Solar Cell
2.0 mm 4x1021
Solar Spectrum
1.0 mm 0.7 mm
0.4 mm
IR
Visible
UV
3x1021
Photons/m 2/sec/eV
2x1021
1x1021
0
0.5 c-Ge 1 c-Si 1.5
2
2.5
3
3.5
4
nc-Ge mc-Si
Photon Energy (eV)
-
-
Static Electric Field
+
+
Fixed dopant ions
-
+
Contains negative mobile charge carriers
半导体光伏效应原理
阳光
P
-e
半导体P/N 结
--
+
+h - -
P --
--
++ + + -e ++ N ++
N +h
-
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结 电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接 通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
组件--用电池片组成阵列，作为一个电池应用单元 封装是太阳能电池生产中的关键步骤，
电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而 且还增强了电池的抗击强度。
薄膜太阳能电池
非晶硅(a-Si)、效率仅为7%左右并存在光致衰减现象，非 晶硅薄膜电池已经商品化，占整个PV市场份额的8.9% 左右
铜铟硒系列(CuInSe2和CuInGaSe2），实验室效率达19.8%， 但由于组分多、结构复杂，导致成品率低。
(t)
Hot Probe Measurement
Sign of Majority Charge Carrier
+
-
Voltmeter
Hot Probe (Cu)
E
V+
V-
Cold Probe
(Al)
N-doped Sample
转化效率
太阳电池最大的功率输出与照射到太阳电池 的总辐射能之比
η=Pm/ Pin=Voc Isc FF / At Pin
2）化合物半导体电池— CdTe，CIS/CIGS，GaAs， InP……
3）有机电池--聚合物多层修饰电极型太阳能电池(染料敏化电 池)
技术成熟程度： 1）晶体硅电池： 单晶硅，多晶硅, GaAs, InP 2）薄膜电池： a-Si，CIGS，CdTe, 球形电池，多晶硅薄膜, 染料敏化电池 3）新型概念电池：量子阱电池，带隙递变电池，偶极子电池， 杂质结电池……
B (3 valence electrons)
For p-type doping Results in extra holes
The PIN Structure
Contains positive mobile charge carriers
P - layer
-
I - layer
N - layer
+
Glass Slide
Cathode (V+)
PH3
SiH4
H Si P
H2 Plasma Confinement Chamber
GND
太阳能电池
1. 单晶硅: 光电转换率大于20 %, 性能稳定; 价格高. 2. 多晶硅: 光电转换率可达 15 %, 价格低. 3. 非晶硅: 光电转换率低; 用料省(1mm;
开发新能源
太阳能：辐射于地面的太阳能1万 倍于目前人类所需能源，取之不尽， 用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地 域和气候影响大。 太阳能可分为光伏能和太阳炉，光 电转换效率不高！
太阳能汽车
太阳能热水器
FUNCTION OF THE SOLAR CELL ...
I
CONVERTS LIGHT INTO ELECTRIC CURRENT
Energy Band Structures and Conductivity
Metals
Semiconductors and Insulators
Silicon Doping
eh+
Si (4 valence electrons)
P (5 valence electrons)
For n-type doping Results in extra electrons
Global CO2 emissions from fossil fuel burning, cement production, and gas flaring for 1751-1999
GDP Growth and Carbon Dioxide Emissions
While gross domestic product (GDP) grew by 38 percent from 1990 to 2000, energy-related carbon dioxide emissions grew by 16 percent.
Solar Power: Not Cheap Enough Soon Enough!
Solar power needs to be 10-100 times cheaper to be competitive
Even relatively low-tech wind power has taken 20 years to
a=0.37 a=0.5653 a=0.5653
占市场70-80% 占市场10-20% 空间电池衬底
空间电池 薄膜电池的一级
薄膜电池 腐蚀, 未应用
薄膜电池
各种半导体太阳能电池的效率
太阳能电池种类
晶体硅 硅
非晶硅
化合物 半导体
有机半 导体
二元素 三元素
半导体材料 单晶硅 多晶硅
Cell转换效率 15-24% 10-17%
DSSC工作原理
⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； ⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； ⑶ 电子扩散至导电基底，后流入外电路中； ⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； ⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一 个循环。
DSSC电池各组成部分的研究进展
(也有人分别称上述电池为：第一代，第二代，第三代电池。)
按电池结构分为： 1）直接能隙电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅 2）串联结构电池- 叠片型号, 混合型
太阳电池的半导体材料
材料
晶体Si 非晶Si
Ge GaAs CdS
CdTe AlSb CuInSe2
能隙 (eV)
1.12 1.5-2.0
0.66 1.424 2.42
新能源材料
太阳能电池材料
北航材料学院
太阳能电池材料
材料类型
材料
多晶
硅
非晶（膜）
单晶
化合物半导 体
GaAs（晶） CdS，CdTe（膜）
CuInSe2（膜）
敏化纳米染料薄膜（大面积）
有机太阳能转换膜
转化效率% 9－12 6－9 ～20 18－30 10－12 10－12 5 <5
Global Carbon Dioxide Emissions
decrease in cost by 85%
光电转换效率低
最近美国加 州大学开发 出多波段半 导体光电转 换材料，其 转换率高达 37%...
硅材料制备
1. 多晶硅 定向凝固
单晶硅
非晶硅
Film Growth: Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition (PECVD) Process
小量
量
小量
小量产
小量产
无量产
小量产
大量生产
小量产
薄膜太阳能电池不光在成本上优与硅片太阳能电池， 而却它在能有更广的用途, 因为它能产生在可变形的薄片上。
晶体硅太阳能电池片的生产流程
硅片
清洗
制绒
扩散掺杂
质量分级
电池性能监测
印刷电极
沉积反射膜
引线焊接
安装组件
组件质量检测
质量分级
太阳能电池（组件）生产工艺
……
非晶硅薄膜电池的制备工艺
非晶硅薄膜电池的制备工艺
染料敏化太阳能电池
Dye-Sensitized Solar Cells（DSSC）
DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电 子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半 导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经 由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I 3+溶于有机溶剂中 形成。
目前CIS系列太阳电池的效率在12％～15％ 最佳单电池转换效率达到19.2%
太阳光照射到电池后的主要损失环节
入射光
光反射 光透射
表面复合 体内复合 电池电阻
输出电能
影响转化效率的因素
禁带宽度 温度
少数载流子寿命 掺杂浓度及其分布
光强 电池电阻
太阳能电池分类
按材料分为：
1）硅电池—单晶硅，多晶硅，非晶硅
染料敏化太阳能电池的能量 转化效率已达到11. 2%
染料敏化纳米晶太阳能电池，由制备在导电玻璃或透明导 电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜、敏化剂分子、电解质和对电 极组成，其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半 导体薄膜构成光阳极。
结构上DSC就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被 敏化剂所代替，纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊 体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递 电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起 着吸收太阳光光子的作用。