太阳能电池未来发展趋势前途分析

太阳能电池未来发展趋势前途分析李主 2010126105 摘要 能源危机和环境污染已经成为当今世界各国面临的共同问题。 随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大， 石油的枯竭几乎像一个咒语， 给人类带来了不安。 各国都开始力推可再生能源， 其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的“新宠”， 发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代已为时不远了。 太阳能光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源 , 又可以作为光电检测器件 [1] 。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单品硅人阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。此外，还有 CaAs 太阳电池、 CdTe 太阳电池， CuInSe 2 （ CIS）和染料敏化太阳电池（ DSSC）等等。本文并就其研究现状、存在的问题、解决的途径以及发展趋势等做了一些分析 [2] 。关键词 太阳能电池的种类 研究现状 发展趋势 前途分析1 引言长期以来， 人们就一直在努力研究利用太阳能。 我们地球所接受到的太阳能， 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右， 这些能量相当于全球所需总能量的 3-4 万倍， 可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单， 而且在无重量、 高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致 “ 温室效应 “ 和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视， 大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料， 以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下， 我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。 从发电、取暖、 供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段 [1] 。光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件 . 它既可以作为电源 , 又可以作为光电检测器件 . 作为电源使用的光电池 , 主要是直接把太阳的辐射能转换为电能 , 称为太阳电池。 1839 年，安托石 - 贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电池是一个圆柱体，内装硝酸铅溶液， 溶液中进入一个铅阳极和一个氧化铜阴极。 这种电池一经阳光照射，就会供给电流。 1875 年，德国技师维尔纳 - 西门子是制成第一个硒光电池，并提议用于光量测定。西门子的光电池是根据 1873 年英国人史密斯发现的“内光电效应”提出的。 L.H. 亚当斯于 1876 年指出，硒在光的作用下，不仅出现电阻的变化，而且在一定条件下还出现电动势，从而发现了“阻挡层效应”。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。光电池被广泛地用于自动控制技术、信息电子学和测量技术。这些元件的性能约自 1950 年起，因半导体技术的发展而得到显著改善。这些年来在太阳电池及其组件的制造枝术方面有了长足的进步。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单品硅人阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。此外，还有 CaAs 太阳电池、 CdTe 太阳电池和 CuInSe 2 （ CIS）太阳电池等。目前国内生产的太阳电池组件年销售量为 2.5-3.0MW 。 ，单晶硅太阳电池的效率已达到 12％-14 ％，实验室效率最高为 20 人草结非晶硅电池的稳定效率为 5.0-5 ． 5，实验室最高效率为 8.35 ，历年来太阳能光电系统的总安装容量在 10MW[2] 。2 正文2.1 研究现状2.1.1 工作原理光伏发电是利用半导体 pn 结（ pn junction ）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池 solar cell 。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（ module ），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地 ; 光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴， N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区， 即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差， P 端正， N 端负。于是有结电流由 P 区流向 N区， 其方向与光电流相反。 如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线， 接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率 [3] 。2.1.2 太阳能电池的发展史太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池。而太阳能电池的发展历史已经经过了160 多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用， 至今为止， 太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。 太阳能电池材料的发展历程可以分为以下三个阶段。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 1954 年单晶硅太阳电池发明开始到现在，硅材料仍然是目前太阳能电池的主要材料，约占整个太阳能电池产量的 90。第二化太阳能电池是基于薄膜材料的太阳能电池，薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，是一种有效降低成本的方法，薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉及铜铟硒薄膜电池。第三代太阳能电池具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的特性。目前还在进行概念和简单的试验研究，已经提出的第三代太阳能电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流太阳电池等。2.1.3 国内现状在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展， 国内在集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。 1998 年销售总额达到了 35 亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划， 将在两年内投入 2.5 亿元人民币开展研究， 建立若干个太阳能发电、 太阳能供热、 太阳能空调等示范工程。 目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地， 该项目集太阳能电池、 组件及应用系统等为一体， 一期工程完成后可达到年产 3 兆瓦多晶硅太阳能电池的能力， 填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白， 并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。但从整体上分析， 国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚， 尤其是在太阳能电池的开发、 生产上还落后于国际水平， 整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。经粗略统计表明，国内目前仅建有 5 个 （单晶硅） 太阳能电池生产厂， 年产量约有 4.5 兆瓦 （注 1 兆瓦 （ MW） 为 1000千瓦） ，工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。 这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达 18.3 ％，比目前平均转换效率提高了 3 个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就完全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求， 科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。2.1.4 研究热点、难点、瓶颈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光伏技术中显现，从某种意义上讲，预示着光伏技术的发展趋势。光伏器件日趋薄层化、柔性化、叠层化。薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带来好处，同时也使器件的制备更为简便；柔性化使光伏器件更加方便实用， 从根本上解决了器件的便携问题； 叠层化提高了器件整体上的光能转换效率。根据光伏电池发电成本测算， 目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规电源的 10 倍，且中短期内这一成本无法得到有效的下降，根据 IEA 和 EPIA 的研究， 2020 年前光伏发电成本的下降主要源于产业政策补贴和规模化， 20202040 年间通过技术进步和光伏利用效率的提升，才能与常规电源的峰值成本接轨，而要真正达到取代常规电源的成本，预计在 2050年左右才有可能。 硅作为半导体产业的重要原料， 如今己集中运用到光伏产业中， 太阳能级晶体硅发展的历史可谓复杂而曲折。综上所述， 我们认为， 多晶硅成为整个光伏产业链的瓶颈， 其根源在于光伏技术的局限性， 晶体硅尽管仍是光伏电池的绝对主流， 但技术发展往往会促进这种格局的改变， 薄膜电池作为替代性和互补性的产品能否成为另一支主流力量， 仍然依赖于技术与规模经济， 但可以确定的是，初生的光伏产业必将经历技术结构调整引导产业结构。2.1.5 各种类太阳能的研究现状2.1.5.1 单晶硅太阳能电池目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 18左右， 最高的近 24％， 这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的， 但制作成本很大， 以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。 由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装， 因此其坚固耐用， 使用寿命一般可达 15 年， 最高可达 25 年。 单晶硅产品的技术发展有很大的空间， 国际上许多生产厂家和研发机构在努力进行科学研究， 可用于商业化生产的高效率产品不断出现。 但单晶硅对原料的纯度要求高，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广应用。2.1.5.2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多， 但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约 12％左右 2004 年 7 月 1 日日本夏普上市效率为14.8的世界最高效率多晶硅太阳能电池 。 从制作成本上来讲， 比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。 从性能价格比来讲， 单晶硅太阳能电池还略好。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， 多晶硅薄膜太阳能电池硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 因此实际消耗的硅材料更多。 为了节省材料，人们从 70 年代中期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大小，未能制成有价值的太阳能电池。 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法， 包括低压化学气相沉积 LPCVD和等离子增强化学气相沉积 PECVD工艺。 此外， 液相外延法 LPPE和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少， 又无效率衰退问题， 并且有可能在廉价衬底材料上制备， 其成本远低于单晶硅电池， 而效率高于非晶硅薄膜电池。 多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大规模商业化生产，多线切割工艺可为电池生产提供不同规格的硅片， 以适应不同用途， 并使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。2.1.5.3 非晶硅太阳能电池非品硅太阳能电池转换效率较低 14.5 ％ ， 市场上规格品种比较单一。 非晶硅电池的生产成本低廉，非常适合低价市场的要求。 但由于该类产品的性能极不稳定， 电池衰减快，效率低下等因素的影响，其应用市场受到了制约。2.1.5.4 GaAs 太阳能电池与硅材料比较，砷化镓具有以下优势1. 高的能量转换效率直接跃迁型能带结构， GaAs 的能隙为 1.43eV ，处于最佳的能隙为1.4 ～ 1.5eV 之间，具有较高的能量转换率2. 电子迁移率高；3. 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料4. 抗辐射性能好由于 III-V 族化合物是直接能隙，少数载流子扩散长度较短，抗辐射性能好，更适合空间能源领域；5. 温度系数小能在较高的温度下正常工作。砷化镓材料的缺点1. 资源稀缺，价格昂贵，约 Si 材料的 10 倍；2. 污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；3. 机械强度较弱，易碎；4. 制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。2.1.5.4 CIS 系太阳能电池CIS 、 CIGS 是直接带隙的半导体材料，因此电池中所需的 CIS、 CIGS 薄膜厚度很小 一般在 2μ m左右 ，它的吸收系数非常高，达 105cm-1。同时还具有较大范围的太阳光谱的响应特性。CuInSe2 可直接由其化学组成的调节得到 P 型 Cu 比例大 或 N 型 In 比例大 不同的导电形式而不必借助外加杂质。 CuInSe2 的这种特性使得它抗干扰辐射能力提高，使用寿命可长达 30 年。符合化学计量比的一、三、 六族 铜铟硒、 铜铟硫、和铜铟镓硒 化合物半导体具有很高的光量子效率。 CIGS 容易做成多结系统，在 4 个结的情况下，从光线入射方向按禁带宽度由大到小顺序排列，太阳能电池的理论转换效率极限可以超过 50％。 90 年代后期，美国可再生能源实验室 NREL一直保持着 CIS 电池的最高效率记录，并 1999 年，将 Ga代替部分In 的 CIGS太阳能电池的效率达到了 18.8， 2008 年提高到 19.9 ， 2010 年 NERL将效率提高到 20.3 CIGS技术的优点光吸收能力强 , 发电稳定性高 , 转换效率高 （根据美国国家再生能源实验室所公布， 目前太阳能电池转换效率最高可达 20.3，而业界最高纪录可达 17，普遍标准为 12） ，生产成本低CIGS存在的问题虽然 CIGS电池具有高效率和低材料成本的优势，但他也面临三个主要的问题（ 1）制程复杂，投资成本高（ 2）关键原料的供应不足（ 3）缓冲层 CdS具有潜在的毒性。2.1.5.5 染料敏化太阳能电池 DSSC太阳能电池染料敏化纳米薄膜太阳能电池（ Dye-sensitized Solar Cells ） ，是近年发展起来的一种太阳能电池， 是由瑞士的 Gratzel 教授领导的研究小组首次提出的， 是基于自然界中的光合作用原理而发明的。这种电池以廉价的 TiO2 纳米多孔膜作为半导体电极，以 Ru及 Os 等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化 - 还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO2 纳米晶太阳能电池 简称 DSSC电池 。若批量生产， 电池的成本在 5 10 元 / 峰瓦 左右， 而普通的硅电池在 20-40 元 / 峰瓦 ，因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要， 特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。 我国是一个能源的消耗大国， 特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。 但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的， 发电的同时也给环境造成了严重的污染。 因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出， 电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成， 而整个电池是透明的， 且带一定颜色， 所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及 TiO2 膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。2.2 解决的途径以及发展趋势2． 2.1 解决办法1. 加强科研与技术开发，如新型薄膜太阳电池、太阳能基础材料、光谱选择性吸收薄膜和其它光谱反射、透过功能薄膜等，为未来大幅度降低太阳能利用能量成本奠定基础。2. 加强人才支撑力度。目前光伏产业人才严重缺乏 , 中青年光伏人才紧缺 , 缺乏专业技术人才 , 技术力量不足。因此要加强光伏人才支撑力度。加强人才培养力度，进一步推动校企合作、 产学研结合。依托项目和载体培养高层次人才。3. 鼓励产业发展， 积极开拓市场。 为使太阳能在 21 世纪中叶成为后续能源之一， 必须从现在起，加大投入，通过产业化技术攻关、消化吸收等，使光伏制造产业在技术水平、市场规模、自动化程度、原材料国产化程度方面进一步提高；通过激励政策，积极鼓励大型企业参与太阳能光伏技术的产业活动。2.2.2 发展前景。随着一些大企业在太阳能与建筑一体化方面的成功， 行业发展方向也日趋明朗。 一是稳固传统的热水器市场， 二是不断拓展太阳能与建筑一体化领域， 走中高温发展路线， 逐步迈进工业领域。 在太阳能与建筑一体化方面和中高温研发方面， 力诺瑞特最有发言权。 在国家住宅产业化基地推广过程中，力诺瑞特三年完成了 3400 万平方米的推广面积，相当于一个中等城市。 在中高温研发领域， 力诺瑞特更是先发制人。 日前，力诺瑞特与清华大学合作研发的太阳能中温真空管集热器顺利通过中国工程院专家团验收， 集热温度达 150 摄氏度， 弥补国际空白， 将使太阳能热利用由简单的太阳能热水扩展到更大的太阳能热能应用， 使太阳能空调、太阳能采暖、海水淡化、工业动力和农业烘干成为现实。2.2.2.1 太阳能电话以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。 它利用顶端上装的太阳能接收板， 可以不断给电池充电。 使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机， 再传送到各地电话通讯网去。 巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话， 耗电量极低， 只要在阳光下充电几小时，便足够使用 10 多天。2.2.2.2 太阳能冰箱法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰剂，每 24 小时可制冰 10 公斤，保鲜 30 公斤食物。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流， 箱内温度保持在－ 2℃， 可冷藏 500 公斤食品， 每天还可制出 25 公斤冰来。2.2.2.3 太阳能空调日本夏普电器公司制造的这种空调装置， 当天气晴朗时， 全部动力都由阳光供给， 多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间 18 平方米的居室室温保持在 20℃左右，并较一般空调器节约电费 60％以上。2.2.2.4 太阳能电视机芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上， 晚上不需电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为 12 伏的电视机使用 3 至 4 小时。 印度研制的太阳能电视机， 其能源吸收系统只要每天工作 4 小时， 即使连续 3 天无太阳，也能正常接收信号播放节目。2.2.2.5 太阳能照相机日本制作的世界上第一架太阳能照相机， 重量仅有 475 克， 机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用 4 年。美国一家公司生产了一种新型的 135 照相机。它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则由太阳能硒光电池提供，只要有光线就能供电。2.2.2.6 DSSC 未来发展虽然染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池相比具有独特的优越性， 但是它距实用阶段还有很大距离． 如何进一步提高电池的光电转化效率、 开发高效的固态电解质以及寻找更好的光敏感染料都是染料敏化纳米晶太阳能电池研究领域里有待解决的问题．3 结论本文简单介绍了一下太阳能电池的发电原理以及太阳能电池的种类和研究现状， 并讨论了太阳能电池的发展趋势。太阳能电池同以往其他电源发电原理完全不同，它无枯竭危险，绝对干净， 不受资源分布地域的限制，可在用电处就近发电， 能源质量高， 使用者从感情上容易接受， 获取能源花费的时间短的特点显示了它必然在未来中得到非常大的发展。 光伏技术的基本原理光生伏特效应， 它通过半导体光伏器件实现。 随着科技的进步， 光伏技术将日趋完善， 并将在本世纪人类能源结构变革中， 作为最干净、 最具可持续发展的能源技术进入能源结构。 然而， 要使太阳能发电真正达到实用水平， 一是必须提高太阳能光电变换效率并降低成本； 二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。 目前的技术还不能很好的解决上述的问题， 相信在不久的将来， 可以找到能够极大的提高太阳能电池的效率的过度物质， 而且太阳能的发展前景是非常乐观的4 参考文献[1] 吴前东，太阳能电池的发展前景及应用，河北联合大学课程报， 2011.4 [2] 全美君，太阳能电池的技术发展和应用状况调查，华南农业大学光学论文， 2011.11 [3] 刘恩科，朱秉升，半导体物理学（第 7 版） ，电子工业出版社