太阳能电池种类、发展历史及发展现状

太阳能电池种类、发展历史及发展现状摘要 太阳是一个巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约 3.8 10M 焦耳的能量，有 22 亿分之一投射到地球上。太阳光被大气层反射、吸收之后，还有 70透射到地面。尽管如此，地球上一年中接受到的太阳能仍然高达 1.8 1018kW h。由于不可再生能源的减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展；太阳电池的发展也日新月异。本文综述了太阳能电池的种类，发展历程以及发展现状。关键词 发展进程、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、 染料敏化层叠太阳能电池、 多元化合物薄膜太阳能电池、 纳米晶化学太阳能电池、现状引言 太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与传统矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可再生等独特优点。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径有很多， 有光热电间接转换和光电直接转换， 前者主要有太能能热水器等， 后者主要指太阳能电池。太阳能电池发展进程 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％。 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。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]。1、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池， 是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本， 地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒， 材料性能指标有所放宽。 有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料， 经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。 将单晶硅棒切成片一般片厚约 0.3 毫米。 硅片经过抛磨、 清洗等工序，制成待加工的原料硅片。 加工太阳能电池片， 首先要在硅片上掺杂和扩散， 一般掺杂物为微量的硼、 磷、 锑等。 扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。 这样就硅片上形成 PN 结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结， 同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源， 以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。 因此， 单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。 单体片经过抽查检验， 即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板） ，用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15左右，实验室成果也有 20以上的。单晶硅太阳能电池的特点1 作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。2 单晶制备以及 pn 结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。3 硅的密度低，材料轻。即使是 50 μ m 以下厚度的薄片也有很好的强度。4 与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。5 电池工作稳定， 已实际用于人造卫星等方面， 并且可以保证 20 年以上的工作寿命。单晶硅太阳能电池因为资源丰富， 转换效率高， 所以是现在开发最快的产业。 但因其制造工艺复杂，需消耗大量的能源，所以有成本高，能回收周期长的缺点。研究现状 单晶硅太阳能电池因为原料丰富， 转换效率高， 所以是现在发展最快的产业之一。 但单晶硅电池对硅的纯度要求较高，制造工艺复杂，需要消耗大量的能源， 加之高纯单晶硅大部分都是从外国进口的， 所以成本较高， 很难实现商业化普及。 单晶硅太阳能电池的转化效率较高， 规模生产的电池组件效率可达到 12---16， 实验室记录最高达到的转换效率为 24.4。单晶硅太阳能电池要想进一步发展普及，必须降低成本并提高转化效率。2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是以多晶硅为基体材料的太阳能电池。特点 多晶硅太阳能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。 高效率多晶硅太阳能单晶硅太阳能电池的缺点是制造单晶过程复杂， 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 14。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产， 目前， 多晶硅太阳能电池的转换率可以做到比单晶硅太阳能电池的转换率低 1.5 个百分点， 它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大电池 。 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。研究现状 效率低是目前多晶硅薄膜太阳能电池所面临的 1 个主要问题。 因此提高廉价衬底上多晶硅薄膜太阳能电池的效率将是今后一个主要研发方向。 实际上， 目前几乎所有的制备高效体硅太阳能电池的工艺都用在了薄膜太阳能电池的制备上。 由此看来， 多晶硅薄膜太阳能电池的效率的提高主要取决于多晶硅薄膜的质量改进。 因此， 通过采取各种工艺措施在廉价衬底上制备大晶粒、 高质量的多晶硅薄膜将依然是今后多晶硅薄膜太阳能电池研发的核心课题。 多晶硅薄膜的沉积技术各种各样， 至今还没有定论哪种技术是最佳选择。 但也可以看出沉积技术一直是沿着低温沉积和高温沉积 2个方向发展。 固这 2 条技术路线各有利弊，所以在今后相当长的一段时间内这种局面不会改变。 衬底材料的选择范围也很宽， 最主要的衬底材料包括低成本硅、 玻璃及陶瓷。 至今还没有定论何种衬底最佳， 可以预见在今后相当长的一段时间内这 3 种衬底材料的薄膜太阳能电池将共存。3 微晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池是由介于非晶硅和单晶硅之间的一种混合相无序半导体材料组成的。微晶硅太阳能电池的优势1、 具有低成本优势2、 具有较高的电导率、高的吸收系数和无明显光致衰减现象3、 具有易实现大面积制备、集成化等优点。4、 在对太阳光谱不同波段的有效光电转换方面与非晶硅薄膜电池可形成很好的互补。目前，要生产出高效率、低成本柯进入市场投入商业化应用的优质微晶硅太阳能电池，其制备技术还有待进一步完善。4 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池具有如下特点1 非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在 0.3～ 0.75 μ m 的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高 40 倍左右， 用很薄的非晶硅膜 约 1 μ m 厚 就能吸收 90有用的太阳能。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～ 2.0 eV 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 制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产；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，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化；5 制备非晶硅太阳能电池能耗少，约 100kW h，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。非晶硅电池生产工艺简单且温度低、 耗能小， 其市场份额逐年提高。目前， 一半以上薄膜太阳能电池公司采用非晶硅薄膜技术， 预计几年内， 非晶硅薄膜在未来薄膜太阳能电池中将占据主要份额， 但光电转换效率低和光致衰退效应是当前非晶硅薄膜电池存在的两大主要问题， 为提高效率和稳定性人们在新器件结构， 新材料、 新工艺和新技术等方面需要加强探索5、染料敏化层叠太阳能电池染料敏化叠层太阳能电池由两个光电池组成， 前面的电池吸收太阳光中的高能紫外和蓝光，利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子 -空穴对。波长在绿光到红光之间的光被 Grtzel敏化二氧化钛电池吸收， 这两个电池连接起来提供电压。 染料敏化太阳能电池的能量转换效率主要与敏化剂吸收太阳光谱的能力有关， 为了提高光谱效应， 在电池的两个不同层上用不同的敏化剂染料 [7] 。马廷丽、苗青青 [8]制作了一种叠层式染料敏化太阳能电池。其特征在于， 顶部的太阳能电池与底部的太阳能电池的光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构， 不同光谱响应范围且有互补性质的染料； 两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有一层导电膜和半导体薄膜及染料， 对向电极为带有导电性的基板， 在两个电极之间介入电解质。 这一新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、 价格低、 制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。 解决现有太阳能电池效率低、 成本高，制备工艺复杂的问题。用该发明的技术手法制造的染料敏化太阳能电池可用做太阳能发电和太阳能制氢系统。6、多元化合物薄膜太阳能电池为了寻找单晶硅电池的替代品， 人们除开发了多晶硅、 非晶硅薄膜太阳能电池外又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓Ⅲ． V 族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。 上述电池中， 尽管硫化镉、 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低， 并且也易于太规模生产， 但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓等Ⅲ． V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率而受到人们的普遍重视。 GaAs 属于Ⅲ． V 族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，是很理想的电池材料。 GaAs 等Ⅲ． V化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE和 LPE技术，其中 MOVPE方法制备 GaAs 薄膜电池受衬底位错、反应压力、Ⅲ． V 比率、总流量等诸多参数的影响。除 GaAs 外，其它Ⅲ .V 化台物如 C． aSb、 GaInP 等电池材料也得到了开发。 铜铟硒简称 CIS， CIS材料的能隙为 1.1eV，适于太阳光的光电转换， 另外， CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此， CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。7、纳米晶化学太阳能电池在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的， 但由于成本居高不下， 远不能满足太规模推广应用的要求。为此，人们一直在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索。瑞士 Gratzel 教授研制成功纳米 TiO2 化学太阳能电池以来， 国内一些单位也正在进行这方面的研究 .纳米晶化学太阳能电池 简称 NPC 电池 是由一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的 [5]。纳米晶化学太阳能电池优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。 但由于此类电池的研究和开发刚刚起步， 走上市场估计还需要相当长的时间。太阳能电池的产业瓶颈以及解决途径 现状一般希望太阳能电池具有以下特性 转换效率高、 制造能耗少、 制造成本低、 材料丰富、电池使用寿命长、无公害目前世界太阳能电池产业已经出具规模， 1995 年到 2004 年的十年内平均年增长率达到30以上。目前太阳能电池的推广应用主要还是靠政府投资和扶持，主要原因或者说阻碍其推广应用的瓶颈还是成本太高， 因此必须努力降低成本， 提高效率。 在太阳能电池组件提高转换效率方面， 对能量损失进行分析发现太阳能转换过程中的损失主要在热损失， 以及电子与空穴的复合，再就是 pn 结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善，理论预测，其转换效率可达到 40以上。太阳能电池要想实现更广泛的普及，首先，要减少材料损耗；其次，要减少制造过程中的能耗；第三，要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性； 第四， 要减少生产线设备投资， 降低太阳能电池产业的进入门槛；第五，要扩大生产规模和采用更大面积的基片。