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太阳能电池,启明物理0901班 庞贵明,导读,太阳能电池的产生背景 太阳能电池的发展历程及现状 太阳能电池的原理 太阳能电池的分类 结束语,太阳能电池的产生背景,自从两次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛地应用到生产生活的各个方面。随着社会经济的不断发展和人类文明的不断进步，人类对能源的需求量不断飞速增长。 然而，这些曾经被人们广泛应用并且现在还在被使用的基本都是不可再生能源。其有限的储量与人类无限的需求之间构成了不可调和的矛盾。 其次，煤、石油、天然气等化石燃料燃烧后会产生大量的二氧化碳气体，造成温室效应，加速全球气候变暖，给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。,太阳能电池的产生背景,再者，这些不可再生能源的大量使用，还会产生环境污染、生态破坏等严重问题。 因此，开发一种储量巨大、清洁、无污染的可再生能源已经成为当今社会的广泛共识。 与常规能源相比，太阳能具有三大优势： 其一，它是人类可以利用的最丰富的能源。据统计，在过去的漫长的十几亿年中，太阳只消耗了它本身能量的2%。按照这种速度计算，太阳足以供给人类使用几十亿年，可谓取之不尽、用之不竭。,太阳能电池的产生背景,其二，在地球上，只要有光照的地方都有太阳能，这样我们就可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对于交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有实用价值。 其三，太阳能是一种十分清洁的能源。在开发和利用太阳能时，不会产生废渣、废水和废气；也没有噪音，更不会产生大气污染、影响生态平衡等环境问题。 因此，太阳能是一种非常合适的新能源，研究和开发太阳能，对于我们人类今后的生产生活乃至生存，都具有十分重要的意义！,太阳能电池的发展历程及现状,1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）发现液体的光生伏特效应 【光生伏特效应：半导体受到光照时产生电动势的现象】 1877年，亚当斯（W.G.Adams）研究了硒的光伏效应，并制作了第一片硒太阳能电池 1883年，美国发明家查尔斯描述了第一块硒太阳能电池的原理 1918年，波兰科学家Czochralski发展了生长单晶硅的提拉法工艺 1941年 奥尔在硅上发现光伏效应,太阳能电池的发展历程及现状,1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池 1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 1958年，我国研制出首块单晶硅 1960年，Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14% 1977年，D.E.Carlson和C.R.Wronski制成第一个非晶硅太阳能电池 2007年，我国成为生产太阳能电池最多的国家,太阳能电池的发展历程及现状,太阳能电池的发展历程及现状,根据Dataquest的统计资料显示，目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中。其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研究开发，积极生产各种相关的节能新产品。 目前，许多国家正在制定中长期太阳能开发计划，准 备在21世纪大规模开发太阳能：美国能源部推出了“ 国家光伏计划”和“太阳能路灯计划” ；日本提出了“阳光计划” ；日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家决定携手合作，在亚洲内陆和非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站。,太阳能电池的发展历程及现状,我国对太阳能电池的研发工作十分重视。国家发改委制定的“ 光明工程 ”将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 目前，我国已有10条太阳能电池生产线，年生产能力约为4.5MW，其中8条生产线是从国外引进的。在这8条生产线中，有6条单晶硅太阳能电池生产线，2条非单晶硅太阳能电池生产线。 位于天津的国家纳米技术与工程研究院（CNANE）、隶属于中国科学院的长春应用化学研究所（CIAC）以及 中国纳米技术产业化基地(NIBC)在这方面有所研究。,太阳能电池的原理,当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，它的形成可以参照左图： 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型半导体。 黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。,PN结,太阳能电池的原理,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。,太阳能电池的原理,当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸 收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子。在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 。 实质：光能转换为电能,太阳能电池的分类,硅太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机太阳能电池,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做为单晶硅太阳能电池的替代产品。,硅太阳能电池,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。非晶硅具有较高的光吸收系数.特别是在0.3-0.75um 的可见光波段,它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级.,硅太阳能电池,因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右, 用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收90%有用的太阳能.这是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素. 然而，非晶硅薄膜太阳能电池的制作材料容易引发光电效率衰退效应 ，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。,硅太阳能电池,光致衰退效应：也称S-W效应，是指a-SiH薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降的现象。 对S-W效应的起因,至今仍有不少争议,造成衰退的微观机制也尚无定论, 成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。总的看法认为，S-W效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级)，这种缺陷态会影响a-SiH薄膜材料的费米能级EF的位置，从而使电子的分布情况发生变化，进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心，使得电子的俘获截面增大、寿命下降。,硅太阳能电池,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III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。 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III-V化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓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 。但是砷化镓材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。,多元化合物薄膜太阳能电池,铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退效应的问题，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。,多元化合物薄膜太阳能电池,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。,聚合物多层修饰电极型太阳能电池,纳米晶太阳能电池,以染料敏化纳米晶体太阳能电池为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底 ， 染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 纳米晶TiO2太阳能电池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1/51/10 寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的 将来会逐步走上市场。,纳米晶太阳能电池,纳米晶太阳能电池,纳米晶太阳能电池,纳米晶太阳能电池,从以上3张数据曲线中我们可以得出以下结论： 1、 无论是二氧化硅还是二氧化钛薄膜对太阳光都有一定的反射作用，它们对太阳光的吸收和利用效率都不可能达到100%。 2、 二氧化硅和二氧化钛对太阳光的反射率都存在一个最小值，大约分别为10%和1%。 3、 二氧化钛薄膜对太阳光的反射率小于二氧化硅，即二氧化钛薄膜对太阳光的吸收利用率高于二氧化硅。因此二氧化钛薄膜材料优于二氧化硅。,纳米晶太阳能电池,有机太阳能电池,有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构 、 p-n异质结结构 和染料敏化纳米晶结构。 根据有关调查数据，有机太阳能电池的成本平均只有硅太阳能电池的10%-20%；然而，目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10%，这是制约其全面推广的主要问题。因此，如何提高光电转换率是今后一段时间应该解决 的重点问题。,有机太阳能电池,如何提高太阳能电池的效率,1、尽量减少太阳能电池表面挡板玻璃对太阳光的反射，增加透射。 2、改进透明电极在太阳光整个谱段的透射率，从而减少太阳光辐射在电池表面的反射损失。 3、采用多个 p-n 结叠层结构，使太阳光能的利用率尽可能大。 4、增加入射光在太阳能电池吸收层内的传输距离。,总结,太阳能电池是人类利用太阳能的一个重要途径，也是人类解决日益严峻的全球能源危机的一个重要方法，开发研究太阳能电池对人类的生存和发展具有十分重要的意义！ 虽然目前太阳能电池光电转换效率低 、成本高 ，还无法大规模投入市场，但是随着科学研究的不断深入以及新型材料的开发使用，我们有理由相信：在不久的将来，太阳能电池将会被人们广泛使用！,参考文献,1、硅太阳能电池研究 王涛 国防科技大学研究生院 2、薄膜太阳能电池的研究进展 章诗等 上海理工大学理学院 3、process development and spectral response characterization of the single-crystalline silicon solar cells Kun-Li Lin 4、有几太阳能电池的优势与前景 周宇翔等 北京大学,THANK YOU,