太阳能电池的种类特点及发展趋势

太阳能电池的种类特点及发展趋势 一、 种类 按照材料分类  硅太阳能电池以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）  化合物半导体太阳能电池由两种或两种以上的元素组成具 半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池硫化镉、 砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟  有机半导体太阳能电池用含有一定数量的碳－碳键且导电 能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池分子 晶体、电荷转移络合物、高聚物 单晶硅太阳电池 特点 硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单 晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换 效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转 换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于 受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下，严 重影响了其广泛应用。 单晶硅太阳能电池的特点是对于大于 0.7μm 的红外光也有一定的灵敏度 。以 p 型单晶硅为衬底，其上扩散 n 型杂质的太阳能电池与 n 型单晶硅为衬底的太阳 能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方） 。它对从蓝到紫色的 短波长（波长小于 0.5μm）的光有较高的灵敏度， 但其制法复杂，成本高，仅 限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳 能电池的光谱特性。 1. 铸造多晶硅结晶形态分 单晶硅 多晶硅 非晶硅 高纯多晶硅 薄膜多晶硅 带状多晶硅 区熔单晶硅 直拉单晶硅 多晶硅太阳电池 特点 单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问 题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在 1976 年 证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过 10，对大晶粒的电池， 有报道效率可达 20。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前， 它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。 但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多 晶界存在，电池效率比单晶硅低； 晶向不一致，表面织构化困难。 单晶、多晶与非晶的区别 多晶短程有序（团体有序） ，成百上千个原子尺度，通常是在微米的量级； 非晶局部有序（个体有序） ，微观尺度，几个原子、分子尺度，一般只有十几 埃至几十埃的范围； 单晶长程有序（整体有序） ，宏观尺度，通常包含了整块固体材料。 尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转换效率的提高。但因 为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，所以研究人员正致力于减少 颗粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。 铸造多晶硅结晶形态分 单晶硅 多晶硅 非晶硅 高纯多晶硅 薄膜多晶硅 带状多晶硅 区熔单晶硅 直拉单晶硅 发展趋势 晶硅太阳电池向薄片化方向发展 硅片减薄 硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。 降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要 技术方向之一。 迄今为止，多晶硅太阳能电池经过不断的努力，其能量转换效率与单晶硅 太阳能电池已基本上在同一个数量级。特别是多晶硅薄膜可以制成方形，在制 作太阳能电池组件时面积利用率高。 今后，在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料，如何得到高效率、 大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。 虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，占据太阳电池的主要市场。但是，晶体硅 的禁带宽度 Eg1.12eV，太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能 带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如 同样吸收 95％以上的太阳光，GaAS 太阳电池只需要 5～10μm ，而硅太阳电池 在 150～200μm 以上，才能有效地吸收太阳能；晶体硅材料需要多次提纯，成 本较高；硅太阳电池尺寸相对较小，若组成光伏系统，要用数十个相同的硅太 阳电池连接起来，造成系统成本较高。 2. 薄膜太阳电池（非晶硅） 非晶硅太阳电池 硅基薄膜太阳电池 有机电池 薄膜太阳能电池 砷化稼薄膜太阳电池 CdTe薄膜太阳电池 CuInSe薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池 染料敏化太阳电池 多晶硅太阳电池 特点 具有重量轻、工艺简单、成本低和耗能少等优点。 太阳能电力如果要与传统电力进行竞争，其价格必须要不断地降低，而这对单 晶硅太阳能电池而言是很难的，只有薄膜电池，特别是下面要介绍的非晶硅太 阳能电池最有希望。因而它在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上 升。同晶体硅太阳电池相比， 非晶硅太阳能电池的优点 1 非晶硅具有较高的光吸收系数 这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因 素。 2 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在 1.5-2.0eV 的范围内变 化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。 ③材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足 晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为 100～300C。 ④由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须 考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如 不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。 ⑤易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺 陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。 （最大 1100mm*1250mm 单结晶非晶硅太阳电池） ⑥多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料 的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构； 并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地 制作出适合不同需求的多品种产品。 ⑦易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结 构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集 成。 ⑧制备非晶硅太阳能电池能耗少，约 100 千瓦小时，能耗的回收年数比单晶 硅电池短得多。 非晶硅太阳能电池的缺点 ①与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实验室中电池的稳 定最高光电转换效率只有 13％左右。在实际生产线中，非晶硅薄膜太阳电池的 效率也不超过 10％； ②非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减， 到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄膜太阳电池主要应用于计算器、 手表、玩具等小功耗器件中。 发展趋势 作为非常有希望的低成本太阳能电池，开发新结构，提高效率和稳定性，将会使非晶硅太 阳能电池在民用及独立电源系统中获得广泛应用。 多晶硅薄膜太阳能电池 特点 多晶硅电池既具有晶体电池的特点，又具有非晶硅电池成本低，设备简单且可以大规模制 备等优点。 多晶硅薄膜与非晶硅一样，具有低成本、大面积和制备简单的优势。 它的衬底便宜，硅材料用量少，而且没有光衰减问题，结合了晶体硅和非晶硅材料的优点， 但是，由于晶粒较小等原因，其太阳能光电转换效率依然较低，到现在为止，尚未有大规 模工业生产。 多晶硅薄膜主要分为两类一类是晶粒较大，完全由多晶硅颗粒组成；另一类是由部分晶 化、晶粒细小的多晶硅镶嵌在非晶硅中组成。 发展趋势 在多晶硅薄膜研发中，目前人们非常关注如何在廉价的衬底上，能够高速、高质量地生 长多晶硅薄膜；多晶硅薄膜的制备温度要尽量低，以便选用低价优质的衬底材料；多晶硅 薄膜电学性能的高可控性和高重复性。 因此多晶硅薄膜被认为是理想的新一代的太阳能光电材料 着重研究的问题  大面积、大晶粒薄膜的生长技术 进一步提高薄膜的生长速率  薄膜的缺陷控制技术 优质、价廉衬底材料的研发 电池优良设计、表面结构技术及背反射技术的研究 化合物半导体薄膜太阳能电池 （第 7 个 PPT） 3、GaAs 太阳电池 化合物半导体材料大多是直接带隙半导体材料，光吸收系数较高，因此，仅需要数微米厚 的材料就可以制备成高效率的太阳电池。而且，化合物半导体材料的禁带宽度一般较大， 其太阳电池的抗辐射性能明显高于硅太阳电池。 由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长，导致生产成本高，难以与硅太阳电池相比， 所以仅用于部分不计成本的空间太阳电池上。  与太阳光谱匹配良好，具有高的光电转换效率，是很好的高效太阳电池材料。  由于禁带宽度相对较大，可在较高温度下工作。  GaAs 材料对可见光的光吸收系数高，使大部分的可见光在材料表面 2μm 以内就 被吸收，电池可采用薄层结构，相对节约材料。  高能粒子辐射产生的缺陷对 GaAs 中的光生电子－空穴复合的影响较小，因此电 池的抗辐射能力较强。  较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比 Si 的电阻率小，因 此由电池体电阻引起的功率损耗较小。  p-n 结自建电场较高， 因此光照下太阳电池的开路电压较高。  GaAs 太阳电池发展趋势 GaAs 叠层电池的设计，关键是调节各子电池材料的带隙、各个异质结之间的带隙匹配及 各子电池的厚度，使各子电池之间的电流匹配，尽可能大的吸收和转换太阳光谱的不同子 域，以获得最大的能量输出，从而大大提高电池的转换效率。 优化 GaAs 叠层电池的结构仍然是研究的重点，为更好的提高太阳电池的转换效率， 在叠层电池设计中采用聚光技术成为开发的新热点。GaAs 叠层太阳能电池由于制造成本 较高，尚未大量进入地面应用市场，目前主要应用于空间电源系统。但由于其具有超高转 换效率、强抗辐照性等独特性能，因此随着制备工艺的进步和聚光技术及跟踪系统技术的 成熟，相信其地面应用前景更加美好。 5、CuInSe2 太阳电池 薄膜材料是另一种重要的太阳能光电材料，它属于 I-III-VI 族，这种薄膜材料的光吸收系 数较大。 CuInSe2 的禁带宽度为 1.02eV，太阳电池光电转换理论效率在 25～30％左右，而 且只需要 1～2μm 厚的薄膜就可以吸收 99％以上的太阳光，从而可以大大降低太阳电池 的成本，因此，它是一种具有良好发展前景的太阳电池。 目前，在实验室中 CuInSe2 太阳电池的光电转换效率已经超过 19％，在国际上也 已经投入了商业化生产。 由于 CIS（CIGS ）薄膜材料是多元组成的，元素配比敏感，多元晶体结构复杂， 与多层界面匹配困难； 材料制备的精度要求、重复性要求和稳定性要求很高，因此，材料的制备技术难度 高； 最大的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素 ，这也潜藏着一个成 本的问题。 CdS 薄膜作为窗口层具有很多优点，但也有其弱点，如对人体有害、污染环境等 CuInS2 由于具有良好的性质，被认为是一种非常有前途的太阳电池材料，但是它仍处在研 究阶段，没有规模工业化生产，主要问题包括如何开发最佳的沉积技术、生产工艺，以 降低成本，适应大规模、低成本生产；如何理解 CuInS2 薄膜生长机理及缺陷作用，进一 步提高光电转换效率。 4、CdTe 太阳电池 除Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料和太阳电池以外， Ⅱ- Ⅵ化合物半导体材料在太阳能光电转换方 面也得到了广泛的关注，其中 CdTe、CuInSe2CuInS 材料和电池是其中的典型。 CdTe 多晶薄膜的禁带宽度为 1.45eV，太阳电池 光电转换理论效率在 30％左右， 是一种高效、稳定且相对低成本的薄膜太阳电池材料，而且 CdTe 太阳电池结构简单，容 易实现规模化生产，是近年来国内外太阳电池研究的热点之一。 目前，在实验室中 CdTe 太阳电池的光电转换效率已经超过 16％，在国际上也已 经小规模生产。 缺点 在常温下 CdTe 是相对稳定和无毒的，但是 Cd 和 Te 是有毒的，在实际工艺制备 CdTe 薄膜时，并非所有的 Cd2都会沉积成薄膜，也会随着废气、废水等排出 制备 CdS 薄膜时，多采用化学浴方法，溶液中存在大量的 Cd2 地球上的 Cd 和 Te 资源十分有限，特别是稀有元素，这也潜藏着一个成本的问题 CdTe 太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在 2002 年其全球市占率仅 0.42﹪，2000 年时全球交货量也不及 70MW，目前 CdTe 电池商业化产品效率已超过 10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点 ① 模块与基材材料成本太高，整体 CdTe 太阳能电池材料占总成本的 53﹪。 ② 碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。 ③ 镉的毒性，使人们无法放心的 接受此种光电池。 6、有机太阳电池 优点 ① 化学可变性大，原料来源广泛； ② 有多种途径，可改变和提高材料光谱吸收能力、扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传 送能力； ③ 加工容易可大面积成膜，可采用旋转法流延法成膜，可进行拉伸取向使极性分子规整排 列，采用 L.B 膜技术可在分子水平控制膜的厚度； ④ 易进行物理改性如采用高能离子注入掺杂或辐照处理以提高载流子的传导能力，减小电 阻损耗提高短路电流； ⑤ 电池制作可多样化； ⑥ 价格便宜，有机染料高分子半导体等的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业 化生产，因而成本低廉。 缺陷及原因 与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太 阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有 ① 半导体表面和前电极的光反射； ② 禁带越宽没有吸收的光传播越大； ③ 由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散； ④ 光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合； ⑤ 有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。 展望 1 优化电池表面结构，将电池表面反射的光重新集聚进入电池 ； 2 使用抗反射镀膜俘获光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理 的光子吸收效率； 3 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前电极以获得大的填充因子和高的光电流； 4 除制造薄的光电池可以减小串联电阻 外，还可以用优化集聚和钝化技术降低载流子的 复合； 5 当用酞菁作材料制造光电池时，应该考虑其结晶型，因为光生载流子产率与结晶型有 关； 6 制造由纳米级材料组成的光电池。因为纳米材料是由超细微粒组成，而这些微粒边界 区的体积大约是材料总体积的 50％。这样的结构可能会带来奇特性能。 7、染料敏化太阳电池 优点  成本低仅为硅太阳能电池的 1/5～1/10 ；  寿命长使用寿命可达 15-20 年；  大规模生产结构简单、易于制造。 结构 染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs） （或称 Grtzel 型光电化学太阳能电池）主要包 括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 电解质材料（缺点） 1 易导致敏化染料的脱附; 2 溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解; 3 密封工艺复杂; 4 载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定; 5 存在其他氧化还原反应 面临主要问题  染料问题（现在公认使用效果较好的 N3 制备过程较复杂,因而价格也比较昂贵。 因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）  纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料）  电解质及基体材料（为达到商业化的目标 溶液电解质要逐步用固体电解质取代， 以提高稳定性和使用寿命）  电池的串并联问题