阳能电池在吸收太阳光的同时、光生载流子的辐射，即太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光。也向外辐射光。4 4、在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部条件（如：、在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部条件（如：表面反射、串联电阻、晶格缺陷）的影响，是转换效率降表面反射、串联电阻、晶格缺陷）的影响，是转换效率降低。低。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能电池研究趋势 目前，单结GaAs实验室纪录效率为26.1%该值已经接近于理论极限31% 。但是从太阳能的利用率来讲还是比较低。为了研制高校太阳能电池技术，必须突破单结电池效率的主要限制，即上述（1）和（2）两点造成的损失。 为此，研究者提出了一系列的新型电池设计方案：多结层电池、中间带电池、多激子产生电池、热载流子电池、热光伏电池等。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池纳米太阳能电池 以TiO2纳米多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os等有机金属化合物光敏化染料，选用适当的氧化-还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO2纳米金属太阳能电池，其光电转换性能非常类似液态电解质太阳能电池。太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能纤维电池 最新报道，复旦大学彭慧胜教授课题组新研制出的取向碳纳米管纤维，基于这一技术可以制成一根根像头发丝一样细的纤维状太阳能电池，其直径只有60-100微米（1毫米=1000微米）。纤维状，意味着可以把它们像普通化学纤维一样编织成衣服、裤子等纺织品，让衣服像一块大太阳能电池，实现自身“发电”。取向碳纳米纤维管太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池太阳能光伏发电电池