《光伏材料导论》课件

光伏材料导论欢迎学习光伏材料导论课程本课程将系统介绍光伏材料的基础理论、分类特性、制备工艺以及前沿发展通过学习，您将了解从传统晶硅到新型钙钛矿等各类光伏材料的工作原理、性能特点及应用前景在全球能源转型和双碳战略背景下，光伏产业正迎来前所未有的发展机遇掌握光伏材料知识，不仅能够理解清洁能源技术的核心，更能为未来绿色能源领域的研究与创新打下坚实基础课程目标与内容简介基础理论掌握深入理解半导体物理、光电转换原理、能带结构等光伏材料的核心理论基础，建立系统化的专业知识体系材料特性研究全面了解晶体硅、薄膜、有机和钙钛矿等各类光伏材料的结构特性、制备工艺及性能优缺点比较前沿技术跟踪紧密关注全球光伏材料研究最新进展，包括高效率、低成本、环境友好的新型光伏材料发展趋势应用场景分析学习光伏材料在电池组件、建筑一体化和新型集成应用中的实际应用案例，培养综合分析能力学习方法与考核方式课堂学习与讨论每周课堂将结合理论讲解与小组讨论，鼓励同学们就热点问题展开深入交流课程将邀请行业专家进行专题讲座，拓展实际应用视野实验与实践安排4次实验课，包括光伏材料表征、电池制备与测试等内容学生需完成实验报告，综合分析实验结果与理论预期的差异考核评估总成绩由平时表现20%、实验报告30%和期末考试50%组成课堂将进行2-3次随堂测验，计入平时成绩期末考试采用开卷形式，重点考察分析问题与解决问题的能力什么是光伏？光生伏特效应原理光伏（Photovoltaic）源自光生伏特效应，是指当光照射到某些材料表面时，光子能量被吸收后激发电子，产生电流的物理现象该效应于1839年由法国物理学家贝克勒尔首次发现光电转换过程光伏材料（通常是半导体）吸收光子后，在其内部产生电子-空穴对在内建电场作用下，电子和空穴被分离并定向移动，从而在外电路中形成电流，实现光能到电能的直接转换广泛应用领域光伏技术已广泛应用于地面发电站、分布式屋顶电站、建筑一体化系统、便携式设备供电、太空卫星和远程通信站等多个领域，成为全球能源转型的重要支柱太阳能资源简介全球太阳能分布开发利用现状与潜力地球表面每年接收的太阳能约为

1.73×10^17瓦，相当于全球年目前全球太阳能开发利用率不足

0.1%，存在巨大发展空间随能源消耗的10,000倍以上太阳能分布呈现明显的地理差异，着光伏技术效率提升和成本下降，太阳能已成为最具竞争力的能赤道及其附近地区日照资源最为丰富，而向两极方向逐渐减弱源选择之一近年来，全球光伏装机容量年均增长超过25%全球太阳能资源分布主要受纬度、气候及地形等因素影响中国中国是太阳能资源较为丰富的国家，全国2/3地区年日照时数超西北、中东、澳大利亚中部、非洲撒哈拉地区和美国西南部等地过2200小时，尤其青藏高原、内蒙古、新疆等地区拥有世界级区拥有优质的太阳能资源的优质太阳能资源，开发潜力巨大全球与中国光伏产业发展光伏技术路线演变简史第一代晶体硅技术年11954-1954年，贝尔实验室开发出首个实用化晶硅太阳能电池，效率约6%经过数十年发展，单晶硅和多晶硅电池已成为市场主流，效率分别达到25%和23%左右，占据全球市场90%以上份额第二代薄膜技术年代21980-1980年代，非晶硅、CdTe、CIGS等薄膜电池开始商业化薄膜技术具有材料消耗少、柔性可弯曲等优势，但效率通常低于晶硅近年来随着制造工艺改进，顶级薄膜电池效率已超过23%第三代新型高效技术年代32000-包括HIT/HJT异质结、TOPCon电池以及多结叠层电池等通过改进结构和材料，这些技术突破了传统单结电池的效率极限，实验室多结电池效率已超47%，但制造成本较高第四代新兴材料技术年代42010-包括钙钛矿、有机光伏、量子点等新型材料尤其钙钛矿电池，自2009年应用于光伏领域后，效率从

3.8%迅速提升至今天的26%以上，展现出巨大潜力，成为研究热点半导体基础能带结构:能带概念的物理意义原子集合形成固体时，电子能级分裂成能带主要能带分类价带、导带与禁带三种基本结构半导体能带特征适中的禁带宽度决定光电特性在半导体材料中，能带结构是理解光伏效应的关键能带是指电子在晶体中允许存在的能量状态范围价带Valence Band是被电子充满的能带，而导带Conduction Band则是电子获得能量后可以自由移动的能带两者之间的能量差称为禁带宽度Band Gap不同光伏材料的禁带宽度各不相同硅约为

1.12eV，GaAs为

1.43eV，CdTe为

1.5eV，钙钛矿可调范围为

1.2-

2.3eV禁带宽度直接决定了材料可吸收的光谱范围和理论转换效率理想的光伏材料禁带宽度约为

1.4eV，能够平衡光子吸收和能量损失半导体基础掺杂与载流子:本征与掺杂半导体载流子分类与作用纯净的半导体称为本征半导体，电子和空穴浓度相等而通过掺N型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流子；P型半入微量杂质可形成掺杂半导体，显著改变其电学性质掺杂是光导体则相反在光伏器件中，少数载流子对光电转换至关重要伏材料制备的关键工艺在硅材料中，常见掺杂元素包括五价元素如磷、砷形成N型•多数载流子浓度高，导电主要贡献者半导体，三价元素如硼、镓形成P型半导体掺杂浓度通常为•少数载流子浓度低，但在光伏过程中起关键作用10^15-10^18/cm³范围•载流子寿命影响光生载流子收集效率•迁移率影响载流子传输速度与电阻率光吸收与电子激发过程入射光子吸收当光子能量大于或等于半导体禁带宽度时，价带电子吸收光子能量被激发到导带，形成自由电子不同波长光子具有不同能量，红外光约

0.5-

1.5eV，可见光约

1.5-

3.0eV，紫外光

3.0eV以上电子空穴对形成-电子跃迁到导带后，在价带留下空穴这对电子-空穴构成了光生载流子对，是光电转换的基础光生电子-空穴对的浓度与入射光强度和材料吸收系数成正比材料吸收特性吸收系数α决定光在材料中的穿透深度，直接影响所需材料厚度直接带隙材料（如GaAs、CdTe）的α值约10⁴-10⁵/cm，吸收强；间接带隙材料（如硅）的α值约10²-10³/cm，吸收较弱，需更厚材料层结及其在光伏器件中的作用PN结形成机理载流子分离过程PN当P型与N型半导体接触，在界面处多数光生电子-空穴对在内建电场作用下被分载流子扩散形成耗尽区，产生内建电离电子向N区移动，空穴向P区移动，场这个电场方向从N区指向P区，强度形成光生电流，这是光伏效应的核心机通常为10³-10⁴V/cm制外电路输出光电压形成通过前后电极收集分离的载流子，在外载流子分离累积导致两侧形成电势差，电路中形成电流，实现光能向电能的转产生开路电压Voc电池的Voc理论上换，为负载供电限约为材料禁带宽度的60-80%光电转换效率定义与限制效率定义与测量光电转换效率η=输出电能/入射光能×100%理论极限极限SQ单结太阳能电池理论最高效率约33%主要损失机制热损失、光学损失与电学损失Shockley-Queisser极限是单结太阳能电池的理论效率上限，源于三大不可避免的损失低能光子不被吸收（约23%）、高能光子能量部分浪费为热（约33%）、辐射复合损失（约11%），导致理论极限约33%突破SQ极限的策略包括多结叠层电池（效率可达

47.1%）、上转换/下转换材料（调整光谱）、量子点与中间带电池、热电子收集等目前商业硅电池效率22-24%，高效HJT/TOPCon约24-26%，钙钛矿实验室效率超26%，但稳定性尚待提高温度与环境对光伏性能的影响温度效应光照强度与光谱温度升高会导致光伏器件效率下降，通光照强度直接影响输出电流在低光照常用温度系数表示硅电池的温度系数条件下，效率通常会降低，但某些薄膜约为-

0.4%/°C，意味着温度每升高和新型电池在弱光下性能保持较好光1°C，输出功率下降约

0.4%这是因为谱分布变化也会影响不同带隙材料的响温度升高会导致禁带宽度减小，载流子应，如早晚太阳光红外比例增加，有利复合增加于小带隙材料不同材料的温度敏感性不同薄膜CdTe电池约-

0.25%/°C，非晶硅约-

0.2%/°C，HJT电池约-

0.3%/°C，表现出较好的高温性能老化与稳定性光伏材料在环境中会发生各种老化现象晶硅电池主要是光致衰减（LID），薄膜电池如非晶硅存在严重的光致退化（Staebler-Wronski效应），钙钛矿材料面临水汽、氧气和紫外线稳定性挑战商业组件通常保证25年后输出功率不低于初始值的80%光伏材料主要类型晶体硅材料薄膜材料包括单晶硅和多晶硅，市场占比超过90%包括非晶硅、CdTe、CIGS等•禁带宽度:

1.12eV•厚度通常小于几微米•最高效率:

26.7%•材料消耗少，可柔性•资源丰富，技术成熟•最高效率:CIGS

23.4%新兴光伏材料化合物半导体钙钛矿、有机光伏、量子点等包括GaAs、InP等高效材料•效率提升快，工艺简单4•直接带隙，吸收系数高•钙钛矿效率已超26%•GaAs单结效率达

29.1%•稳定性、环保性待解决•成本高，主用于航天第一代光伏材料晶体硅单晶硅多晶硅单晶硅由高纯多晶硅通过直拉法CZ或区熔法FZ制备，晶体结多晶硅由高纯多晶硅通过定向凝固铸锭法制备，内部含有晶界和构完美有序，呈现均匀的深蓝色或黑色外观，电池片通常为圆形缺陷，表面呈现不规则蓝色花纹，电池片为方形或准方形•优点成本较低，制备能耗小，方形利用率高•优点效率高23-25%，稳定性好，寿命长30年以上•缺点效率低于单晶约20-22%，晶界复合损失大•缺点能耗高，成本较高，切片损耗大•市场应用大型地面电站，性价比优先场景•市场应用高端屋顶、效率优先场景近年来，随着技术进步和规模效应，单晶硅成本大幅下降，市场份额已超过多晶硅新兴的N型单晶硅如TOPCon、HJT技术正引领高效电池方向，效率可达25%以上，成为市场主流趋势第二代与新兴光伏材料材料类型代表材料禁带宽度eV最高效率%特点薄膜材料非晶硅a-Si

1.7-

1.

814.0低成本，光致退化严重薄膜材料CdTe

1.

522.1吸收强，含Cd毒性薄膜材料CIGS

1.0-

1.

723.4效率高，工艺复杂有机光伏聚合物/小分

1.4-

2.

018.2柔性，稳定性子差钙钛矿MAPbI₃

1.2-

2.

326.1效率高，可调带隙第二代薄膜光伏材料具有材料消耗少、可柔性、大面积制备等优势，适用于轻量化和特殊应用场景而新兴的有机光伏和钙钛矿材料则展现出低温溶液法制备、带隙可调、成本潜力大等特点，尤其钙钛矿电池效率在短短十年内从

3.8%迅速提升至26%以上，成为研究热点单晶硅材料结构与特性金刚石晶格结构单晶硅具有典型的金刚石晶格结构，每个硅原子与四个相邻硅原子形成共价键，键长为

0.235nm，晶格常数为

0.543nm这种高度对称的晶体结构保证了电子在晶格中有序移动，减少散射，提高载流子迁移率载流子寿命单晶硅中少数载流子寿命长（通常100μs），直接决定了光生载流子的收集效率高质量单晶硅的载流子寿命可达毫秒级，而多晶硅通常为几十微秒影响载流子寿命的因素包括晶体缺陷、杂质浓度和表面态纯度与掺杂要求太阳能级单晶硅纯度通常为6N-9N（

99.9999%-

99.9999999%），远低于电子级硅（11N以上）常见掺杂剂为硼（P型）和磷（N型），掺杂浓度约10¹⁵-10¹⁶cm⁻³，电阻率1-5Ω·cm范围内光学特性硅为间接带隙半导体，禁带宽度

1.12eV，对应吸收波长约1100nm以下吸收系数在可见光区域约10³cm⁻¹，需要150-200μm厚度才能充分吸收通过表面织构和镀膜可将反射率从35%降至5%单晶硅电池制备流程单晶硅生长采用直拉法Czochralski，CZ法或区熔法Float Zone，FZ法CZ法是将高纯多晶硅在石英坩埚中熔化，然后用晶种缓慢拉出单晶硅棒，直径通常为8-12英寸，长度1-2米FZ法通过无坩埚区熔获得更高纯度硅材料，但成本高，主要用于高效电池研究切片与清洗使用金刚线切割技术将硅棒切成厚度约150-160μm的硅片切割过程损耗约40%材料（硅料变硅粉），是重要成本来源切片后进行多步化学清洗，去除表面损伤层和切割液残留传统片厚350μm，如今已减薄至150μm以下掺杂与扩散对硅片进行织构处理形成金字塔结构，降低反射率通过高温扩散（如POCl₃）在P型硅上形成N型发射层，形成PN结扩散温度约850-950℃，时间20-30分钟，结深约

0.3-

0.5μm也可通过离子注入等方式实现掺杂电极形成与封装采用丝网印刷技术在前表面形成栅线电极（通常为银浆），背面形成全覆盖电极（通常为铝浆）经高温烧结（约800℃）后形成欧姆接触最后进行测试分选，并封装成组件新型电池如HJT、TOPCon采用更复杂的制备工艺多晶硅材料制备与性质铸锭法制备工艺1多晶硅通过定向凝固法制备，将熔融硅液倒入方形石英坩埚中缓慢冷却结晶晶粒结构与缺陷典型晶粒尺寸1-10mm，晶界处电子-空穴复合几率高杂质控制与分布3碳、氧等杂质在晶界和晶粒内不均匀分布多晶硅的制备工艺相比单晶硅更为简单经济典型的多晶硅铸锭炉可一次性生产450-800kg的硅锭，尺寸约为84×84×28cm冷却过程中，采用精确的温度梯度控制以形成垂直于底部的柱状晶粒结构，减少横向晶界对电子传输的阻碍多晶硅的主要缺陷包括晶界、位错、孪晶以及金属杂质偏析这些缺陷成为载流子复合中心，降低电池效率为改善多晶硅质量，行业发展出高性能多晶HPM技术，通过优化晶粒尺寸和取向，可将效率提高1-

1.5%然而，随着单晶硅成本下降，多晶硅市场份额已大幅降低单多晶硅市场及性能对比/硅片减薄与高效硅片发展硅片尺寸演变从125mm×125mm的小尺寸，发展到156mm×156mm标准尺寸，再到目前的182mm和210mm大尺寸大尺寸硅片可减少组件封装中的非有效面积，提高系统效率，同时降低BOS成本210mm硅片比156mm硅片的组件功率提升约60%硅片减薄趋势硅片厚度从早期的350-400μm降至目前的150-160μm，未来有望达到120μm以下减薄可降低材料成本，提高光子利用率，但增加了破碎风险和工艺难度减薄需配合改进的切割、处理和封装技术型硅片崛起3N相比传统P型硅片，N型硅片具有更高少子寿命、无光致衰减LID、更低的温度系数等优势随着TOPCon和HJT技术的发展，N型硅片市场占比从2020年的10%左右迅速提升至2023年的40%以上，预计2025年将超过70%硅异质结（）电池原理HIT/HJT高效率机制1量产效率可达25%以上，接近硅理论极限异质结结构结合晶硅与非晶硅优势，界面钝化损失小低温工艺优势全工艺温度200℃，热损伤小，载流子寿命长硅异质结HJT电池是将非晶硅a-Si:H薄膜沉积在N型单晶硅基底表面，形成异质结构的高效电池其核心结构包括N型单晶硅基底（约150μm厚）、本征非晶硅薄层（约5nm，提供出色的界面钝化）、掺杂的P型和N型非晶硅薄层（分别在前后表面，约10nm厚）、透明导电氧化物TCO薄层（通常为ITO，约80nm）以及金属电极HJT电池的突出优势包括双面发电能力强（双面率可达90%以上）、温度系数低（约-

0.30%/℃，比常规PERC低25%）、无光致衰减问题主要挑战在于设备投资高、银浆消耗大、工艺窗口窄目前领先企业已实现

25.5%以上的量产效率，是高效电池主要技术路线之一等新型硅电池PERC/PERT/PERL结构技术钝化发射区背接触技术穿透局部PERCPERT/PERL/发射区PERC电池在传统电池背面增加了钝化层PERT电池采用N型硅基底，前后表面均和局部开孔，显著提高了长波光的利用进行高度钝化，形成对称或非对称结率和背面钝化效果背面采用构PERL则在背面形成局部扩散区与金Al₂O₃/SiN₂钝化堆栈，通过激光开孔实属接触，进一步减少复合损失相比现局部金属接触这一创新使得量产效PERC，PERT/PERL具有更好的双面特性率从传统的18-19%提升至22-23%，目和无LID优势，效率可达23-24%，但工前已成为市场主流技术，占比超过艺更为复杂80%技术隧穿氧化层钝化接触TOPConTOPCon技术在硅片背面沉积极薄氧化层1-2nm和掺杂多晶硅薄膜，形成优异的钝化接触结构这种设计大幅降低了背面接触复合，同时保持良好导电性量产效率已达25%以上，成为继PERC之后的主流技术方向，目前市场占比约25%并快速增长晶硅光伏材料回收与再利用废旧组件收集建立专业回收网络，对退役光伏组件进行分类收集目前全球每年废弃光伏组件约10万吨，预计2030年将达200万吨，2050年将超过8000万吨拆解与分离通过热处理或机械方法分离铝框、玻璃、EVA胶膜和电池片先进工艺可回收90%以上的玻璃和95%的铝材，是最具经济价值的部分硅材料提纯采用化学或冶金方法从电池片中提取高纯硅材料研究表明，回收的硅材料经再处理后纯度可达6N以上，可用于制造新电池循环再利用回收的硅材料可用于制备新电池或其他硅基产品，实现资源循环每回收1吨硅材料可减少约2吨CO₂排放随着全球光伏装机规模激增，电池组件回收问题日益突出欧盟已实施WEEE指令，要求回收废旧光伏产品，并建立了PV CYCLE等专业回收机构中国也正加速制定相关政策法规，支持回收产业发展先进的回收技术可使组件材料回收率达85%以上，其中硅材料回收成为技术和经济焦点薄膜光伏材料总览薄膜光伏材料是第二代光伏技术的代表，其活性层厚度通常在几微米至几十微米范围，比传统晶硅电池薄约100倍主要薄膜技术包括非晶硅a-Si、微晶硅μc-Si、碲化镉CdTe、铜铟镓硒CIGS和铜锌锡硫CZTS等薄膜光伏材料的主要优势包括材料消耗少、能耗低、可大面积制备、可实现柔性基底和轻量化设计这些特性使薄膜技术在建筑一体化BIPV、便携设备和特殊应用场景中具有独特优势目前薄膜技术市场份额约5-10%，主要厂商有First SolarCdTe和Solar FrontierCIGS等非晶硅薄膜材料a-Si结构与特性制备工艺与应用非晶硅是无序结构的硅薄膜，通常含有10-15%的氢原子（a-非晶硅主要通过等离子体增强化学气相沉积PECVD制备，原料Si:H），用于钝化悬挂键其禁带宽度约

1.7-

1.8eV，比晶硅的气体为硅烷SiH₄典型沉积温度约200-250℃，远低于晶硅工

1.12eV宽，因此对可见光尤其是蓝紫光吸收较强吸收系数约艺，可在大面积玻璃或柔性基材上沉积均匀薄膜10⁵/cm，只需1μm左右厚度即可吸收大部分可见光非晶硅电池结构通常采用p-i-n结构，其中i层本征层是主要吸由于无序结构，非晶硅中存在大量缺陷态，导致载流子迁移率和光层单结a-Si电池效率约6-8%，使用多结叠层结构如a-寿命较低，直接影响电池效率典型的电子迁移率约1cm²/Vs，Si/μc-Si串联电池可提高至10-12%主要应用于计算器、手表空穴迁移率约

0.01cm²/Vs，均比晶硅低2-3个数量级等小功率设备，以及BIPV和太空应用非晶硅电池最显著的问题是光致退化Staebler-Wronski效应，即在光照初期效率会下降15-30%，然后趋于稳定这是由于光照导致氢原子重构，形成额外缺陷所致虽然存在这一缺点，但非晶硅电池在弱光和高温条件下性能表现优于晶硅，市场仍有一定规模（碲化镉）薄膜材料CdTe

1.5eV理想禁带宽度接近太阳能电池理论最佳值10⁵/cm吸收系数2μm厚度可吸收99%可见光

22.1%实验室最高效率商业组件效率17-19%

0.4$/W制造成本全球最低成本薄膜技术CdTe是最成功的薄膜光伏材料之一，为直接带隙II-VI族化合物半导体其结构通常为CdS/CdTe异质结，前者为窗口层n型，后者为吸收层p型CdTe电池最大特点是工艺简单、可高速制造，典型制程包括玻璃基底清洗→TCO沉积→CdS窗口层→CdTe吸收层→背接触形成→封装全流程仅需2-3小时，而晶硅电池制造需2-3天CdTe技术面临的主要挑战是镉元素毒性和碲资源稀缺虽然研究表明封装后的CdTe组件在使用和处置过程中镉泄漏风险极低，但公众担忧仍限制其在某些地区应用First Solar作为全球最大CdTe制造商，已建立完善的回收体系，回收率达95%以上，在一定程度上缓解了资源和环保压力（铜铟镓硒）薄膜材料CIGS可调组分比例柔性基底优势制备工艺多样面临的主要挑战通过调整In/Ga比例可控CIGS可在聚酰亚胺等柔包括共蒸发法、溅射硒化铟资源稀缺且价格波动制禁带宽度

1.0-性基底上制备，厚度法和溶液法等共蒸发法大；组分和界面控制复

1.7eV，优化光谱匹配20μm，重量是晶硅组可获得最高效率

23.4%杂；量产一致性难以保典型组成为件的1/10，功率重量比但难以大规模生产；溅射证；户外稳定性需进一步CuIn₀.₇Ga₀.₃Se₂，禁带1kW/kg这使其在便硒化法兼顾效率和量产提高这些因素限制了宽度约

1.2eV组分优化携设备、车载和特殊建筑性；溶液法成本最低但效CIGS的规模化应用是效率提升的关键路径应用中具有独特优势率较低15-17%薄膜电池典型结构分析基底层提供机械支撑与密封保护前电极层透明导电氧化物，如ITO或AZO窗口层宽带隙材料形成异质结吸收层4主要光吸收与载流子产生区域背电极金属层提供电流收集薄膜太阳能电池通常采用叠层结构，按照光照方向从外到内依次排列以CIGS为例，典型结构为玻璃基底1-3mm→钼Mo背电极

0.5-1μm→CIGS吸收层

1.5-

2.5μm→CdS缓冲层50nm→高阻层ZnO50-100nm→透明导电氧化物TCO,300-500nm→电极栅线不同于晶硅电池的同质PN结，薄膜电池多采用异质结结构，即由不同材料形成的PN结这种设计可以优化光学与电学性能宽带隙窗口层透光好且形成内建电场；窄带隙吸收层提供高吸收率；缓冲层改善界面匹配层与层之间的能带排列和界面性质对电池性能至关重要，是薄膜电池研究的核心问题薄膜技术的优势与限制材料消耗低薄膜电池活性层厚度通常为1-3μm，比晶硅电池150-180μm薄约100倍，大幅降低材料成本CIGS活性层仅需1-2g/m²的铟和镓，CdTe约需8g/m²的碲，而晶硅电池需要约600g/m²的硅材料制造工艺集成度高薄膜电池采用整片玻璃一体化制备工艺，避免了晶硅电池的切片-电池-组件多步骤流程单条生产线可实现从玻璃到组件的全流程制造，设备投资和人力成本更低，且生产周期短特殊性能优势薄膜电池在高温和弱光条件下性能衰减较小，年发电量可比同功率晶硅组件高3-5%CdTe温度系数约-

0.25%/℃，CIGS约-

0.3%/℃，优于晶硅的-

0.4%/℃此外，柔性、轻量、半透明等特性也为特殊应用提供可能面临的主要挑战效率落后于晶硅约5个百分点；大规模制造良率和一致性控制难度大；部分技术面临材料毒性或资源稀缺问题；长期可靠性数据不足，增加投资风险随着晶硅成本持续下降，薄膜技术的成本优势逐渐减弱薄膜组件在实际应用中的案例建筑一体化光伏便携式与可穿戴设备交通工具应用BIPV薄膜电池可直接集成到建筑玻璃幕墙、天柔性薄膜组件可集成到背包、帐篷和衣物轻量化的薄膜组件适合集成到电动汽车、窗和屋顶瓦片中，实现美观与发电的双重等产品中，为户外活动提供便携电源某船舶和无人机表面丰田普锐斯的太阳能功能香港科技大学采用了半透明CIGS薄品牌推出的10W柔性CIGS充电器重量仅车顶使用薄膜技术，可为空调系统提供辅膜组件作为遮阳棚，每年可发电86,000千150g，折叠后大小相当于智能手机，受到助电力，每年可增加约1000公里的续航里瓦时，同时减少建筑制冷负荷户外爱好者欢迎程，同时不显著增加车重新型光伏材料简介有机光伏材料钙钛矿材料基于碳链的半导体聚合物或小分子，如ABX₃结构的有机-无机杂化物，如P3HT、PCBM等可溶液加工，制备温CH₃NH₃PbI₃禁带宽度可调

1.2-度低，适合柔性基底效率已从最初的

2.3eV，吸收系数高，载流子扩散长度21%提升至18%以上，但稳定性和寿命仍长效率从2009年的

3.8%快速提升至需提高现在的

26.1%，是研究热点量子点材料叠层结构纳米尺度半导体颗粒，通过量子限域效结合不同带隙材料的多结电池，常见如应调控能带结构尺寸可调控2-钙钛矿/硅叠层可充分利用光谱，效率310nm，理论上可实现多激子产生，突已超过32%结构设计和界面工程是关破SQ极限目前效率约

18.1%，面临表键研究方向面态和量子效率挑战有机光伏材料与电池有机光伏材料结构与特性器件结构与工作原理有机光伏材料主要包括共轭聚合物和小分子半导体，常见的电子典型结构为ITO/PEDOT:PSS/活性层/LiF/Al活性层通常采给体材料有P3HT、PTB

7、PBDB-T等，电子受体材料有富勒烯用体异质结结构，将给体和受体材料混合形成纳米相分离形态，衍生物PC₆₁BM、PC₇₁BM和非富勒烯受体ITIC、Y6等大幅提高激子分离效率有机半导体的光吸收源于π电子共轭体系，吸收系数高达工作原理包括四个步骤光吸收生成激子→激子扩散至给受体界10⁵cm⁻¹，但激子扩散长度短5-20nm，载流子迁移率低面→界面电荷分离→自由载流子传输与收集其中界面形态对电10⁻⁴-10⁻²cm²/Vs禁带宽度通常在

1.4-

2.0eV，可通过分子池性能至关重要，需精确控制混合比例、溶剂选择和退火条件设计调控•高效率实验室

18.2%，商业约12%•优势可印刷制造，材料多样，柔性轻量•挑战稳定性差，寿命短2-5年钙钛矿光伏材料效率迅速提升十年内从

3.8%提升至

26.1%，创纪录速度晶体结构特点ABX₃结构，A为有机阳离子，B为金属，X为卤素优异光电特性高吸收系数、长扩散长度、缺陷容忍度高钙钛矿光伏材料是一类具有ABX₃晶体结构的有机-无机杂化物，典型代表为CH₃NH₃PbI₃甲胺铅碘其中A位通常为有机阳离子MA⁺、FA⁺或无机离子Cs⁺、Rb⁺，B位多为Pb²⁺或Sn²⁺，X位为卤素离子I⁻、Br⁻、Cl⁻通过调整组分比例，可精确控制禁带宽度在

1.2-

2.3eV范围内，实现对太阳光谱的优化匹配钙钛矿材料结合了有机和无机半导体的优点吸收系数高达10⁵cm⁻¹，仅需约500nm厚度即可充分吸收可见光；载流子扩散长度长1μm，迁移率高1-100cm²/Vs；缺陷态密度低，少子寿命长1μs更重要的是，钙钛矿可通过低温溶液法制备100-150℃，显著降低能耗和设备投入，理论制造成本可低至

0.3$/W，具有巨大商业潜力钙钛矿硅叠层电池/叠层设计原理钙钛矿/硅叠层电池通过串联连接两种不同带隙的吸收层，实现对太阳光谱的更完整利用顶层钙钛矿~

1.7eV吸收短波光，底层硅

1.12eV吸收长波光，理论效率可达45%，远超单结电池的33%极限器件结构设计典型结构为透明电极/电子传输层/钙钛矿/空穴传输层/隧穿结/硅电池/背电极其中隧穿结是关键组件，实现两个子电池的电学连接，同时保证光学透明常用的隧穿结材料包括ITO、AZO等透明导电氧化物效率与进展钙钛矿/硅叠层电池效率从2015年的

13.7%迅速提升至2023年的

33.7%NREL认证，已超过单结GaAs电池

29.1%和最佳硅电池

26.7%牛津PV公司宣布已实现叠层电池28%的量产效率，并计划建设100MW产线技术与市场挑战主要挑战包括钙钛矿层的长期稳定性；大面积制备的均匀性控制；叠层结构带来的增量成本是否能被效率提升所补偿初步计算表明，33%效率的叠层组件与24%效率的单结硅组件相比，度电成本有望降低约20%，展现出强劲竞争力量子点与其他新型材料量子点光伏材料中间带太阳能电池量子点是纳米尺度2-10nm的半导体晶体，由中间带电池在常规PN结半导体中引入能量位于量子限域效应，能带结构可通过调整尺寸精于禁带中间的电子能级，允许吸收低于禁带宽确控制常见的光伏量子点材料包括PbS、度的光子，理论效率可达63%实现方式包括PbSe、CdTe、CdSe等禁带宽度可在

0.7-量子阱、量子点阵列或掺杂特殊材料

2.0eV范围内调控，实现对太阳光谱的优化匹目前研究主要集中在GaAs基质中嵌入InAs量配子点，或ZnTe:O等特殊材料体系虽然理论量子点材料的独特优势在于多激子产生MEG前景广阔，但目前效率仅约15%，提取中间带效应，理论上一个高能光子可产生多个电子-空载流子的效率仍是关键挑战穴对，突破SQ极限目前量子点电池实验室最高效率已达

18.1%，主要挑战在于表面态钝化和电荷提取效率硫化物和硒化物新材料CZTSCu₂ZnSnS₄和CZTSe材料由地球丰富元素组成，无毒环保，是替代CIGS的理想选择禁带宽度在

1.0-

1.5eV之间，吸收系数高达10⁴-10⁵/cm尽管组分可调且资源丰富，但由于深能级缺陷和相纯度控制难题，目前效率仅

12.6%其他新兴材料还包括Sb₂Se₃达

9.2%效率、SnS

4.4%等，它们在资源丰富、环境友好方面具有优势，但效率仍需大幅提升下一代光伏材料发展趋势高效率材料设计开发理论效率超越SQ极限的新概念材料，如多激子产生材料、上/下转换材料、热光伏材料等钙钛矿/硅叠层技术有望在5年内实现商业化，效率目标达35%以上稳定性提升策略通过组分工程、界面工程和封装技术提升新型材料耐候性将钙钛矿材料寿命从目前的数千小时提升至30年商业标准，是关键研究方向混合阳离子技术MA/FA/Cs已证明可显著提高稳定性环保材料替代开发无铅、无毒、资源丰富的替代材料Sn基钙钛矿、Bi基化合物和CZTS等正成为研究热点理想材料应同时满足高效率、高稳定性和环境友好性要求先进制造工艺发展适合大规模生产的低成本制造技术，如卷对卷印刷、大面积喷涂等钙钛矿墨水配方和干膜技术有望实现与现有生产线的兼容，降低转换成本光伏材料制备技术概述晶体生长技术气相沉积技术•直拉法CZ单晶硅主流工艺•PECVD非晶硅、微晶硅•区熔法FZ高纯度研究级硅•CVD各类碳薄膜和钝化层•定向凝固多晶硅铸锭•ALD原子级精确沉积•带状生长省去切片环节•溅射TCO和金属电极印刷与涂覆技术溶液法工艺•丝网印刷电极和掺杂浆料•旋涂实验室小面积制备•卷对卷生产柔性基底连续化•刮涂大面积均匀涂膜•激光刻蚀图案化与隔离•喷墨印刷精确图案化沉积•3D打印特殊结构设计•浸渍热转化CdTe、CIGS等晶体硅材料制备技术多晶硅制备1采用改良西门子法，将三氯氢硅TCS在1100℃还原反应制得高纯多晶硅工艺流程冶金级硅98%纯度→氯化→精馏提纯→CVD还原→电子级多晶硅9N-11N纯度近年来，颗粒硅等新工艺正逐步实现产业化，有望降低能耗达30-40%单晶硅生长CZ法是主流技术，将高纯多晶硅在2000℃熔化，用单晶硅籽晶以

0.5-

1.5mm/min的速度旋转拉制成8-12英寸直径的单晶棒典型拉晶参数转速10-15rpm，拉速60-100mm/h，整个过程需40-60小时先进的连续拉晶技术可在一次过程中制备多根单晶棒，生产效率提高50%以上切片与加工采用金刚线切割技术将硅棒切成厚度约150-160μm的硅片切割过程中，损耗率约80μm/片，是重要成本来源随后进行边缘倒角、表面抛光、酸洗和清洗等工序通过金刚线直径减小由120μm降至65μm和线速度提高，切割损耗已降低约40%表面织构与钝化4使用碱性溶液KOH或NaOH进行各向异性腐蚀，在硅片表面形成金字塔结构，降低光反射随后在高温氧化炉中形成SiO₂钝化层或通过PECVD沉积SiNₓ钝化层先进的Al₂O₃钝化技术可将表面复合速度降低一个数量级，显著提高电池效率薄膜材料制备工艺等离子体增强化学气相沉积磁控溅射技术1PECVD2非晶硅和微晶硅薄膜的主流制备工艺将硅烷SiH₄等气体在射频等离子CIGS和TCO等薄膜的常用制备方法在高真空中用高能离子轰击靶材，使体

13.56MHz作用下分解，沉积在加热的基底上150-300℃大型设备表面原子脱离并沉积在基底上多靶共溅射可精确控制成分比例溅射温可处理面积超过5m²的玻璃基底，沉积速率约

0.5-3nm/s通过控制气体度通常在室温至400℃范围，压强约10⁻³Pa，沉积速率约1-比例如H₂/SiH₄可调节薄膜结晶度10nm/min产业化设备已实现

1.5m×3m大面积沉积共蒸发与热蒸发溶液法涂覆4高效CIGS和有机薄膜的实验室制备方法在高真空中10⁻⁶Pa通过加热有机和钙钛矿薄膜的低成本制备技术常见方法包括旋涂小面积、刮涂源材料使其蒸发，然后凝结在基底上多源共蒸发可实现组分调控，但大大面积、喷墨打印图案化和浸涂等钙钛矿前驱体溶液通常含有PbI₂、面积均匀性控制难度大设备投资高，但薄膜质量好，实验室效率记录多MAI等成分，溶解在DMF或DMSO溶剂中涂覆后需退火结晶100-采用此方法150℃溶液法具有设备投资低、工艺简单、能耗低等优势，但均匀性和可重复性控制是挑战钙钛矿等新材料制备进展一步法与两步法工艺低温工艺优势与挑战一步法是将所有前驱体如PbI₂和MAI混合成单一溶液直接涂覆成钙钛矿材料的最大优势之一是低温加工特性，最高温度通常不超过膜；两步法则先沉积PbI₂层，再浸入MAI溶液转化两步法对大面积150℃，远低于晶硅工艺800℃和CIGS500℃低温工艺意味着制备更有利，可获得更均匀的形貌，但工艺复杂实验室高效率电池更低的能耗和设备投资，并可在柔性塑料基底上制备，拓展新应用场多采用一步法，而产业化研究倾向于两步法景反溶剂辅助方法是提高膜质量的关键技术，在旋涂过程中滴加不溶解•优势能耗低，约为晶硅的1/10钙钛矿的溶剂如乙醚或氯苯，促进快速结晶，形成大晶粒、高覆盖•优势可用简单设备，投资小率薄膜这一技术使实验室效率从20%提升至25%以上•优势工艺速度快，产能高•挑战大面积均匀性控制•挑战工艺窗口窄，重复性差•挑战无水无氧环境要求高随着技术进步，钙钛矿薄膜制备已从实验室转向工业化实践干膜技术是最新进展之一，将钙钛矿前驱体制成稳定干膜，可在空气中长期存储，使用时再激活结晶，大幅简化生产流程多家企业已建成百千瓦级示范线，解决了大面积涂布均匀性等问题，为产业化奠定基础光伏材料检测与表征方法表征方法测量参数应用材料特点与要求X射线衍射XRD晶体结构、相组成所有结晶材料无损检测，样品平整扫描电镜SEM表面形貌、截面结构各类电池材料高分辨率，需导电处理透射电镜TEM原子结构、界面分析薄膜界面、纳米材料原子分辨率，样品制备复杂光致发光PL带隙、缺陷态、载流所有光伏材料无损，对缺陷敏感子寿命四探针测试电阻率、电导率硅片、TCO薄膜快速、简便光谱响应QE不同波长光电转换效完整电池器件分析损失机制率光电导衰减PCD少子寿命硅片质量关键指标光伏材料的表征分为结构表征、电学表征和光学表征三大类结构表征主要分析材料的晶体结构、形貌和成分；电学表征测量载流子浓度、迁移率和寿命等参数；光学表征则研究光吸收、反射和发光特性这些数据共同揭示材料的光电转换性能和损失机制光伏材料在电池组件中的应用前盖玻璃材料采用

3.2mm厚度低铁钢化玻璃，透光率91%封装胶膜材料2EVA或POE胶膜，提供粘合和防水保护电池片材料晶硅或薄膜电池，是核心光电转换单元背板材料4TPT或玻璃背板，提供电气绝缘和防护边框与密封材料铝合金边框和硅胶密封，确保机械强度光伏组件是一个多层复合结构，每层材料都有特定功能EVA胶膜是关键封装材料，厚度约

0.4-

0.5mm，需具备高透光率、低黄变、高交联度和良好的粘结性传统EVA在高温高湿环境下容易黄变和水解，新型POE胶膜具有更好的耐候性，但成本高25-30%组件结构也在不断创新，双玻组件用玻璃替代传统背板，寿命可延长至30年以上；双面组件可从背面吸收散射光，增加5-30%发电量；半片和叠瓦技术减少内阻损失，提高3-5%输出功率未来趋势是更轻薄、更高效的组件设计，以及更环保耐用的封装材料与新型集成应用BIPV光伏幕墙光伏瓦与屋顶光伏装饰元素采用半透明薄膜电池或晶硅电池与建筑幕将光伏组件设计成与传统屋面材料外观相利用染料敏化、有机或钙钛矿等新型光伏墙一体化设计，既保留采光功能，又实现似的形式，如光伏瓦、光伏石板等使用材料的颜色可调性，设计彩色光伏装饰元发电通常采用双玻结构，透光率可调范特殊设计的小型电池片，结合美观的外观素，如窗户、遮阳板、栏杆等瑞士洛桑围为10-50%，根据建筑需求定制深圳某处理，实现与建筑风格的和谐统一相比联邦理工学院开发的彩色光伏玻璃技术，甲级办公楼采用CdTe半透明光伏幕墙，覆传统组件，光伏瓦通常效率略低15-可呈现多种颜色，效率损失控制在10%以盖面积6000m²，年发电量约45万kWh，18%，成本高40-60%，但在高端住宅市内，已在多个标志性建筑中应用，兼顾美同时减少建筑制冷负荷25%场具有明显审美优势学和功能光伏储能及多能协同趋势+光伏发电系统储能系统集成提供间歇性清洁电力，但受天气和昼夜锂电池主导当前储能市场，成本快速下影响高效N型组件能更好适应弱光条降，从2010年的1000$/kWh降至今天件，提高总发电量新型双面组件可增的约150$/kWh家用光储系统典型配加15-25%的发电量，特别适合反射率高置为5-10kW光伏+10-20kWh储能，自的地面发自用率可从30%提升至70%以上微电网与能源管理制氢与长期储能智能微电网整合光伏、储能、用电负荷光伏电解水制氢是长期储能的理想选和能源管理系统，可实现近100%可再择可再生氢成本目标为2$/kg，现阶3生能源供电人工智能预测算法可提前段约4-6$/kg电解槽效率已从60%提24-48小时优化调度，进一步提升系统升至80%以上，2030年有望达到90%，经济性实现经济性平衡碳中和背景下的光伏材料创新12020-2025N型高效电池主流化，市占率从10%提升至70%以上；硅片尺寸大型化完成，210mm成为标准；光伏度电成本降至火电以下，全球年装机规模超300GW22025-2030钙钛矿/硅叠层电池商业化，效率超过30%；智能光伏与储能深度融合；新型封装材料延长组件寿命至40年；光伏制氢实现规模化应用32030-2040突破型高效材料（量子结构、多激子材料等）进入市场；全生命周期零碳光伏产业链形成；光伏发电成为全球主力能源之一，装机超过10TW42040-2060太阳能利用率超过50%的系统商业化；低成本空间太阳能技术突破；光伏与建筑、交通、工农业全面深度融合；实现全球能源系统碳中和目标在全球碳中和背景下，光伏产业迎来前所未有的发展机遇中国双碳目标（2030年碳达峰，2060年碳中和）推动了光伏技术创新和应用扩展光伏材料作为产业链核心环节，正经历从提高转换效率到降低全生命周期碳排放的转变未来光伏材料不仅要高效、低成本，还必须环保可回收，实现真正的零碳循环光伏材料的回收、再利用与环保光伏产品回收现状先进回收技术研发新型环保材料探索全球光伏组件将在2030年左右迎来第一波大规模热处理法在400-600℃条件下分解EVA胶膜，低铅或无铅钙钛矿以Sn²⁺、Bi³⁺等替代Pb²⁺，退役潮，废弃量将从目前的每年约10万吨快速增分离电池片和玻璃虽然效率仍低于铅基钙钛矿，但环保优势明显长至2030年的200万吨以上目前光伏回收技术化学法使用特定溶剂溶解胶膜，保持电池片完生物基封装材料以植物油基聚合物替代传统主要针对铝框、玻璃、铜等常规材料，回收率约整EVA，提高生物降解性在70-80%，但对硅材料、银等高价值材料的回物理法机械破碎和分选技术，适合大规模处水溶性临时基板便于组件拆解和材料分离，提收仍面临技术挑战理高回收效率欧盟通过WEEE指令要求光伏制造商承担回收责最新研发的全组分回收技术可达95%以上的回收可循环利用的模块化设计允许组件部分更换和任，并设立了PV CYCLE等专业回收组织中国率，将银、铝等贵金属和硅材料有效分离日本升级，延长使用寿命也正在加快制定相关标准和政策，如《光伏组件夏普公司开发的闭环回收工艺可将回收硅直接用回收利用指导意见》，引导产业建立回收体系于新电池生产，硅纯度达到太阳能级别主要内容回顾与总结理论基础与工作原理光伏效应源于半导体材料中的光生载流子激发与分离，能带结构、载流子传输与复合是理解光伏材料的核心理论不同光伏材料的禁带宽度、吸收系数和载流子寿命等参数决定了其光电转换性能上限主要光伏材料体系从第一代晶体硅，到第二代薄膜材料非晶硅、CdTe、CIGS，再到新兴的钙钛矿、有机和量子点材料，光伏技术呈现多元化发展趋势晶硅以高效率和高稳定性占据主导地位，而新型材料凭借低成本和特殊功能不断拓展应用空间技术创新与未来展望高效率、低成本和环境友好是光伏材料发展的三大方向叠层结构突破单结效率极限；先进制造技术降低能耗和成本；环保可回收设计实现全生命周期低碳在碳中和目标驱动下，光伏材料创新将加速推进能源转型进程应用领域与集成系统光伏材料应用从大型地面电站拓展至建筑一体化、交通工具和便携设备等多元场景光伏与储能、氢能等技术融合形成综合能源系统，为构建零碳能源体系提供技术支撑材料特性与应用需求的匹配是未来研究重点课后思考与拓展阅读建议思考题目推荐阅读资料

1.分析晶体硅和钙钛矿材料各自的优势与局限，探讨两者结合的可能路专业书籍径•《太阳能电池——材料、工艺与器件》，彭勇明著

2.讨论禁带宽度对光伏材料性能的影响，并计算不同带隙材料的理论效率•《光伏科学与工程》，徐志明著极限•《Physics ofSolar Cells》,Peter Würfel著

3.评估不同光伏材料的全生命周期环境影响，提出改进建议•《Handbook ofPhotovoltaic Scienceand Engineering》,Luque

4.思考如何通过材料创新进一步降低光伏发电成本，实现平价上网Hegedus编

5.探讨光伏材料在特殊应用场景（如空间、水上、农业光伏等）的定制化设计学术期刊•Nature Energy•Advanced EnergyMaterials•Solar EnergyMaterials andSolar Cells•Progress inPhotovoltaics•中国科学技术科学建议关注国际光伏技术重要会议，如IEEE PVSC、EU PVSEC等同时，中国光伏行业协会CPIA和国际能源署光伏发电系统项目IEA-PVPS的年度报告提供了最新产业数据和技术趋势，值得深入学习答疑解惑与展望本课程只是光伏材料领域的基础入门，希望能激发同学们对这一充满活力的研究方向的兴趣光伏材料科学正处于快速发展阶段，实验室技术不断突破，新概念层出不穷建议同学们保持开放思维，跨学科学习物理、化学、材料、电子等相关知识，为未来研究奠定坚实基础后续课程将针对特定材料体系进行深入讲解，包括《高效晶硅电池技术》、《新型光伏材料合成与表征》和《光伏器件物理》等欢迎有志于光伏研究的同学参与课题组的开放实验，亲身体验最新光伏材料的制备与测试，为未来的科研工作做好准备。