第五讲-太阳能电池材料化学.ppt

* (4)持久 只要太阳存在，太阳能就一直存在。根据天文学的研究结果，太阳系已存在约50亿年。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1011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常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。 中国绝大多数地区太阳能资源相当丰富，年日照时数大于2200h，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，因此中国发展太阳能的前景十分光明。 我国太阳能的资源状况分析： 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，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，是近年来发展最快、最有活力的研究领域。 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：(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”)；(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；(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，从而获得电能。 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。 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。 几个基本概念和太阳能电池将光能转变为电能的过程： 太阳能电池的分类 (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、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及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。 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一大类太阳能电池。研究应用较多的是砷化镓(GaAs)、铜铟锡(CuInSe2)、碲化镉(CdTe)、磷化铟（InP）等太阳能电池。由于多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。 在太阳能应用中，90%由硅太阳能电池占据，其中转换效率最高，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。 (4) 有机化合物太阳能电池 以酞菁、卟啉、叶绿素等为基体材料的太阳能电池，如有机p-n 结电池、有机肖特基型太阳能电池等。 (5) 塑料太阳电池 如聚乙炔太阳能电池、共轭聚合物/C60复合体系电池等。 本章重点是关于单晶硅太阳能电池 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4.3×10-6 Ω-1?cm-1，300K时的禁带宽度为1.12 eV。单晶硅不仅是现代信息产业的基础材料，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，预计在很长的一个时期仍将继续保持。 单晶硅的结构 单晶硅中的硅与硅之间具有4个共价键，具有特有的金刚石结构。晶体中每个Si原子的配位数为4，形成4个Si-Si单键，体对角线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体对角线的原子，硅晶体结构中的金刚石晶格常数a为0.543 nm。如果使用硬球模型(硅原子的半径是0.118nm)，最近的两个相邻原子间的距离为0.235 nm，如下图所示。 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。作为硅的常见施主是P、As和Sb，受主是B、Al和Ga。它们是取代杂质，其离子化电位在 0.04～0.07eV的范围内。 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，并具有最高的表面键密度，而(110)面具有最高的总的键密度。 单晶硅的光电转化原理 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（如图1-3）。如在硅晶体中掺入能够释放电子的