太阳能电池材料的研究进展

续发展的一个制约因素
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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。
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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
✓洁净能源： 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
✓ 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！
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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 24.4 18 13 17.3 15 17 37.4 19.1
应用实况 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
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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） 太阳能用硅材料
半导体用多晶硅
太阳能用多晶硅
（又称：高纯硅或超纯硅） (Solar grade silicon)
单晶硅锭
单晶硅锭 多晶硅锭
各种硅片
单晶硅片 多晶硅片
各种半导体器件 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池
结
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
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太阳能电池材料
主 要 材 料
基对 本材 要料 求的
半导体 单晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有机半导体
表面涂层 金属氧化物、导电聚合物
电极
金属导体
封装
玻璃、有机玻璃
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
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太阳能屋顶系统
办公楼与玻璃幕墙一体化的PV
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无机太阳能电池
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光生伏特效应
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。 光子入射：造成跃迁产 生空穴－电子对。
光电池：空穴、电子通 过外电路复合，在电路 中产生电流。
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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。
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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。
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美国百万屋顶计划的内容与目标
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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。
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太 构阳 示能 意电 图池
太阳能电池材料的研究进展
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中国和世界的能源结构
中国
煤
75%
其 石油
其他
17%
天然气
2% 6%
煤
40%
石 油
其他 其 世界
24%
天然气
26%
10%
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能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。
环境污染 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。
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
中华人民共和国 国家发展和改革委员会
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
《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
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
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
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
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
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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
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。