太阳能电池的发展与趋势

物理演示实验结课论文题 目太阳能电池的发展与趋势学生姓名学 号专业班级2013 年 5 月 25 日摘要 现代社会应是节约型的社会，而社会生活也应是节约能耗的生活。而太阳能作为一种取之不尽的新型环保能源已成为世界各国世界上能源探究工作中的一个重要课题。是我国在经济目前状况下采取的较为简单、经济、环保、可靠的节能办法。近些年，随着我国经济的飞速发展、科技水平的快速提升，太阳能技术已逐渐普及、应用到各个行业领域乃至人们的生活中，而市面上也涌现出了大量的太阳能热水器、太阳能发电设备、太阳能照明器具等产品。其中，太阳能电池的应用，不仅充分发挥了太阳能技术环保、节能、可再生的特点，同时也有效满足了当代社会发展、科技进步的需求。本文就太阳能电池新发展的新概念及新的方向作简要的分析、探讨。关键字 太阳能 新能源 太阳能电池一、引言太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随时间、地理纬度、气候变化，实际可利用量较低， 但可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗及 2100年后规划的能源利用量 。 地球上太阳能资源一般以全年总辐射量 [kJ/m2 年 ] 和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量 3． 3 103～ 8． 4 106 kJ/m2 年 之间，相当于 2． 4 104亿 t 标煤，属太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积 2／ 3以上地区年日照时数大于2200h，日照在 5 106kJ/m2 年 以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其他地区为资源较富和中等区，所以在我国太阳能有很大的发展前景。随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。通过对太阳能电池的发展背景、现状进行分析，可将太阳能电池发展的新概念、新方向归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池。二、太阳能电池概况1、太阳能电池定义太阳能电池就是把太阳光转化为电的一种器件，在一般的情况下（注意条件） ，太阳能电池的效率随光强增加而增加的。再进一步说就是太阳能电池效率和安装地的综合气候条件有关系。2、太阳能电池的分类不同的材料对光的吸收系数不同，禁带宽度也不同，量子效率自然也不同，电池效率自然也不同了。一般来说，单晶硅 /多晶硅对光的系数系数远小于非晶硅的，所以非晶硅太阳能电池厚度仅仅有单晶硅 /多晶硅厚度的百分之一即可较好的吸收太阳光。 另外理论上讲 GaAs太阳能电池的极限效率要大于其他太阳能电池的极限效率， 因为 GaAs太阳电池的禁带宽度在 1.4ev， 和地面太阳光光谱能量的最值最为接近。 根据所用材料的不同，太阳能电池可分为 1、硅太阳能电池 2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池 3、功能高分子材料制备的太阳能电池4、纳米晶太阳能电池等。 硅是最理想的太阳能电池材料，这是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。在以上电池中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，光电转化效率可达 23.3。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。目前国际成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、 CdTe电池、 CIS电池的制造技术、 III-V 族化合物半导体高效光电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜光电池等方面。三、太阳能电池发展综述长期以来，世界各国在大力发展经济的同时，各行业领域的过度生产消耗了大量的能源，倘若继续按照此种趋势发展，在未来的五十年里，能源危机将是影响人类生活、阻碍社会进步的首要问题。目前，不同国家、地区、种类的全部能源中，能够使用的化石能源占 90以上，若是以现阶段世界各国的能源消耗状态发展到二十一世纪的中期，可供使用的能源储备、化石能源所占比例将减少近 50，之后的能源需求必将是以可再生能源、核能为主。基于此种趋势，预计到 2100年，在人类所使用的能源中，可再生资源将占有 30以上。可供开发、使用的可再生能源主要有地热能、生物质能、风能、太阳能、潮汐能、氢能等。其中，太阳能所蕴藏的能量，是其他可再生资源能量总合的数千倍。由此可见，太阳能有着巨大的发展空间、良好的市场前景，而太阳能电池凭借其能量充足、可再生且环保的特点， 自研发、应用后，以 30的年度增长率在世界各国、国际市场中得到推广与普及，截至到 2011年，太阳能电池的国际市场年增长率有所减缓，但仍将以 25左右的年增率持续扩大市场份额。此外，国际上的太阳能光伏装机容量，将从 21世纪初的约 0.5GW增长到 2030年的 300GW。对于可再生资源的研发与使用，我国提出了具体的中长期规划，将初期目标年度设定在了 2020年，要求可再生能源的占有量达到 15，而太阳能电池的发电容量将逐步扩充至 1.8GW。目前，在国际市场中可供选择、使用的太阳能电池较少，主要是以硅基太阳能电池为主流产品，其中多晶硅太阳能电池所占有的市场份额较大。然而，我国尚不具备完善的技术能力与经验，去生产、制作用以太阳能电池的高纯硅材料，主要生产厂家来自美国、德国、日本，而随着市场需求的加大，国际市场中的多晶硅原料已趋向缺口状态，以至于多晶硅的市场价格迅速攀升， 由 2005年的55美元 /kg，快速激增到 2007年的 400美元 /kg。此外，现阶段应用太阳能电池时所需要的发电成本数额，是煤矿发电生产成本的 10倍以上，大致在 5元 /kW h到 7/kW h之间。值得注意的是，太阳能电池项目的运行，对于投资数额的需求较大并有着较高的能耗，一般情况下，建设千吨级的工厂需要数十亿的项目资金与数十个月的建设周期。在此种市场环境中，我国的太阳能电池产品主要投放于国外市场。四、太阳能电池发展的新方向首先增加太阳能电池的效率方法有 1.表面制绒和蒸镀减反膜，增加光的入射，减小反射。 2.采用聚光系统， 增加光的辐照度， 从而提高太阳能的利用率， 这就是我们常说的聚光太阳能电池。 3.采用新型的太阳能电池结构。比如南京中电电气的选择性发射极太阳能电池、无锡尚德的 Pluto冥王星电池、日本三洋公司的 HIT 太阳能电池、美国 Sunpower公司的全背接触太阳能电池，特别是后二者实际工厂生产的效率已经达到 20，最近 Sunpower在马来西亚的工厂生产的电池效率更是达到24。 4.新理论太阳能电池（第三代太阳能电池） 。比如热载流子太阳能电池，超晶格等等。 具体方法有1、薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池，其主要是将电气器件的规格减小、厚度降低，此种做法不仅能够有效缩短电池器件中的光生载流子扩散距离，大幅减小发生湮灭、复合的可能性，同时在吸光程度基本保持不变的情况下，进一步提高了太阳能电池的效率。相较于常规电池，薄膜太阳能电池的生产节约了大量的原材料，制备电池器件的工艺、操作较为简便。在硅基太阳能电池的发展初期，硅片的厚度通常在 450 um到 500 um左右，而现阶段国际市场中的硅片厚度则降低到 180 um到 280 um左右，大幅降低了硅材料的使用量，从而节约了太阳能电池的生产成本。综合考虑太阳能电池的发展现状与国际市场情况，预计到 2020年，硅基太阳能电池的硅片厚度将降低到 80um到 100 um之间，在此基础上若要继续缩减硅材料的用量将十分困难。对此，近些年有关专家、学着经过不断的创新研发、技术改造，相继推出了 III-V 族与 II-IV 族半导体化合物电池， 目前市场面可供选择、使用的电池有 CdTe、CIGS、 GaAs等， 作为一种新型薄膜太阳能电池， III-V 、 II-IV 族半导体化合物电池的部分生产原料较为稀缺，同时存有一定的有害物质，但凭借其优势明显的转换效率，可应用于一些特定场所。由此可见，太阳能电池薄层化，是未来太阳能技术发展的必要途径。2、叠层太阳能电池叠层太阳能电池，主要是建立在薄层电池技术的基础上之上，通过叠加多层器件使太阳能电池的性能得到提升。在具体的生产制作中，电池器件的叠加可以是同种类的复合，也可以是多个种类器件的结合。对于单一层次的电池器件， 由于不同感光区域的光相应性能有所区别，从而能够分别吸收、利用自让阳光中的多种波段，而通过对电池器件层的叠加，不仅能够高质量、高效率的吸收、利用太阳光线的全波段，同时在不同层次、各组器件的耦合效应下，可进一步提高太阳能电池的光能转换效率。对于新概念太阳能电池，通过叠层处理 CIGS电池、染料敏化太阳能电池，能够将其原有 13． 9、 8.18的光能转换效率提高至 15． 09。3、柔性太阳能电池相较于传统的平板类太阳能电池，柔性电池可应用在建筑工程、汽车制造、飞机环保、纺织用品、安全防护用具等多个领域中，充分满足了对电池的特殊曲面需求。近些年，随着世界各国逐步加大太阳能电池的研发力度，柔性电池的生产、制备有望采用成卷技术， 由此便可大规模的连续生产，能够有大幅降低产品成本。一般情况下，柔性太阳能电池的实现，主要采用带有一定软度、韧性的聚合物半导体材料，将其作为感光组员来生产、制备电池器件，从而可以进行弯曲、折叠，为使用者带来了便利。此外，对于新概念太阳能电池，可利用具有导电性能的柔性有机基板电极来实现电池的柔性化。目前， 国际市场中的无机、有机半导体太阳能电池， 以及非晶硅太阳能电池等多种类型的光伏器件均逐步完成了柔性化改造。五、太阳能电池发展的新概念目前，在国际市场上众多的新概念太阳能电池中，染料敏化太阳能电池凭借其制备工艺简单、生产成本低廉等特点、优势得到了广泛的支持与认可。作为一种新型的陶瓷基光化学电池，染料敏化电池的生产并不需要以往常规太阳能电池的高真空、高温处理，也不需要价 格昂贵、存量有限的稀缺原料，相较于硅基太阳能电池，能够节省 20到 35左右的投资成本。 此外，此种新概念太阳能电池有着其他常规电池不可比拟的优势、特点，能够根据实际需要而制作成透明、多色、图案等多种形式，也可作叠加、柔化、薄层处理。虽然， 目前对于染料敏化太阳能电池的研发、应用仍处于初期发展阶段，但此种电池的光电转换效率以达到 11，明显优于其他太阳能电池。据有关试验表明，在设计功率相同的情况下，相较于传统的多晶硅太阳能电池，新概念染料敏化电池的发电总量多出近 30左右。对此，澳大利亚、日本等海外发达国家相继建立了中试线工程，而我国也初步完成了示范工程的建设。染料敏化太阳能电池的产业化发展，逐步瞄准了电子市场与移动通信市场，待技术条件趋于成熟后，还将投放于建筑产业等多种领域。现阶段，世界各国对于染料敏化太阳能电池的研究，在器件、材料方面，主要围绕对电极、光阳极、染料等多个方面进行；在产品性能方面，主要包括大面积电池的设计、电子传输机理以及电池运作期间的效率、质量等诸多事项。值得注意的是，太阳能电池的光阳极材料，以往传统、常规材料所采用的是 Ti02纳米多孔粒子结构，而为进一步延长电子传输的有效期限，减少、避免载流子复合现象，一维传输结构逐渐得到国际专家、学着的关注与重视，具体包括纳米线阵列、纳米管阵列等。与此同时， CaC03包覆 Ti02结构的应用，能够有效提高太能能电池的光能转换效率， 上升幅度在 2左右。 此外， 在太阳能电池的国际市场中，Nb205、 ZnO、 Sn02等其他宽带隙半导体光阳极材料，有着同样的性能及优势，从而逐渐得到关注与重视。染料敏化太阳能电池凭借其优良的性能、灵活多变的制备形式以及优势明显的性价比，必将成为未来太阳能电池国际市场的主流产品，世界各国的专家、学着以及诸多产业已着手实施了技术研发，在新型染料合成、光阳极修饰、稳定性和叠层电池等多个方面取得了重要进展。六、结束语综上所述，在未来的一段时期内，薄膜电池、柔性电池以及叠层电池将成为太阳能电池研究领域的主流。作为新型陶瓷基太阳能电池，染料敏化太阳能电池已逐渐得到国际专家、学者以及多领域产业的关注与重视，待技术条件成熟后，将成为国际市场的主流产品。参考文献[1] 赵玉文 . 太阳能利用的发展状况和未来趋势 . 北京北京太阳能研究所， 200309 0063-07 [2] 林红，李鑫，刘忆翥，李建保 . 太阳能电池发展的新概念和新方向 . 稀有金属材料与金属，2009,38z2 [3] 贾瑞皋 . 大学物理教程 . 北京科学出版社 .2009.8 [4] 林明献 . 太阳能电池新技术 . 北京科学出版社 .2012.5.1