第五讲-太阳能电池材料化学

第五章： 第五章：太阳能电池材料
全球能源危机及太阳能源的特点： 全球能源危机及太阳能源的特点： 能源问题是影响人类社会发展的最主要因素。长久以来， 能源问题是影响人类社会发展的最主要因素。长久以来， 是影响人类社会发展的最主要因素 由于过分依赖化石类燃料从而带来了诸多问题：环境污染、 由于过分依赖化石类燃料从而带来了诸多问题 ： 环境污染 、 温 室效应等。而且， 室效应等 。 而且 ， 化石能源的过度使用也使得其储备量日益的 减少，开发新的可再生清洁能源便成为社会所关注的热点。 减少，开发新的可再生清洁能源便成为社会所关注的热点。 太阳能源的特点：与煤炭、石油、天然气、核能等相比， 太阳能源的特点： 与煤炭、 石油 、 天然气 、 核能等相比 ， 太阳能具有其独特的特点： 太阳能具有其独特的特点： (1)普遍：太阳能分布广，获取方便。 普遍： 普遍 太阳能分布广，获取方便。 (2)无害：利用太阳能作能源，没有三废的产生，没有噪声， 无害： 无害 利用太阳能作能源，没有三废的产生，没有噪声， 不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境。 不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境。 (3)丰富 ： 太阳 每秒钟 放射的能量大约是 丰富： 放射的能量大约是390×1021kW， 其 丰富 ， 中到达地球的能量高达85 万吨标准煤。 中到达地球的能量高达 ×1012kW，相当于 ，相当于500万吨标准煤。按 万吨标准煤 此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤约 1.577×1013吨，大约是目前世界主要能源探明储量的一万倍。 持久 只要太阳存在，太阳能就一直存在。根据天文学的研 只要太阳存在，太阳能就一直存在。 究结果，太阳系已存在约50亿年 亿年。 究结果，太阳系已存在约 亿年。根据目前太阳辐射的总功率以及 太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持大约10 年之久， 太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持大约 11年之久，可谓 “取之不尽、用之不竭”的，因此，开发利用太阳能将是人类解决 取之不尽、用之不竭” 因此， 常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。 常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。 我国太阳能的资源状况分析： 我国太阳能的资源状况分析： 中国绝大多数地区太阳能资源相当丰富， 年日照时数大于 中国绝大多数地区太阳能资源相当丰富 ， 2200h， 太阳年辐射总量高于 ， 太阳年辐射总量高于586kJ/m2 。 富太阳能地区占国土面 积的2/3以上 具有很高的利用价值， 以上， 积的 以上，具有很高的利用价值，因此中国发展太阳能的前景 十分光明。 十分光明。 总之，太阳能以其安全可靠、无污染、可再生、无须消耗燃料、 总之，太阳能以其安全可靠、无污染、可再生、无须消耗燃料、 无机械运动部件等诸多优点，尤其可以与建筑物相结合， 无机械运动部件等诸多优点，尤其可以与建筑物相结合，构成光 伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的部分之一， 伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的部分之一，是 近年来发展最快、最有活力的研究领域。 近年来发展最快、最有活力的研究领域。
太阳能电池的分类 按照材料的不同，太阳能电池可分为如下几类： 按照材料的不同，太阳能电池可分为如下几类： (1) 硅太阳能电池 以硅为主体的太阳能电池，包括单晶硅太阳 以硅为主体的太阳能电池， 能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。 能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。 (2) 化合物半导体太阳能电池 化合物半导体太阳能电池是另 研究应用较多的是砷化镓(GaAs) 、 铜铟锡 一大类太阳能电池 。 研究应用较多的是砷化镓 (CuInSe2)、碲化镉 、 碲化镉(CdTe)、磷化铟 （InP）等太阳能电池 。由于多 、磷化铟（ ） 等太阳能电池。 数化合物半导体有毒性，易对环境造成污染， 数化合物半导体有毒性，易对环境造成污染，目前它们只用在一些 特殊场合。 特殊场合。 (3) 敏化纳米晶太阳能电池 以TiO2、ZnO、SnO2等宽禁带的氧 、 化物型纳米级半导体为电极，使用染料敏化、 化物型纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽度半导 体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以 体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料 无机半导体复合敏化以 表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。 及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。
几个基本概念和太阳能电池将光能转变为电能的过程： 几个基本概念和太阳能电池将光能转变为电能的过程： 光生伏打效应：用适当波长的光照射到某些物质上时， 光生伏打效应：用适当波长的光照射到某些物质上时，该物 质吸收光能会产生电动势，称为光生伏打效应。 质吸收光能会产生电动势，称为光生伏打效应。 光生伏打效应在固体与液体中均可以产生，但是只有在固体中， 光生伏打效应在固体与液体中均可以产生，但是只有在固体中， 尤其是在半导体中，该效应才能有较高的能量转换效率。 尤其是在半导体中，该效应才能有较高的能量转换效率。 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把太阳能转变为电能的器 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把太阳能转变为电能的器 是太阳能光伏发电的基础和核心。 件，是太阳能光伏发电的基础和核心。 半导体太阳能电池将光能转变为电能的过程： 半导体太阳能电池将光能转变为电能的过程 ： (1) 电池吸收一 定能量的光子后，产生电子-空穴对 称为“光生载流子” ； 空穴对（ 定能量的光子后，产生电子 空穴对（称为“光生载流子”)；(2) 电 性相反的光生载流子被半导体p-n结所产生的静电场分开 结所产生的静电场分开； 性相反的光生载流子被半导体 结所产生的静电场分开；(3) 光生 载流子被太阳能电池的两极所收集，并在外电路中产生电流， 载流子被太阳能电池的两极所收集，并在外电路中产生电流，从而 获得电能。 获得电能。
当太阳照射p-n结时， 当太阳照射 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而 结时 释放电子， 相应地便产生了电子－ 空穴对， 释放电子 ， 相应地便产生了电子 － 空穴对 ， 并在势垒电场的作 用下，电子被驱向n型区 空穴被驱向p型区 从而使n区有过剩 型区， 型区， 用下，电子被驱向 型区，空穴被驱向 型区，从而使 区有过剩 电子， 区有过剩空穴 于是，就在p-n结附近形成了与势垒电 区有过剩空穴； 电子 ， p区有过剩空穴 ； 于是 ， 就在 结附近形成了与势垒电 场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场， 场方向相反的光生电场 。 光生电场的一部分抵消势垒电场 ， 其 余部分使p型区带正电 型区带正电、 型区带负电 于是，就使得在n区与 型区带负电。 区与p 余部分使 型区带正电 、n型区带负电。于是 ，就使得在 区与 区之间的薄层产生电动势，即光生伏打电动势。 区之间的薄层产生电动势 ， 即光生伏打电动势 。 当接通外电路 时便有电能输出。这就是p-n结接触型单晶硅太阳能电池发电的 时便有电能输出。这就是 结接触型单晶硅太阳能电池发电的 基本原理。 基本原理。
单晶硅概述 高纯的单晶硅是很好的半导体材料, 其本征电导率为4.3× 高纯的单晶硅是很好的半导体材料 其本征电导率为 ×10-6 -1•cm-1，300K时的禁带宽度为 时的禁带宽度为1.12 eV。单晶硅不仅是现代信息产 时的禁带宽度为 。 业的基础材料，也是最重要的太阳电池材料。自太阳电池问世以来, 业的基础材料，也是最重要的太阳电池材料。自太阳电池问世以来 晶体硅就作为电池材料一直保持着统治地位， 晶体硅就作为电池材料一直保持着统治地位，预计在很长的一个时 期仍将继续保持。 期仍将继续保持。 单晶硅的结构 单晶硅中的硅与硅之间具有4个共价键 个共价键， 单晶硅中的 硅 与硅之间具有 个共价键 ， 具有特有的金刚石结 晶体中每个Si原子的配位数为 原子的配位数为4，形成4个 单键， 构。 晶体中每个 原子的配位数为 ，形成 个 Si-Si单键， 体对角线 单键 的两个原子和六个面心原子构成棱立方，其内包含一个距顶角1/4体 的两个原子和六个面心原子构成棱立方，其内包含一个距顶角 体 对角线的原子，硅晶体结构中的金刚石晶格常数a为 对角线的原子，硅晶体结构中的金刚石晶格常数 为0.543 nm。如果 。 使用硬球模型(硅原子的半径是 硅原子的半径是0.118nm)，最近的两个相邻原子间的 使用硬球模型 硅原子的半径是 ， 距离为0.235 nm，如下图所示。 距离为 ，如下图所示。
(4) 有机化合物太阳能电池 以酞菁、卟啉、叶绿素等为基体 以酞菁、卟啉、 材料的太阳能电池，如有机p-n 结电池、有机肖特基型太阳能电 结电池、 材料的太阳能电池，如有机 池等。 池等。 (5) 塑料太阳电池 如聚乙炔太阳能电池、共轭聚合物 60复合 如聚乙炔太阳能电池、共轭聚合物/C 体系电池等。 体系电池等。 在太阳能应用中， 由硅太阳能电池占据， 在太阳能应用中，90%由硅太阳能电池占据，其中转换效率最 由硅太阳能电池占据 技术最成熟的是单晶硅太阳能电池， 高，技术最成熟的是单晶硅太阳能电池，目前其光电转化效率最高 达到了24%，但其改性研究仍有很大的开发空间。 达到了 ，但其改性研究仍有很大的开发空间。 本章重点是关于单晶硅太阳能电池
图1-1 单晶硅结构示意图
在电子工业中使用的硅材料通常需要掺杂来增加电导率。 在电子工业中使用的硅材料通常需要掺杂来增加电导率。作 为硅的常见施主是P、 和 ，受主是B、 和 。 为硅的常见施主是 、As和Sb，受主是 、Al和Ga。它们是取代 杂质， 的范围内。 杂质，其离子化电位在 0.04～0.07eV的范围内。 ～ 的范围内 对于单晶硅来说，表面性质取决于其晶格取向。 对于单晶硅来说，表面性质取决于其晶格取向。其三种主要 晶面分别是(111)、(100)和(110)。(111) 晶面具有最高的原子密度 晶面分别是 、 和 。 和最低的表面能； 晶面具有最低的原子密度和最高的表面能， 和最低的表面能；(100)晶面具有最低的原子密度和最高的表面能， 晶面具有最低的原子密度和最高的表面能 并具有最高的表面键密度， 面具有最高的总的键密度。 并具有最高的表面键密度，而(110)面具有最高的总的键密度。 面具有最高的总的键密度
图 1-2 纯的硅晶体电中性示意图
单晶硅的光电转化原理 纯的硅晶体总体显电中性(如图 ） 纯的硅晶体总体显电中性 如图1-2）， 自由电子和空穴的数目 如图 是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、 是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等 杂质元素， 那么它就成了空穴型半导体， 简称p(positive)型半导体 杂质元素 ， 那么它就成了空穴型半导体 ， 简称 型半导体 如图1-3） 如在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷等杂质元素， （如图 ）。如在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷等杂质元素， 那么它就成了电子型半导体，简称n(negative)型半导体（如图 ）。 型半导体（ 那么它就成了电子型半导体，简称 型半导体 如图1-4） p型和 型半导体结合在一起时， 型和n型半导体结合在一起时 当p型和n型半导体结合在一起时，在交界面处便会形成一个特殊的 薄层，这是由于p型半导体多空穴 型半导体多空穴， 型半导体多自由电子 型半导体多自由电子， 薄层，这是由于 型半导体多空穴，n型半导体多自由电子，出现了 浓度差。 区的电子会扩散到 区的电子会扩散到p区 区的空穴会扩散到n区 浓度差。n区的电子会扩散到 区，p区的空穴会扩散到 区。这样原 区的空穴会扩散到 本呈电中性的界面变成了n区带正电 区带正电、 区带负电 一个由n指向 区带负电， 指向p的 本呈电中性的界面变成了 区带正电、p区带负电，一个由 指向 的 内电场” 如图1-5） 从而阻止扩散进行， “内电场”（如图 ），从而阻止扩散进行，所以内电场又叫势垒 电场。 电场。