太阳能电池材料的研究进展..

太 阳 示能 意电 图池 结 构
负载中消耗的功率 转换效率（h)＝ 入射在电池表面的阳光的功率
太阳能电池材料
主 要 材 料 半导体单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、有机半导体 表面涂层 电极 封装 金属氧化物、导电聚合物
金属导体
玻璃、有机玻璃
基对 本材 要料 求的
①能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能 太宽； ②有较高的光电转换效率； ③材料本身对环境不造成污染； ④材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济

煤废料的处理仍是问题
煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等， 已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的 一个制约因素
石油短缺，对外依存度加大
1993年我国成为石油净进口国，2001年进口依存度已经达到 34％，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需 求量中的份额进一步增长，预计到2020年将达到50％。太阳 能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为
无机太阳能电池的性能及应用
名称 单晶硅 多晶硅 非晶硅 复合型 CdTe CuInSe2 GaAs InP 禁带宽度(eV) 1.12 1.12 1.5~2.0 1.44 1.04 1.42 1.35 转换效率 应用实况 24.4 18 13 17.3 15 17 37.4 19.1 用于空间及地面太阳电池 与单晶硅占市场 70~80% 占市场 10~20%消费电子,能源 已商业化 与 CdS 结合构成的太阳电池已商业化 探索大面积应用批量生产技术 已开始用于空间太阳电池 耐辐射性能优异,处于研究开发阶段
其应用涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽 水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成
了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨
大的推动作用。
GaAs材料
太阳能电池阵列转换效率的提高对于空间系统有十分重要的意义‘它可以降低系
统的重量，改善系统的搭载能力，减小轨道运行的阻力。还可以降低系统的成本。
太阳能电池材料的研究进展 太阳能电池材料的研究进展
中国和世界的能源结构
煤 中国 煤
75%
其他
其 石油
17%
40%
其
石 油
世界
24%
天然气
10% 26%
其他
2% 6%
天然气
能源枯竭 环境污染
石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。
日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经 相当于全球产量的50%以上。英、荷、日、美等国企业基本垄断了 全球的光伏发电产品市场，其出口额占世界的贸易额的80%以上。
美国----提出了逐步提高绿色电力的发展计划。主要是通过风力
发电、光伏发电、生物质能源发电等来达到目标，其中太阳光伏 发电预计到2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右，累计 安装量达到36GW，保持美国在光伏发电技术开发、制造水平的世 界领先地位。
工作原理
Voc=1/q【（Ef）TiO2 －(E（R/R-）)】
当太阳光照射到电 池表面时，吸附在二氧 化钛光电极表面的染料 分子受到激发由基态S跃 迁到激发态S*,然后将一 个电子注入到二氧化钛 导带内，此时染料分子 自身转变为氧化态S+.注 入到二氧化钛层的电子 富集到导电基底，并通 过外电路流向对电极,形 成电流. 处于氧化态的染料 分子氧化溶液中的电子 给体(此种在电解质溶液 中的电子给体),自身恢复 为还原态，使染料分子 得到再生。被氧化的电 子给体扩散至对电极,在 电极表面被还原,从而完 成一个光电化学反应循 环。
美国百万屋顶计划的内容与目标
太阳能电池的发展
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电 池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。
由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐渐由
航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳能电池的 价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在 美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年 均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
中华人民共和国 国家发展和改革委员会
《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》
同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点
能源枯竭的威胁可能来的更早
人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人 均量的17.1％和13.2％ ；加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯 竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早
太阳能电池分类
同质结 太阳电池
按结构 分类
异质结 太阳电池
肖特基 太阳电池
无机化合物 半导体 太阳电池
硅太阳 电池
塑料 太阳电池
按材料 分类
敏化纳米晶 太阳电池 有机化合物 太阳电池
1. 无机太阳能电池
光生伏特效应
光子入射：造成跃迁产 生空穴－电子对。 电荷运动的势垒： p-n 结 区内形成的内建电场。阻 碍电子从n区向p区运动， 空穴从p区向n区运动。
1991年，瑞士Grätzel M. 以较低的成本得到了>7%的光电转化
效率。 1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成 功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达 15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。
电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、
生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。
可再生能源： 风能；水能；地热；潮汐；太阳能等
资源丰富： 40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类

一年的能量需求 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 导致“温室效应”，也不会造成环境污染
洁净能源：
国内太阳能硅片加工环节十分薄弱
除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外， 太阳能单晶生产企业中只有晶龙有少量多线切割能力
专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有 限公司 。切割能力约为1000万片/年
我国多晶硅片 生产能力（MW） 保定英利新能源有限公司
6
浙江精功光电有限公司
硅材料
工业硅 （又称：结晶硅或金属硅） 半导体用硅材料 含硅化合物（SiHCl3, SiH4） 半导体用多晶硅 （又称：高纯硅或超纯硅） 单晶硅锭 各种硅片 各种半导体器件 太阳能用硅材料
太阳能用多晶硅 (Solar grade silicon) 单晶硅锭 单晶硅片 多晶硅锭 多晶硅片 多晶硅太阳能电池
通常单晶硅太阳电池每个单体只有0．5伏左右的电压，必须几
个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就
能做到几伏电压，使用比较方便。
非晶硅太阳能电池是最理想的一种廉价太阳电池。作为一种弱光
微型电源使用，如小型计算器、电子手表等。非晶硅科技已转化
为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上， 组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计 算器电源大到10Mw级的独立电站。
（新疆新能源公司20MW硅片项目，资金筹措中）
非晶硅太阳电池
它又称“无定形硅太阳电池”（“ a—Si太阳电池”）。 其最大特点是薄，不同于单晶硅或多晶硅太极电池需要以硅片
为底，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面镀上一层薄硅膜，其
厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之 可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。由于电池本身 是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池， 以提高电池的电压。
2
保定英利新能源有限公司
垂直集成型，目前公司具有6MW 多晶硅片、10MW电 池片、50MW电池组件的生产能力。 二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW，将 新增DSS多晶硅铸锭机20台,破锭机3台,多线切割机5台。
浙江精功光电有限公司（前身为浙江中意太阳能有限公司）
原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE 合资企业，多 晶硅片生产能力2MW。 有扩大生产规模至20MW 的计划。
单晶硅太阳能电池
各种太阳能电池的市场份额
2004年太阳能电池产量 1,194.7MW，增长60.6%， 其中：
产量 mc-Si sc-Si 669.1 5 343.4 5 比例 % 56.0 28.7 增长 % 46.8 71.3
a-Si
64.60
5.4
5.0 3.4 1.1 0.3
49.2
100 502.9 333.3 -25.0
注：单晶硅产量 及生产能力估算见附 件1
国内现状趋势及分析
和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。 形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生 产有一定基础；技术门槛低。 国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是： 1 硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能 力严重不配套。企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独 立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材 料处于起步阶段。 2 产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切 片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。
a-Si/scSi 60.00 Ribbon CdTe CIS 41.00 13.00 3.0
国内太阳能电池用硅材料现状
2004年单晶硅产量（吨）
单晶总产量
太阳能单晶产量 太阳能单晶生产能力
硅单晶产量
近年来我国硅单晶产量
wk.baidu.com
1700
1200 2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005

能源供需缺口将越来越大
2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达 到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25％以上

过度依赖煤炭，环境影响更加严重
煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70％，66％的城市大气颗粒物的含量 和22％的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些 污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中90％的二 氧化硫和70％的烟尘来自于燃煤
在建和筹建的多晶锭、片企业
精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）
精功集团与德国布莱斯-戴姆勒集团(Preiss-Daimler)共同投资兴 建。引进GT Sola设备和技术。一期10MW，二期将达20MW。
力诺太阳能基地项目（济南）
太阳能多晶硅片 2500万片，太阳能电池片50MW ，太阳能电池组件 50MW，太阳能电站10MW。 该项目第一期是利用现有土地和厂房，购置多晶硅铸锭炉5台，1 台破锭机和1台SD-B型线切割机等主要设备。年产量为多晶硅片 500万片,第二期1000万片，第三期2500万片
光电池：空穴、电子通 过外电路复合，在电路 中产生电流。
半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。 当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，
所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上
下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。
使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域
的限制，利用成本低。
太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！
太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择
日本----93年实施“新阳光计划”，涵盖74年的“阳光计划”、 78年的“月光计划”和89年的“地球环境技术开发计划” ； 97年宣布7万太阳能光伏屋顶计划，计划到2010年安装 7600MWp太阳能电池
CuInSe2材料
2. 染料敏化纳米晶体太阳能电池
染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grätzel型光电化学太 阳能电池）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。
阳极：染料敏化半导体薄膜
TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2
阴极：镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I导电玻璃：8~10Ω /□