太阳能电池的研究进展综述

1 太阳能电池的研究进展综述班级 11 光电工程 学号 姓名 指导老师摘要 太阳能电池的利用可为人类社会提供可再生的清洁能源。 本文主要阐述了太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类，太阳能电池的现状以及发展前景。关键词太阳能电池；太阳能电池种类；研究进展；转换效率 。Research Result on Solar Cells and its Development Trends . AbstractThe application of solar cells can offer human society renewable clean energy ． This article mainly explains the development of solar cells,the types of solar battery,actual situation of solar battery and its prospect. Key Words solar battery; types of solar battery; actual situation of solar battery ;transition efficiency. 引言古语云 “唯江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无尽，用之不竭。 ”太阳能亦是这样，因此受到了人们的亲睐。在太阳能电池领域中，太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域 [1]．太阳能电池的研制和开发日益得到重视． 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础． 其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转化反应。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以无机盐的多元化合物为材料的电池； ③纳米晶太阳能电池等。 无论以何种材料来制作电池， 对太阳能电池材料一般的要求有 ①半导体材料的禁带不能太宽； ②要有较高的光电转换效率；③材料本身对环境不造成污染； ④材料便于工业化生产且材料性能稳定。 基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料 [2]．这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因 . 在硅太阳能电池的成本中 ,约 5060的造价源于硅原料，若采用薄膜太阳能电池，在廉价衬底上沉积硅薄膜作为吸收层 ,40Lm 厚的硅薄膜即可吸收 80太阳光， 与单晶硅和多晶硅太阳能电池中至 250Lm 厚的硅片相比，大幅度削减了硅原料的消耗， 成本降低，因此硅薄膜太阳能电池成为硅太阳能电池研究的热点。相对于硅太阳能电池 ,CIS/ CIGS 、 GaAs和 CdTe 薄膜太阳能电池以其低成本、高效率、高稳定性成为人们研究最多的化合物半导体太阳能电池， 但由于其制作工艺重复性差， 高效电池的成品率低等原因， 限制了商业化进程。染料敏化太阳能电池 DSSC是 20 世纪 90 年代后发展的新一代太阳能电池，以其潜在的低成本、 相对简单的制作工艺和技术等优势赢得了广泛重视， 但在电极材料、 染料敏化剂和电解质的选择与制备等还存在一系列问题 , 制约了染料敏化太阳能电池转换效率和稳定性的进一步提高。 可见，要想使太阳能电池广泛应用于生活、生产中，解决太阳能电池的低成本低效率是首要问题。1 太阳能电池发展进程1.1 第一代太阳能电池包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在， 尽管硅材料有各种问题， 但仍然是目前太阳能电池的主要材料， 其比例约占整个太阳电池产量的 90％以上。我国北京市太阳能研究所从 20 世纪 90 年代起开始进行高效电池研究， 采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术， 使单晶硅太阳能电池的效率达到了 19.8％。1.2 第二代太阳能电池第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多， 且易于实现大规模生产。 薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、 多晶硅薄膜电池、 碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。 我国南开大学于 20 世纪 80 年代末开始研究铜铟硒薄膜电池， 目前在该研究领域处国内领先、 国际先进地位。 其制备的铜铟硒太阳电池的效2 率已经超过 12％。铜铟硒薄膜太阳电池的试生产线亦已建成。我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。 在染料敏化剂、 纳米薄膜修饰和电池光电效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域其有一定的影响。1.3 第三代太阳能电池第三代太阳电池必须具有以下条件薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。 目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究。 已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电等。虽然太阳能电池材料的研究已到了第三个阶段，但是在工艺技术的成熟程度和制造成本上， 都不能和常规的硅太阳能电池相提并论。 硅太阳能电池的制造成本经过几十年的努力终于有了大幅度的降低， 但是与常规能源相比， 仍然比较昂贵，这又限制了它的进一步大规模应用。 鉴于此点， 开发低成本， 高效率的太阳能电池材料仍然有很长的路要走 [3] 2 太阳电池的种类2.1 硅太阳能电池硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高 ,技术也最为成熟。 在大规模应用和工业生产中，单晶硅太阳能电池占据主导地位，但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料， 寻找单晶硅电池的替代产品， 现在发展了薄膜太阳能电池， 其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层 多结 非晶硅太阳电池。2.2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350～ 450μ m 的高质量硅片上制成的， 这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，上世纪 70 年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜， 但由于生长的硅膜晶粒太小未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前较成功的为化学气相沉积法 包括低压化学气相沉积 LPCVD 、等离子增强化学气相沉积 PECVD 和快热化学气相沉积 RTCVD 工艺。此外，液相外延法 LPE[4] 和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。德国夫朗霍费太阳能研究所采用 RTCVD 法在 SSP 衬底上制备的太阳能电池转换效率可达8 以上，国内的北京太阳能研究所也采用 RTCVD 对多晶硅薄膜太阳能电池的制备作了尝试。美国 Astropower 公司采用 LPE 制备的电池效率达 12.12 。中国光电发展技术中心的陈哲艮 [5] 研究员采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池。 多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少， 无效率衰退问题 ,并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率高于非晶硅薄膜电池 ,具有良好的发展前景。2.3 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展 [6] 。 目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多， 以 PECVD 法最为成熟。 该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过12.15 [7] 。日本中央研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为 13.12 [8] 。南开大学的耿新华等 [9]采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为 20 20cm2、转换效率为 8.128的a-Si/a-Si 叠层太阳能电池。由于非晶硅的光学带隙为 1.7eV，使材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感， 这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。 此外， 其光电效率会随着光照时间的延续而衰减， 即所谓的光致衰退 S-W 效应 [10] ， 使得电池性能不稳定。 解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池 ,该方面研究已取得两大进展 第一，三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到 13;第二 ,三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW[11] 。2.4 多元化合物薄膜太阳能电池单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等Ⅲ -Ⅴ族化合物、 硫化镉、 碲化镉及铜铟硒薄膜电3 池等。 与非晶硅薄膜太阳能电池相比，上述电池具有效率高、 成本低、 易于大规模生产的特点。但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓等Ⅲ -Ⅴ族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率也受到人们的普遍重视。Ⅲ -Ⅴ族化合物，如 GaAs、 GaSb、 GaInP 等电池材料都得到了开发。 1998 年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 GaAs 太阳能电池转换效率为 24.12，首次制备的 GaInP电池转换效率为 14.7 。该研究所还采用堆叠结构制备 GaAs/GaSb 电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起， GaAs 作为上电池，下电池用的是 GaSb。所得到的电池效率可达31.11.铜铟硒 CuInSe2 简称 CIS，其能隙为 1.1eV 适于太阳光的光电转换。另外， CIS 薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题， 可用作高转换效率薄膜太阳能电池材料。 主要制备方法有真空蒸镀法和硒化法。 其转换效率从上世纪 80年代最初的 8已发展到目前的 15左右 [12] 。日本松下公司开发的掺镓的 CIS 电池，光电转换效率已达 15.13 面积 1cm2。 CIS 作为太阳能电池的半导体材料， 具有价格低廉、 性能良好和工艺简单等优点， 但铟和硒都是比较稀有的元素，不易获得。2.5 有机物太阳能电池有机物太阳能电池制备工艺简单 真空蒸镀或涂敷 ，具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点，可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池。目前，有机太阳 能电池在特定条件下光电转换率已达 9.15[13] 。 1974 年 ,K.Ghosh 等制造出 Al/MgPc/Ag 肖脱基势垒 Schottky-barrier 光电池，对短路电流、有机染料光吸收常数、有机膜层厚度、载流子扩散长度等的关系进行了研究 .A.R. Inigo 等在 Polyaniline Pani Schottky - barrier 电池中加入 CuPc 粉末 ,增加并拓宽了有机膜层的光吸收幅度 ;在 CuPc 单晶中掺杂 I2 时， CuPc 层的电导率增大 3 个数量级 .G.D.Sharma 等对金属 /染料或敏化染料 SnO2 的 Schottky- barrier 电池研究发现通过对染料的敏化和提高电极的功函， 势垒高度和激活能都得到了降低。 染料敏化后金属 /半导体界面的耗尽层宽度减小，导致近界面的电场增强，强电场迅速将激子分裂成自由电子和空穴，因而提高了电导率和整体效率 ;另一方面由于空间电荷密度提高而导致的耗尽层宽度收缩也可能限制有机光电池的性能。另外，入射 Schottky-barrier 电池光电导层的光强有很大部分被电极反射掉，降低了光电池转换效率 .S.Hayashi 等从共振观点出发，用SPPsurface plasmon polaritons 激发技术改善了 CuPc Schottky- barrier 电池 ,在入射角 45的白光照射下，光电转换效率提高到原来的 2.13 倍。2.6 纳米晶化学太阳能电池湿化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为电能或电能和化学能的电器件。目前最成功的是 Gr atzel 等 [14] 人提出的染料敏化纳米二氧化钛薄膜为光阳极的太阳能光电池 简 称 为 Gr atzel 电 池 , 其 光 电 转 换 效 率 在 模 拟 日 光 照 射 下 AM1.5 已 达10 .Muakoshi 等 [15] 以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质 ,建立了一种固态光电池。 Gr atzel 等 [16] 用一种有机空穴导电材料代替液态电解质 ,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池 ,其单色光电转换效率达到 33 ,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步。 Schon 等 [17] 报道了通过在有机光电二极管中进行有机材料的分子掺杂可以提高光电转换效率。 这种由掺杂的并五苯构成的薄膜器件的出现对高效太阳能电池的生产是一个巨大的推动。 染料敏化湿化学太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶 TiO2 薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等几部分构成。染料敏化太阳能电池的关键问题在于纳米 TiO2 薄膜的微观结构、敏化染料的选择和载流子传输材料的选择。电极材料 TiO2 具备价格便宜、制备简单、无毒、稳定、应用范围广 ,且抗腐蚀性能好。但其禁带宽度为 312 eV[18] ; 吸收范围都在紫外区 ,因此需要染料敏化。 为了吸附更多的染料分子 ,必须制备多孔、 大比表面积的纳米 TiO2 薄膜电极 .目前多孔纳米 TiO2 薄膜的制备方法主要有两种 溶胶 - 凝胶法和由二氧化钛超细粉4 制得 . 纳米 TiO2 的粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率具有非常大的影响 [19， 20]。粒径太大 ,染料的吸附率低 ,不利于光电转换 ;粒径大 ,界面太多 ,晶界势垒阻碍载流子的输运 ,载流子迁移率低也不利于光电转换 . Gr atzel 电池中多孔纳米 TiO2 薄膜电极的粒径多数在100 nm 以下。另一方面 ,对制备的不同膜厚的 TiO2 薄膜电极的光电性质测试表明 ,厚度为500 nm 左右的薄膜电极的光电性质最好 [21] 。 作为敏化的染料必须具备 1TiO2 纳米结构半导体电极表面有良好的吸附性 ,即能够快速达到吸附平衡 ,而且不易脱落 ;2 在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带 ;3 染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性 ;4激发态寿命足够长 ,且具有很高的电荷传输效率 ;5 具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入 TiO2 导带 . 大量实验证明 ,吸附多层染料效果并不理想是因为只有非常靠近 TiO2 表面的敏化剂分子才能把激发态的电子顺利地注入到 TiO2 导带中 ,多层敏化剂反而阻碍了电子的输运 ,导致转换效率下降。 为了提高染料的单层吸附效率 ,常采取以下方法 1使用高比表面积的多孔膜代替平整膜 ;2增强有机光敏染料与半导体电极表面的相互作用。因为染料的激发态寿命很短 通常为 10 - 8～ 10 - 9 s ,只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极 ,所以染料最好能化学吸附在电极上 ;3 利用有机分子设计合成灵活性高、更多、更有效的多吡啶钌化合物或其他替代物 .染料敏化纳米薄膜太阳能电池多采用液态电解质作为电荷传输材料。 液态电解质的选材范围广 ,电极电势易于调节 ,因此取得了一定成果 . 但液态电解质有以下缺点 1 液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附 ;2溶剂挥发 ,可与敏化染料作用导致染料降解 ;3 密封工艺复杂 ,密封剂也可能与电解质反应 .对于全固态太阳能电池 ,目前最常用的是空穴传输材料一般为 p 型。 p 型半导体材料应满足 1 在可见光区 染料的吸收范围 内必须是透明的 ;2 沉积 p 型半导体材料的方法不能使吸附在 TiO2 纳米晶体上的染料溶解或降解 ;3染料的激发态能级在 TiO2 导带之上 ,而基态能级在 p 型半导体价带之下。3 研究进展在全球倡导低碳经济的今天， 太阳能作为一种清洁的可再生能源， 越来越受到各国政府的重视。目前太阳能光伏发电的成本大约是燃煤的 11～ 18 倍， 因此各国太阳能电池产业的发展大多依赖政府补贴， 补贴的规模决定着该国太阳能电池产业的发展规模。 在政府补贴力度上，德国、西班牙、法国、美国、日本等发达国家最大。 2008 年， 西班牙推出了优厚的太阳能电池产业补贴政策， 使其国内太阳能电池产业出现了爆发式发展， 一度占据了世界太阳能电池产量的前三强。 2009 年德国太阳能电池组件安装量高达 3200 兆瓦，占全球总安装量的 50.4。在各国政府的大力支持下，太阳能电池产业得到了快速发展。 2006～ 2009年，全球太阳能电池产量的年均增长率为 60。由于受到金融危机的影响，2009 年上半年太阳能电池产量的增速有所放缓，随着下半年市场的复苏，全年太阳能电池产量达到了 10431 兆瓦，比 2008 年增长 42.5。目前，我国已形成了完整的太阳能电池产业链。国内从事光伏产业的企业数量达到580 余家， 从业人数约 30 万。 2009 年，我国多晶硅、硅片、太阳能电池和组件产能分别占据全球总产能的 25、 65、 51和 61；太阳能电池产量也占了总产量的四成以上；太阳能光伏产业出口创汇金额约为 158 亿美元。从产业布局上来看，国内的长三角、环渤海、珠三角及中西部地区已形成了各具特色的区域产业集群， 并涌现出了无锡尚德、 江西赛维、 天威英利等一批知名企业。 2007 年我国成为太阳能电池第一生产大国 [22] 。预计 2010 年中国太阳能电池产量达到 8000 兆瓦，约占全球总产量一半，居世界首位。山东、江苏、陕西、甘肃、 青海、 宁夏及海南省已经将太阳能电池产业的发展列入地方发展规划。 目前国内太阳能电池市场规模较小，国内生产的产品 90以上靠出口。这种过度依赖出口的产业发展模式易受国际需求变化的影响，增加了行业经营风险。在 2008 年的全球金融危机中，因西方国家削减了光电产品价格补贴，直接导致了中国许多太阳能电池企业的倒闭。5 4.太阳能电池的前景展望改善太阳能电池的性能 ,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。 作为太阳能电池材料 ,其中 1由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本 ,将最终取代单晶硅电池 ,成为市场的主导产品 ;2 Ⅲ -Ⅴ族化合物及 CIS 等属于稀有元素 ,尽管转换效率很高 ,但从材料来源看 ,这类太阳能电池不可能占据主导地位 ;3 有机太阳能电池对光的吸收效率低 ,从而导致转换效率低 ;4 染料敏化纳米TiO2 薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就 ,但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题。另外目前多沿用液态电解质 ,但液态电解质存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷 ,使得制备全固态太阳能电池成为一个必然方向。目前 ,大部分全固态太阳能电池光电转换率都不很理想。纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势挑战未来 ,我们相信 ,随着科技发展以及研究推进 ,这种太阳能电池应用前景广阔无限。参考文献[1] 冯垛生．太阳能发电原理与应用 [M]. 北京人民邮电出版社， 2007 15 [2] 杨德仁．太阳能电池材科 [M]. 北京化学工业出版社， 2007 51 [3] 赵玉文．太阳电池新进展 [J]．物理， 332， 2004 99 [4] WERNER J.H., ARCH J.K., BRENDEL R., et al. 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