1、薄膜太陽能電池,組員：王文麗 孫有政 呂立鋒 晉俊超 楊鳴春,1,全面分析,主要內容,太陽能薄膜的性能表征,4,1,薄膜太陽能電池介紹,2,全面分析,背景介紹,3,全面分析,1993年，歐洲CIS(EuroCIS)研究中心使用CdSCu(In,Ga)Se2結構，成功將效率提升到15左右,1996年，美國可在生能源國家實驗室(NERL) 效率提高到了177。直到現在為止，NERL已將效率再往上提升至195,研究歷程,南開大學的CIS 太陽能電池研究小組,在CIGS太陽能電池的轉換效率上已經達到121左右,4,全面分析,發展現狀,我國高度重視薄膜太陽能電池技術的研發和產業化，與國際先進水平差距逐步

2、縮小，積極有序地發展。截至2008年底，我國已建成并投產的14家薄膜太陽能電池企業的產能約達125.9MW，年產量約為46MW。截止2009年底，已開工建設和已開展前期工作宣布建設的薄膜太陽能電池項目將近40個，按其規劃，2014年前全部建成后的產能將高達約4000MW,5,全面分析,薄膜太陽能電池的原理,主要是利用光伏效應(photovoltaic effect)將光能直接轉換成電能的一種P-N結半導體裝置,當晶片的接觸面受光后，只要光子的能量等于或大于Eg，就會把電子從價帶激發到導帶，在價帶中留下一個空穴，產生電子-空穴對。如果所產生的電子-空穴對有足夠長的壽命，各自擴散到p-n 結的勢壘

3、區附近，在p-n 結的內建電場作用下被互相分離，光生的非平衡空穴往帶負電的p 型區移動，電子往帶正電的n 型區移動。在p-n 結開路情況下。n 區邊界將積累非平衡電子，p 區邊界將積累非平衡空穴，產生一個與p-n 結內建電場方向相反的光生電場Voc，這就是光伏效應。在p-n 結短路情況下光生電子和光生空穴分別產生電流Jn 和Jp，總的光生電流密度Jsc為兩者之和。此時在晶片的兩邊加上電極并引入負載，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，p-n 結起到了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。光照在接觸面產生的電子空穴對愈多，電流愈大,6,全面分析,薄膜太陽能電池的特色,1.相同遮蔽面積下功

4、率損失較小(弱光情況下的發電性佳) 2.沒有內部電路短路問題(聯機已經在串聯電池制造時內建) 3.照度相同下損失的功率較晶圓太陽能電池少 4.有較佳的功率溫度系數 5.較高的累積發電量 6.只需少量的硅原料 7.較佳的光傳輸 8.厚度較晶圓太陽能電池薄 9.材料供應無慮 10.可與建材整合性運用(BIPV,7,全面分析,非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si,微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si,化合物半導體II-IV 族（CdS、CdTe、CuInSe2,色素敏化染料(Dye-Sensi

5、tized Solar Cell,有機導電高分子(Organic/polymer solar cells,CIGS (銅銦硒化物,太陽能電池的分類,8,全面分析,薄膜太陽能模塊結構圖,薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層.等,9,全面分析,半透明式的太陽能電池模：建筑整合式太陽能應用,薄膜太陽能之應用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行,薄膜太陽能模塊之應用：屋頂、建筑整合式、遠程電力供應、國防,薄膜太陽電池產品應用,10,全面分析,國內投資狀況,11,全面分析,國外投資狀況,12,全面分析,染料敏化太陽能電池,孫有政,13,全面分析,染料敏化太陽能電池結

6、構,14,全面分析,Click to add title in here,TiO2薄膜的性能及應用,15,全面分析,TiO2薄膜的常用制備工藝,16,全面分析,太陽能薄膜制備方法,17,全面分析,溶膠凝膠法制備TiO2太陽能薄膜,18,全面分析,制備納米TiO2粒子溶膠或前軀體,19,全面分析,實驗舉例,20,全面分析,存在的問題及改進,顯然，通過涂覆的辦法只能得到小尺寸的薄膜，而我們希望薄膜的尺寸越大越好。 使用絲網印刷法制備出大面積的TiO2薄膜，具體工藝如下,21,全面分析,硅薄膜太陽能電池,呂立鋒,22,全面分析,硅薄膜太陽能電池,硅薄膜太陽能電池可以分為以下三類,23,全面分析,硅薄

7、膜太陽能電池,晶體硅太陽電池是光伏市場的主導產品之一,薄膜硅太陽能電池,特點,生產工藝,高效率、低成本、大規模生產發展,不采用由硅原料、硅錠、硅片到太陽電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽電池 的工藝路線，發展薄膜太陽電池的技術,材料大多來自半導體硅材料的 外品和單晶硅的頭尾料,原料緊缺,制作成本高，不能滿足光伏工業發展的需要,硅材料是構成晶體硅太陽電 池組件成本中很難降低的部分,全球太陽能電池最大的生產企業日本夏普電器公司董事長片山干雄指出：“2013年之前是薄膜硅和結晶硅齊頭并進，2013年以后薄膜硅將成主流。,24,全面分析,多晶硅薄膜太陽能電池制備,目前，制備多晶硅薄膜太陽能電池多

8、采用各種化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝和快熱化學氣相沉積（RTCVD）工藝。 此外還有半導體液相外延生長法、固相結晶法和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜太陽能電池,25,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,26,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,三種主要的制備方法中，PECVD法最為成熟，在低溫下就可以制備非晶硅太陽能電池。 等離子體增強化學氣相沉積：是在沉積室內建立高壓電場，反應氣體在一定氣壓和高壓電場作用下，產生輝光放電，反應氣體被激發成非常活潑的分子、原子、離子和原子團構成的等離子體，大大降低了沉積反應溫度，加速了化學反應過

9、程，提高了沉積速率,27,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,三室連續PEVCVD沉積系統。該沉積系統由PIN三個反應室、真空系統、供氣系統、激勵電源與襯底加熱系統等主要單元組成。PIN三個反應室都開有觀察窗口，P室和N室分別進行p型與n型材料的沉積，I室用于制備本征層(i層)材料,28,全面分析,非晶硅薄膜太陽能電池制備,a-Si：H主要制備流程如下,29,全面分析,微晶硅薄膜制備方法,制備微晶硅材料的主要技術方法包括3種化學氣相沉積法最早用于沉積微晶硅的技術的是： 1. 射頻等離子體增強化學氣相沉積（RF-PECVD。 2. 甚高頻等離子體增強化學氣相沉積方法（VHF-PECVD） 3.

10、熱絲化學氣相沉積（HW-CVD,30,全面分析,太陽能薄膜的性能表征,晉俊超,31,全面分析,薄膜結構與形貌表征,薄膜的表面結構性質對光生載流子的收集起著決定性的作用，光生載流子對薄膜的光電化學活性又起著決定性作用。 不同方法制備的薄膜組成和微結構不同，薄膜的性能存在顯著的差異！應對其表面結構和形貌進行表征！以達到太陽薄膜光電轉化設計的最優化,32,全面分析,1 薄膜結構與形貌表征,紫外可見光分光光度計，測量薄膜的透光率。 利用薄膜厚度測試儀監測膜厚或用稱重法計算出膜厚。 采用X射線衍射（XRD）測薄膜的晶相組成 研究非晶硅薄膜結構或是晶化，主要是通過測量Raman譜中TO模式的變化來實現的。

11、 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察成膜質量、表面形貌、以及薄膜的析晶情況等,33,全面分析,1 薄膜結構與形貌表征,用掃描電鏡自帶的電子能譜損失譜(EDS)測 定薄膜的組成元素分布和均勻性，結合電鏡形貌較準確的判定相關微區結構的成分，通過計算獲得各組成成分的相對含量。 用原子力顯微鏡觀察Ti02薄膜的三維顯微圖像。 直流四探針法是測量薄膜材料的電阻率,34,全面分析,1 薄膜結構與形貌表征,采用X射線衍射（XRD）測薄膜的晶相組成,掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜的表面形貌、顯微結構及薄膜斷面、膜厚等,35,全面分析,1 薄膜結構與形貌表征,用掃描電鏡自帶的電子能譜損失譜(EDS)測定薄膜的組成元

12、素分布和均勻性，結合電鏡形貌較準確的判定相關微區結構的成分，通過計算獲得各組成成分的相對含量,用原子力顯微鏡觀察Ti02薄膜的三維顯微圖像,36,全面分析,電流電壓關系曲線(lV曲線)測量,電流 一 電壓關系曲線(I一V曲線)在工程科學中是極其重要而又常用的關系曲線，在太陽能電池的研究中，I一V曲線測量也是非常重要的研究手段,手動測量IV曲線電路圖,太陽能電池的光電流一光電壓曲線(I-V曲線)和功率一光電壓曲線,37,全面分析,DSSC電池的組裝及其光電性能測試,采用恒電位儀，檢流計，電阻箱及球形標準氙（AM 1.5）組成的測量系統來測量所組裝太陽能電池的性能。 以球形氙燈為光源對電池進行照射

13、，通過電阻箱來調節電阻，通過恒電位儀記錄開路電壓Voc，直流檢流計記錄短路電流Isc,38,全面分析,DSSC電池的測試,在 染 料 敏化太陽能電池中，通過I一V曲線測試可以得到的描述其光電性能的重要參數有以下幾個: 光電轉換效率IPCE 、短路電流Isc、開路電壓Voc 、填充因子FF 和電池的總效率 等。 光電轉換效率是入射單色光的光子變成電流的轉換效率（IPCE）。 短路電流是指電路處于短路（即電阻為零，只連接對電極和安培計）時的電流，它是光電池所能產生的最大光電流，此時的光電壓為零。 開路電壓Uoc 是指電路處于開路（即電阻為無窮大，只連接參比電極和伏特計）時的電壓，是光電池所能產生的

14、最大電壓，此時的電流為零,39,全面分析,DSSC電池的光電性能測試,當太陽能電池接上負載電阻后，太陽能電池的輸出電壓和電流隨著負載電阻的變化而變化，當負載電阻R=Rm 時，太陽能電池的輸出功率為最大，即最大功率Pm，對應電壓Um 和電流Im，可知Pm = ImUm。 填充因子FF 是表征太陽能電池輸送電力的一個指標，將最大功率Pm 和Uoc 與Isc 之積的比值定義為填充因子FF，即FF = Pm / UocIscImUm /UocIsc 。 光生電流的效率即光電池總的光電轉換效率，定義為最大輸出功率和入射太陽光的能量（Pin）之比可通過下式來計算： 總= Pm / Pin,40,全面分析,

15、入射單色光的光電轉化效率（IPCE）測量,IPCE即入射單色光子電子轉化效率，定義為單位時間內外電路中產生的電子數Ne與單位時間內的入射單色光子數Np之比。測試IPCE曲線，可以了解被測的電池樣品在哪些波長范圍內可以獲得較高的光子電子轉化效率，即可以得到該電池的光譜響應情況,染料敏化太陽能電池IPCE曲線,41,全面分析,新型太陽能電池及展望,楊鳴春,42,全面分析,目前，市場上的太陽能電池主要以硅基太陽能電池為主，其中又以多晶硅電池為主流。 近年來，多晶硅原料價格的迅速攀升，使其成本進一步提高，多晶硅市場價由2005年的55美元每千克漲到2007年的400美元每千克，導致太陽能電池的發電成本

16、提高到56元每千瓦時，約為煤電成本的10倍，且項目投資高、能耗大，一般建1000t的工廠需要18個月的工期，投資額高達10億元以上,43,全面分析,隨著科學技術的不斷進步，太陽能薄膜電池光電轉換效率得到了迅速地提高，與晶體硅電池相比雖然還有較大的差距，但是其用料少、工藝簡單、能耗低、成本低等優勢越來越被業界人士所接受,44,全面分析,目前太陽能電池發展的新概念和新方向可以歸納為：薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及新概念太陽能電池（即染料敏化電池,45,全面分析,Click to add title in here,疊層電池,疊層太陽能電池的疊層結構 可以拓寬吸收光譜（每一疊層單 元感光部分的光

17、響應性能不同， 可分別吸收利用不同波段的太陽 光）；同時各器件間的耦合效應 將整體的光能轉換效率達到更高 水平，從而最大限度地將光能變 成電能,46,全面分析,柔性電池,柔性電池通常采用柔韌的聚合物半導體作為感光組元組裝器件，或者采用導電的 柔性有機基板電極作為組 裝器件。 柔性電池能用在平板 類太陽能電池難以勝任的 許多領域，例如太陽能汽 車、飛機、飛艇、建筑、 紡織品、帳篷、服裝、頭 盔，玩具等特殊曲面上,47,全面分析,染料敏化太陽能電池,染料敏化太陽能電池被 稱為第三代太陽能電池太陽 能電池，其制備工藝簡單， 不需昂貴又耗能的高溫、高 真空處理，也不需要高純原 料，成本僅為硅基太陽能電 池的15110。可以做