新能源材料

材料科學與工程學院甘國友教授2/6/20231Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST第六講

太陽能及太陽能材料

材料科學與工程學院甘國友教授2/6/20232Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST太陽光譜圖太陽能電池的發電原理是基于光伏效應(PhotovoltaicEffect)由太陽光與材料相互作用而產生電勢。UVVisibleInfrared48%2/6/20233Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

太陽能利用涉及的技術問題很多，但根據太陽能的特點，具有共性的技術主要有四項，即太陽能采集、太陽能轉換、太陽能貯存和太陽能傳輸，將這些技術與其它相關技術結合在一起，便能進行太陽能的實際利用—光熱利用、光電利用和光化學利用。2/6/20234Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST一、太陽能的熱應用

太陽能的熱利用，是將太陽的輻射能轉換為熱能，實現這個目的的器件叫“集熱器”。例如“太陽灶”、“太陽熱水器”、“太陽能干燥器”等等。太陽能熱利用是可再生能源技術領域商業化程度最高、推廣應用最普遍的技術之一。按照人均使用太陽能熱水器面積，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分別為1平方米／人和0.7平方米／人。日本有20％的家庭使用太陽能熱水器，以色列有80％的家庭使用太陽能熱水器。我國是太陽能熱水器產量最大的國家。2/6/20235Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST太陽能的熱利用主要是以下幾方面：

1．太陽能空調降溫

太陽能制冷及在空調降溫研究工作重點是尋找高效吸收和蒸發材料，優化系統熱特性，建立數學模型和計算機程序，研究新型制冷循環等。

2．太陽能熱發電

太陽能熱發電是利用集熱器將太陽輻射能轉換成熱能并通過熱力循環過程進行發電，是太陽能熱利用的重要方面。

2/6/20236Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

光伏轉換電能價高，約10倍于火電。

用聚焦技術的太陽加熱爐，用以加熱水或氣體來發電，其電價每度5－13美分，接近火力發電。還有民用太陽熱能的直接利用，對中國廣大農村來說更為實用。2/6/20237Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/20238Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

3．太陽房

太陽房是直接利用太陽輻射能的重要方面。通過建筑設計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽能，達到房屋采暖目的。太陽房可以節約75％～90％的能耗，并具有良好的環境效益和經濟效益，成為各國太陽能利用技術的重要方面。被動式太陽房平均每平方米建筑面積每年可節約20～40公斤標準煤，用于蔬菜和花卉種植的太陽能溫室在中國北方地區較多采用。全國太陽能溫室面積總計超1000萬畝，發揮著較好的經濟效益。我國在相關的透光隔熱材料、帶涂層的控光玻璃、節能窗等沒有商業化，使太陽房的水平受到限制。2/6/20239Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

4．熱利用的其它方面

太陽灶我國目前大約有15萬臺太陽灶在使用中。太陽灶表面可以加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之類的透明涂料，以改變陽光的吸收與發射，最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。提高太陽灶的效率。每個太陽灶每年可節約300千克標準煤。太陽能干燥是熱利用的一個方面。目前我國已經安裝了有1000多套太陽能干燥系統，總面積約2萬平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草藥干燥等。2/6/202310Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST二、太陽光-熱轉換及材料

材料科學與工程是技術創新的基礎。太陽光—熱轉換材料與工程，如用于太陽集熱器的選擇性吸收涂層（表面），用于建筑幕墻玻璃和交通工具的選擇性透、反射薄膜材料和電致變色薄膜材料與器件，用于集熱器的具有太陽光譜高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窩結構，以及貯能材料等，推動了太陽光—熱轉換技術和應用的發展。

2/6/202311Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

太陽輻射的能量譜主要分布在波長0.3μm至3μm范圍；人眼視覺靈敏譜的波長在0.41μm至0.7μm范圍，對人眼敏感的波長，幾乎是在太陽輻射最強的波長間隔內；一般物體溫度的黑體輻射譜的波長在2μm至100μm范圍，太陽光熱轉換材料的光---熱性能，即輻射特性如透射比、反射比、吸收比和發射比等反映在太陽光譜---物體熱譜內。

2/6/202312Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST1.太陽光譜選擇性吸收涂層（表面）

具有高的太陽吸收比和低的發射比的涂層（表面），稱為太陽（光譜）選擇性吸收涂層。目前，它已有上百種涂層材料與工藝，而從機理上可以將其分為六類，實際的選擇性吸收涂層往往包含其中二至三類。應用最廣泛的選擇性吸收涂層為三層結構，即由底層、中層和表層組成。貼近襯底的底層為紅外高反射即低發射比的金屬層，如金、銀、銅、鋁、鎳等；中層為吸收層，是由若干金屬介質復合薄膜的次層組成，金屬粒子的尺寸、形狀及其占該次層的體積比決定了該次層的光學常數，靠近金屬底層的吸收次層具有強的吸收，表層為減反層，該層具有低的折射率n（n＜1.9及低的消光系數（k＜0.25），或是增加對太陽光的捕獲的微不平表面層。這樣的光譜選擇性吸收涂層具有優異的光譜選擇性，即高的太陽吸收比，低的發射。

2/6/202313Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

太陽選擇性吸收涂層的制備技術可以分為三大類：噴涂與溶膠，化學與電化學方法和真空蒸發與磁控濺射方法。

對于產生生活熱水的平板太陽集熱器，采用噴涂太陽吸收比高、發射比略高的涂層便能滿足使用要求；鋁吸熱板上可采用陽極氧化與交流電解著色涂層，銅吸熱板以采用電鍍黑鉻涂層為宜。

2/6/202314Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

對于全玻璃真空太陽集熱管主流是采用磁控濺射技術，多層不銹鋼／銅（澳大利亞專利）,和采用單靶磁控濺射制備氮／鋁（中國專利）涂層。真空蒸發或濺射技術制備用于平板太陽集熱器的吸收涂層，另一方面應研制用于高溫的太陽選擇性吸收涂層，使其具有耐高溫、很高太陽吸收比與極低發射比的優異性能。

2/6/202315Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2.選擇性透、反射薄膜材料

選擇性透、反射薄膜可以分為三種基本類型，主要應用于建筑幕墻鍍膜玻璃、汽車等交通工具。

2/6/202316Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST（1）陽光控制膜

陽光控制膜通過增加吸收與反射可顯著降低太陽輻射通過玻璃窗，同時能保持室內的充足光線。這類膜系具有良好的耐磨性與化學穩定性，可用于單層玻璃窗，適合在氣溫較高的地區使用。氧化物薄膜的不同厚度可以獲得藍色、銀色、古銅色和金色等絢麗色彩。不同厚度的金屬膜可以獲得不同的透射比與反射比。2/6/202317Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST（2）低發射膜

雙層玻璃窗的熱量損失由玻璃的高發射比（0.84）引起。具有發射比0.04一0.10的低發射膜的雙層玻璃窗，其傳熱系數可由普通雙層玻璃窗的2.6W／m2降至1.4W／m2，可見光透射比可達0.80。典型的是SnO2／Ag／SnO，或TiO2／Ag／TiO2。

2/6/202318Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.電致變色薄膜與器件

由于太陽輻射、溫度或電場的作用使薄膜的光學性能發生變化，分別稱為光致變色、熱致變色或電致變色。在電場作用下，薄膜顏色發生改變稱為電致變色。這種變化是可逆與持久的，當開路時薄膜具有記憶性，需要改變光學性能時只要施加一次直流低電壓，因而能量消耗很低。從過渡金屬氧化物中可能找到最有希望的電致變色材料。變色機理是在電變色薄膜材料中進入與退出小直徑離子的可逆過程。電致變色膜主要集中在WO3與NiO。用于窗戶，起到節能與獲得舒適的生活環境。

2/6/202319Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.透明隔熱材料（TIM）

采用厚5cm的聚碳酸酯透明隔熱材料（TIM）建成一幢太陽房和一幢對照房。夏季，百葉簾反射了約0.80太陽短波能量，室內低于對照房內氣溫約3℃。冬季，比同樣條件對照房的溫度約高5℃。我國在太陽光--熱轉換材料的研究、開發和生產上有較大進展，特別是用于真空太陽集熱管的單靶磁控濺射太陽選擇性吸收涂層已大批量生產，在國際上也享有盛譽。

2/6/202320Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST三．太陽能光電轉換(PV效應)

太陽能的光電轉換是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程，通常叫做“光生伏打效應”，太陽電池就是利用這種效應制成的。當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，于是產生電子—空穴對。這樣，光能就以產生電子—空穴對的形式轉變為電能，如果半導體內存在p—n結，在n區與p區之間的薄層產生所謂光生伏打電動勢。若分別在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個電池元件，把它們串聯、并聯起來，就能產生一定的電壓和電流輸出功率。

2/6/202321Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST基本原理2/6/202322Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

建筑將成為光伏應用的最大市場，建筑光伏集成有許多優點：①具有高技術、無污和自供電的特點，能夠強化建筑物的美感和建筑質量；②光伏部件是建筑物總構成的一部分，除了發電功能外，還是建筑物耐氣候的外部蒙皮，具有多功能和可持續發展的特征；③分布型的太陽輻射和分布型的建筑物互相匹配；④建筑物的外殼能為光伏系統提供足夠的面積；⑤不需要額外的昂貴占地面積，省去了光伏系統的支撐結構，省去了輸電費用；⑥在用電地點發電，避免傳輸和分電損失（5一10％），降低了電力傳輸和電力分配的投資和維修成本。

2/6/202323Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

建筑光伏集成系統既適用于居民住宅，也適用商業、工業和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋頂，也可集成到外墻上；既可集成到新設計的建筑上，也可集成到現有的建筑上。光伏建筑集成近年來發展很炔，許多國家相繼制定了本國的光伏屋頂計劃。建筑自身能耗占世界總能耗的1／3，是未來太陽能光伏發電的最大市場。光伏系統和建筑結合將根本改變太陽能光伏發電在世界能源中的從屬地位，前景光明。

2/6/202324Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

以材料區分，太陽電池有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅銦硒（CIS）電池，碲化鎘（CdTe）電池，砷化鎵電池等，而以晶硅電池為主導。由于硅是地球上儲量第二大元素，作為半導體材料，人們對它研究得最多、技術最成熟，而且晶硅性能穩定、無毒，因此成為太陽電池研究開發、生產和應用中的主體材料。人們首先使用高純硅制造太陽電池（即單晶硅太陽電池）。由于材料昂貴，這種太陽電池成本過高，初期多用于空間技術作為特殊電源，供人造衛星使用。七十年代開始，把硅太陽電池轉向地面應用。采用廢次單晶硅或較純的冶金硅專門生產太陽能級硅材料，以及利用多晶硅生產硅太陽電池，均能大幅度降低造價。近年來，非晶硅太陽電池的研制迅速發展。2/6/202325Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST簡史(世界)◆1839年-法國Becquerel報道在光照電極插入電解質的系統中產生光伏效應－光電化學系統；◆1876年英國W.G.Adams發現晶體硒在光照下能產生電流－固體光伏現象；◆1884年，美國人CharlesFritts

制造成第一個1％硒電池；◆1954年貝爾實驗室G.Pearson和D.Charpin研制成功6％的第一個有實用價值的硅太陽電池；

紐約時報把這一突破性的成果稱為“最終導致使無限陽光為人類文明服務的一個新時代的開始。”－現代太陽電池的先驅；2/6/202326Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST1956年第一個太陽能電池制作成功。1958年開始太空應用(GaAs)。1970年開始太陽能發電系統地面應用(Si)

(能源危機)。1980年消費性薄膜太陽能電池應用(a-Si,CdS/CdTe)。1990年與公用電力并聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-ConnectedPVSystem,Si)

(電力電子技術)。1992年起歐、美、日各國推動太陽能發電系統之補助獎勵政策。2000年建材一體型太陽能電池應用(BIPV)。2/6/202327Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST（我國）◆1959年第一個有實用價值的太陽電池誕生◆

1971年3月太陽電池首次應用于我國第二顆人造衛星—實踐1號上；◆

1973年太陽電池首次應用于浮標燈上；◆

1979年開始用半導體工業廢次單晶、半導體器件工藝生產單晶硅電池；◆

80年代中后期引進國外關鍵設備或成套生產線我國太陽電池制造產業初步形成。2/6/202328Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST全世界太陽能電池市場量2/6/202329Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.1分類1.技術成熟程度：

1)晶硅電池：單晶硅，多晶硅，

2)薄膜電池：a-Si，CIGS，CdTe，球形電池，多晶硅薄膜，Grātzel，有機電池。

3)新型概念電池：量子點、量子阱電池，迭層(帶隙遞變)電池，中間帶電池，雜質帶電池，上、下轉換器電池，

a-Si/C-Si異質結(增加紅外吸收)，

偶極子天線電池，熱載流子電池，

(也有人稱第三代電池)2/6/202330Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2.材料；硅基電池：單晶硅，多晶硅，微晶(納晶)，非晶硅，化合物半導體電池：CdTe,CIGS,,

GaAs，InP.。。

有機電池，

Grātzel

電池(光化學電池)3.波段范圍：太陽光伏電池

熱光伏電池2/6/202331Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.光子吸收帶隙理論：

◆單帶隙電池(常規電池)

◆中間帶隙(或亞帶隙，或雜質帶)電池，

◆帶隙遞變迭層電池，

◆上、下轉換器電池

◆偶極子天線電池，

◆a-Si/C-Si異質結(增加紅外吸收)電池，

◆量子點、量子阱電池，

◆熱載流子電池第三代電池2/6/202332Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST太陽能電池材料種類SingleCrystalline(GaAs,InP..)ThinFilmη:6~8%Cyrstalline

η:18-30%

ThinFilmPoly.SingleCrystallinePolyCrystallineAmorphous(Si:H,SiGe,SiC..)ThinFilmCrystallinePolyCrystalline(CdS,CdTe,CuInSe2...)Solar

CellsSiliconCompoundη:12~15%η:10~14%明日之星?2/6/202333Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST單晶硅太陽能電池外觀單晶硅太陽能電池典型結構3.2太陽能電池外觀與構造(單晶硅)2/6/202334Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST1.清洗蝕刻2.磷擴散P-typewafer單晶硅太陽能電池制造步驟例(I)2/6/202335Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.鍍抗反射層4.網印5.燒結單晶硅太陽能電池制造步驟例(II)2/6/202336Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.3太陽能發電(Photovoltaic)原理(I)太陽能電池是以P型與

N型半導體材料接合構成正極與負極。當太陽光照射太陽能電池時，光的能量會使半導體材料內的正、負電荷分離。正、負電荷會分別往正、負極方向移動并且聚集。將太陽能電池正、負極接上負載時，將有電流流出，可以對負載作功(燈泡會亮、馬達會轉)。正極：P型負極：N型PNPNPN-++-+-+-++++++-------+-+正、負電荷+-+-+-太陽光太陽光太陽光電流-+2/6/202337Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUSTPN(不照光，平衡狀態)EfEvEcNPPNPNPNPN光子(Photon)-+-+-+-+-++++++------+-+-+太陽能發電(Photovoltaic)原理(II)-+Photon++----++EfEvEcPN(照光狀態)++---++--+-+Photon多數載子多數載子少數載子少數載子+-多數載流子多數載流子電子-空穴對(Electron-holepair)EvNTypeSemiconductorPTypeEfEcEfEvEc電子位能Ec:conductionbandEv:valencebandEf:Fermilevel2/6/202338Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST太陽能發電綜合利用系統光伏電站2/6/202339Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST申奧用太陽能路燈彩圖2/6/202340Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST清華大學電力國家重點實驗室開發綜合利用系統清華大學電力國家實驗室開發綜合利用系統2/6/202341Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.4單晶硅太陽電池

單晶硅材料制造要經過如下過程：石英砂--冶金級硅--提純和精煉--沉積多晶硅錠--單晶硅--硅片切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。該過程能量消耗很高，約為14kwh／kg，因此硅的生產通常在水電過剩的地方（挪威，加拿大等地）進行。這樣被還原出來的硅的純度約98％—99％，稱為冶金級硅（MG—Si）。大部分冶金級硅用于制鐵和制鋁工業。目前全世界冶金級硅的產量約為50萬噸／年。

2/6/202342Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.5太陽級硅

一種目前制造太陽級硅的主要方法是使用精煉的冶金級硅，采用電子束加熱真空抽除法去除磷雜質，然后凝固，再采用等離子體氧化法去除硼及碳，再凝固。采用水蒸氣混合的等離子體可將硼含量降到0·lppm的水平，經過再凝固硅中的金屬雜質含量可降到ppb的水平。用此太陽級硅制成的常規工藝電池的最高效率可達到14％，高效工藝制的電池的最高效率可達到16％。此太陽級硅已進入每年生產60噸的中試階段。

基于同樣原理可開發出另一種提純方法，即在硫化床反應器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉積出Si。此法沉積出的Si粉未顆粒只有十分之幾毫米，可用作CZ直拉單晶的投爐料或直接制造Si帶。

2/6/202343Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.6多晶硅太陽電池

隨著電池制備和封裝工藝的不斷改進，在硅太陽電池總成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。因此，生產廠家迫切希望在不降低光電轉換效率的前提下，找到替代單晶硅的材料。目前，比較適用的材料就是多晶硅。因為熔鑄多晶硅錠比提拉單晶硅錠的工藝簡單，設備易做，操作方便，耗能較少，輔助材料消耗也不多，尤其是可以制備任意形狀的多晶硅錠，便于大量生產大面積的硅片。同時，多晶硅太陽電池的電性能和機械性能都與單晶硅太陽電池基本相似，而生產成本卻低于單晶硅太陽電池。多晶硅太陽電池的出現主要是為了降低成本，其優點是能直接制備出適于規模化生產的大尺寸方型硅錠，設備比較簡單，制造過程簡單、省電、節約硅材料，對材質要求也較低。2/6/202344Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

晶體硅電池效率不斷提高，技術不斷改進，加上晶硅穩定，無毒，材料資源豐富，人們開始考慮開發多晶硅薄膜電池。多晶硅薄膜電池既具有晶硅電池的高效、穩定、無毒和資源豐富的優勢，又具有薄膜電池工藝簡單、節省材料、大幅度降低成本的優點，因此多晶硅薄膜電池的研究開發成為近幾年的熱點。另一方面，采用薄片硅技術，避開拉制單晶硅或澆鑄多晶硅、切片的昂貴工藝和材料浪費的缺點，達到降低成本的目的。

2/6/202345Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST（1）多晶硅薄膜電池

各種CVD（PECVD，RTCVD，CVD等）技術被用來生長多晶硅薄膜，在實驗室內有些技術獲得了重要的結果。德國Fraunhofer太陽能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底，用快速熱化學氣相沉積（RTCVD）技術沉積多晶硅薄膜，硅膜經過區熔再結晶（ZMR）后制備太陽電池，兩種襯底的電池效率分別達到9．3％和11％。北京市太陽能研究所自1996年開始開展多晶硅薄膜電池的研究工作。該所采用RTCVD技術在重摻雜非活性硅襯底上制備多晶硅薄膜和電池，1cm2電池效率在AM1.5條件下達到13.6％，目前正在向非硅質襯底轉移。并發展了多層多晶硅薄膜電池。2/6/202346Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

多晶硅太陽電池的制備基本與單晶硅太陽電池相同。關鍵在于硅材料的制備。要求具備一定的純度，對晶粒大小和晶粒形狀還有要求。一般以晶粒尺寸達毫米級、晶粒形狀呈柱狀為好，俗稱這種材料為“半晶硅”。多晶硅的生產工藝為澆鑄法。澆鑄工藝主要有定向凝固法。定向凝固法是將硅料放在坩堝中加熱熔融，然后將坩堝從熱場中逐漸下降或從增蝸底部通上冷源以造成一定的溫度梯度，使固液界面從坩堝底部向上移動而形成晶錠。2/6/202347Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

由于鑄錠中采用低成本的坩堝及脫模涂料,對硅錠的材質仍會造成影響。近年來電磁法（EMC）被用來進行鑄錠試驗，方法是投爐硅料從上部連續加到熔融硅處，而熔融硅與無底的冷坩堝通過電磁力保持接觸，同時固化的硅被連續地向下拉。目前該工藝已鑄出截面為220mm×220mm的長硅錠，鑄錠的材質純度比常規硅錠高。我國可生產出15kg重，220mm×220mm×140mm的硅錠。

2/6/202348Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST（2）硅片加工技術

常規的硅片切割采用內圓切片機，其刀損為0.3--0.35mm，使晶體硅切割損失較大，且大硅片不易切得很薄。近幾年，多線切割機的使用對晶體硅片的成本下降具有明顯作用。多線切割機采用鋼絲帶動碳化硅磨料來進行切割硅片，切損只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的損傷小。

我國太陽能光伏發電技術產業化及市場發展經過近20年的努力，已經奠定良好的基礎。目前有4個單晶硅電池及組件生產廠和2個非晶硅電池生產廠。但在總體水平由于生產規模、技術水平較低、太陽電池的效率低，專用原材料國產化程度不高。專用材料如銀漿、封裝玻璃、EVA等尚未完全實現國產化，成本高。

2/6/202349Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.7非晶硅太陽電池

非晶硅太陽電池又稱“無定形硅太陽電池”，簡稱“α—Si太陽電池”。它是太陽電池發展中的后起之秀。它是最理想的一種廉價太陽電池。作為一種弱光微型電源使用，如小型計算器、電子手表等。非晶硅科技已轉化為一個大規模的產業，世界上總組件生產能力每年在50MW以上，組件及相關產品銷售額在10億美元以上。應用范圍小到手表、計算器電源大到10Mw級的獨立電站。涉及諸多品種的電子消費品、照明和家用電源、農牧業抽水、廣播通訊臺站電源及中小型聯網電站等。α-Si太陽電池成了光伏能源中的一支生力軍，對整個潔凈可再生能源發展起了巨大的推動作用。

2/6/202350Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

非晶硅太陽電池的最大特點是薄，不同于單晶硅或多晶硅太極電池需要以硅片為底村，而是在玻璃或不銹鋼帶等材料的表面鍍上一層薄薄的硅膜，其厚度只有單晶硅片的1/300。因此，可以大量節省硅材料，加之可連續化大面積生產，能耗也低，成本自然也低。由于電池本身是薄膜型的，太陽的光可以穿透，所以還可做成疊層式的電池，以提高電池的電壓。通常單晶硅太陽電池每個單體只有0.5伏左右的電壓，必須幾個單體串聯起來，才能獲得一定的電壓。非晶太陽硅電池一個就能做到幾伏電壓，使用比較方便。2/6/202351Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST其它新材料探索

探索的材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。

2/6/202352Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST新技術探索

為了提高非晶硅太陽電池的初始效率和光照條件下的穩定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等

2/6/202353Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST新制備技術探索

射頻等離子體增強CVD是當今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優點是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無結構缺陷、臺階覆蓋良好、隙態密度低、光電子特性符合大面積太陽電池的要求。此法的主要缺點也是致命的缺點是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10％-15％氫含量，光致衰退比較嚴重。因此，人們一方面運用這一方法實現了規模化生產，另一方面又不斷努力探索新的制備技術。

2/6/202354Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3.8晶硅電池的技術發展

1)晶硅電池的各種技術發展

2)向高效化方向發展

3)向薄片化方向發展2/6/202355Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST1)晶硅電池的技術發展單晶硅電池在70年代初引入地面應用。在石油危機推動下，太陽電池開始了一個蓬勃發展時期，這個時期不但出現了許多新型電池，而且引入許多新技術－

(1)鈍化技術：熱氧化SiO2鈍化，氫鈍化，

PECVD－SiN工藝鈍化(多晶硅)，a-Si鈍化等

(2)陷光技術：表面織構化技術，減反射技術2/6/202356Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

(3)背表面場(BSF)技術

(4).表面織構化(絨面)技術,(5).異質結太陽電池技術:

如SnO2/Si,In2O3/Si,ITO/Si等

(6).MIS電池－

(7).MINP電池－

(8).聚光電池－2/6/202357Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2)向高效化方向發展(1)單晶硅高效電池：◆斯坦福大學的背面點接觸電池：＝22％特點：正負電極在同一面，沒有柵線陰影損失

2/6/202358Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST◆新南威爾士大學的PERL電池＝24.7%2/6/202359Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUSTFraunhofer研究所LBSC電池：＝23%2/6/202360Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST◆北京太陽能研究所高效電池＝19.8%2/6/202361Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST單晶硅電池的效率進展2/6/202362Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST激光刻槽埋柵電池

新南威爾士大學北京太陽能研究所＝19.8%＝18.6%2/6/202363Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST商業化單晶硅電池組件2/6/202364Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST商業化單晶硅電池組件－Sanyoa-Si/c-Si電池（實驗室最好效率：＝20.7%，面積125×125）2/6/202365Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST(2)多晶硅高效電池

◆多晶硅材料制造成本低于單晶硅CZ材料，◆能直接制備出適于規模化生產的大尺寸方型硅錠，240kg,400kg,◆制造過程簡單、省電、節約硅材料，因此具有更大降低成本的潛力。

2/6/202366Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST但是多晶硅材料質量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構化困難。2/6/202367Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST◆喬治亞(Geogia)工大－采用磷吸雜和雙層減反射膜技術，使電池的效率達到18.6％；

◆新南威爾士大學－采用類似PERL電池技術，使電池的效率19.8％◆

Fraunhofer研究所20.3%－世界記錄◆

Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面織構化使1515cm2大面積多晶硅電池效率達17.7％.2/6/202368Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST商業化多晶硅電池組件－Kyocera電池2/6/202369Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST其中PECVD－SiN(等離子增強化學氣相淀積)鈍化技術對商業化多晶硅電池的效率提高起到了關鍵性的作用。目前商業化多晶硅電池的效率13％－16％2/6/202370Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST3)晶硅太陽電池向薄片化方向發展

(1)硅片減薄硅片是晶硅電池成本構成中的主要部分。

硅－間接半導體，理論上100m可以吸收全部太陽光。電池制造工藝－硅片厚度下限150m。

降低硅片厚度是結構電池降低成本的重要技術方向之一。

2/6/202371Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST太陽電池向薄片化方向發展2/6/202372Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUSTSharp單晶硅組件2/6/202373Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUSTUltrathin

Multicrystalline

SiHighEfficiencySolarCells

–Fraunhofer-20.3%－世界記錄

2/6/202374Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST硅片厚度的發展：70年代－450～500m，

80年代－400～450m。

90年代－350～400m。

目前－260～300m。

～2010年200～260m。

～2020年100～200m。2/6/202375Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST(2)帶硅技術

直接拉制硅片－免去切片損失(內園切割，刀鋒損失300～400m。

線鋸切割，刀鋒損失～200m)。

過去幾十年里開發過多種生長帶硅或片狀硅技術2/6/202376Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST①EFG帶硅技術采用石墨模具－電池效率13％－15％。該技術于90年代初實現了商業化生產，目前屬于RWE(ASE)公司所有。2/6/202377Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/202378Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST②蹼狀帶硅技術在表面張力的作用下,插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會同時長出一層如蹼狀的薄片,所以稱為蹼狀晶。切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶制作太陽電池。蹼狀晶為各種硅帶中質量最好,但其生長速度相對較慢。2/6/202379Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST③Astropower的多晶帶硅制造技術該技術基于液相外延工藝，襯底為可以重復使用的廉價陶瓷。實驗室太陽電池效率達到15.6％，該技術實現了小規模的商業化生產。2/6/202380Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.薄膜太陽電池

4.1硅基薄膜太陽電池

4.2化合物半導體薄膜電池

4.3染料敏化TiO2太陽電池(光化學電池)4.4有機電池

4.5熱光伏(TPV)電池2/6/202381Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.1硅基薄膜太陽電池

1)非晶硅(a-Si)太陽電池

a-Si

是Si-H(約10％)的一種合金。

1976年－RCA實驗室－D.Carlson和

C.Wronski

2/6/202382Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

優點：①資源豐富，環境安全；②光的吸收系數高，活性層只需要1m

厚，省材料；③沉積溫度低，成本襯底上，如玻璃、不銹鋼和塑料膜上等。④電池/組件一次完成，生產程序簡單。缺點：①效率低②不穩定－

光衰減(S-W效應)。

2/6/202383Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/202384Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/202385Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/202386Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

實驗室效率：初始穩定單結：12％6－8％雙結：13％～10％三結：15.2%～13％

商業化電池效率：單結：3％～4％雙結：～6％三結：7％～8％

2/6/202387Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

◆我國非晶硅電池研究在上世紀80年代中期形成了高潮，30多個研究組從事研究。實驗室初始效率8％～10％；

◆80年代后期哈爾濱和深圳分別從美國Chrona公司引進了1MW生產能力的單結非晶硅生產線，穩定效率3％－4％之間。

◆自90年代后有較大收縮。

◆2000年，以雙結非晶硅電池為重點的硅基薄膜太陽電池研究被列入國家“973”項目，我國非晶硅電池的又進入一個新的研究階段。目前雙結初始實驗室效率8％～10％，穩定效率～8％?

2/6/202388Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2)多晶硅薄膜電池①高溫技術路線－以RTCVD為代表－優點；薄膜結晶質量好，晶粒尺寸大，容易作出高效率電池，缺點：工藝溫度高～1000℃，襯底難解決。襯底材料：陶瓷，石墨，硅片。2/6/202389Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUSTFraunhofer研究所－SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底，RTCVD－ZMR，效率分別達到9.3％和11％。RTCVD－ZMRnon-activeSi

substrate

=15.12%(北太所)

modellingceramicsubstrate=10.21%

(北太所)ParticleribbonSi

=8.25%(廣州能源所＋北太所)2/6/202390Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST②低溫技術路線－以PECVD為代表優點：工藝溫度低，200～300℃，襯底容易獲得：玻璃，不銹鋼等；缺點：薄膜質量低，晶粒小，納米極。日本Kaneka公司－PECVD－玻璃襯底pin結構的多晶硅薄膜電池，效率10％；南開大學結合“973”項目－PECVD－實驗室小面積電池正在研制(~6%)。2/6/202391Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST澳大利亞PacificSolar公司PECVD－玻璃襯底－迭層多晶硅薄膜電池，效率6％。(1)玻璃襯底，(2)多層薄膜，(3)第一次電極刻槽(4)第二次電極刻槽，(5)金屬化2/6/202392Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST③硅球太陽電池這種電池是由在鋁箔上形成連續排列的硅球所組成的，硅球的平均直徑為1.2mm，每個小球均有p-n結，小球在鋁箔上形成并聯結構。實驗室效率達到10%。硅球電池在技術上有一定的特色，但規模化生產仍存在許多技術障礙。2/6/202393Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.2化合物半導體薄膜電池

GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁帶寬度在1～1.5eV,與太陽光譜匹配較好。同時這些半導體是直接帶隙材料，對陽光的吸收系數大，只要幾個微米厚就能吸收陽光的絕大部分，因此是制作薄膜太陽電池的優選活性材料。

GaAs電池主要用于空間，CdTe

和CIS電池被認為是未來實現低于1美元/峰瓦成本目標的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個研究課題。2/6/202394Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST1)CdTe電池

CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV,理論效率28%，性能穩定，一直被光伏界看重。工藝和技術－近空間升華(CSS),電沉積，濺射、真空蒸發，絲網印刷等；實驗室電池效率16.4%；商業化電池效率平均8～10％；

CdTe電池90年代初實現了規模化化生產，2002年市場份額為0.3％。2/6/202395Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST我國CdTe電池的研究工作開始于80年代初。◆內蒙古大學－蒸發技術◆北太所－電沉積技術，1983年效率5.8%。◆

90年代后期四川大學－近空間升華，“十五”期間，列入國家“863”重點項目，并要求建立0.5兆瓦/年的中試生產線。電池效率達到13.38％。2/6/202396Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2)CIGS電池

CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半導體，帶隙1.04eV。◆

70年代中后期波音公司－真空蒸發，電池效率達到9％；◆80年代開始，ARCOSolar公司處領先地位；◆

90年代后期，NREL保持世界記錄，19.5%；◆90年代初起，許多公司致力實現商業化生產該電池目前處在兆瓦級中試生產階段，

ARCOSolar－Simens

－Shell公司。2/6/202397Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST我國南開大學、內蒙古大學和云南師大等單位于80年代中期先后開展了CIS薄膜電池研究,南開大學－蒸發硒化法－電池效率9.13%。“十五”列入“863”重點項目，并要求建立0.3兆瓦/年的中試生產線。目前效率12.1%2/6/202398Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST幾種薄膜電池的效率進展2/6/202399Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.3染料敏化TiO2太陽電池染料敏化TiO2電池實際是一種光電化學電池。早期的TiO2光電化學電池穩定性差、效率低。1991年瑞士Gr?tzel

將染料敏化引入該種電池，效率達到7.1%，成為太陽電池前沿熱點之一。目前這種電池的實驗室效率達到11％。2/6/2023100Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST我國“十五”列入“973”重大課題－中科院等離子物理所、化學所、物化所，實驗室小面積電池效率10％。中科院物理所、化學所的固態電解質電池列入“863”，效率5％。2/6/2023101Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.4有機電池比利時IMEC公司開發一種塑料太陽電池使用具有施主和受主性能的有機材料，電池效率5％2/6/2023102Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

共軛高分子聚合物材料由于沿著其化學鏈的每格點已軌道交迭形成了非定域化的導帶和價帶，因而呈現半導體性質。通過適當的化學摻雜可達到高電子遷移率，禁帶寬度為幾個電子伏特。有機半導體有許多特殊的性質，可用來制造許多薄膜半導體器件，如：場效應晶體管、場效應電光調制器、光發射二極管、光伏器件等。用有機半導體制造太陽電池工藝簡單、重量輕、價格低、便于大規模生產。

2/6/2023103Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST

用于光伏器件的高分子材料主要有酞青鋅（ZnPc）、甲基葉林（TTP）、聚苯胺（PAm）、聚對苯乙炔（PPV）等。一般用金屬電極與有機半導體之間形成肖特基勢壘和產生的內建電場，離解光生激子成為自由載流子并驅動載流子在有機半導體中傳輸。

2/6/2023104Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST4.5熱光伏(TPV)電池紅外輻射TPV

電能應用：工業廢熱回收等。典型器件：GaSb(Eg

～0.6~7eV),InP,Si,

系統：熱源－輻射器－電池效率：～1000K2～3％，目前。

1200－1700K，～10％，未來

。2/6/2023105Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST四太陽電池的未來發展趨勢

４.1商業化趨勢◆

1998年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶硅電池。◆從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。◆非晶硅從80年代初開始商業化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。◆

CdTe電池從80年代中期開始商業化生產，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一；◆

CIS電池的產業化進程比較緩慢，生產工藝難于控制，In是稀有元素；◆Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業化僅兩三年，發展迅速。2/6/2023106Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2001、2002年各種電池的市場份額和開始商業化時間電池技術市場份額%商業化時間單晶硅35.13－29.4670‘初(地面應用)多晶硅47.33－54.4470年代末非晶硅8.62－5.580年代初α

-Si/c-Si(n)4.61－5.990年代末帶硅3.48－3.380年代中薄硅/陶瓷0.26－0.390年代中CdTe0.39－0.380年代中CIS0.18－/00年代初

2/6/2023107Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST2/6/2023108Prof.GuoyouGAN,SchoolofMSE,KMUST20012002

mc-Si184.8547.33%278.954.44%Sc-Si137.1835.13%150.9129.46%a-Si