太阳能电池发展现状及高效率的实例

太阳能电池发展现状及其转换效率的提高及实例因为能源危机，环境问题，清洁的太阳能电池是不错的选择。一 太阳能电池发展概况目前研发出来的或者正在开发的太阳能电池有：晶体硅太阳电池， III-V 族太阳电池，硅基薄膜太阳电池， CIGS 太阳电池，染料敏化电池，纳米太阳电池。晶体硅太阳电池的种类： HIT 太阳电池， PERL 太阳电池， OCEO太阳电池， Pluto 太阳电池。 HIT 太阳电池，结构简单，效率高，具有产能优势； Pluto 太阳电池去除或简化了 PERL 太阳电池电池的一些材料和工艺，已实现产业化， Pluto 多晶硅太阳电池，材料多晶硅成本低，转换效率也已经实用。目前产业化的电池还有，丝网印刷电池，掩埋栅电池，高效背面点接触电极电池。III-V 族太阳电池的种类： GaAs 系太阳电池， InP 系太阳电池，薄膜 III-V 族太阳电池，量子阱 /点太阳电池，多结太阳电池，热光伏电池，分谱太阳电池， III-V 族半导体中间带太阳电池。制备方法：液相外延技术，金属有机化学气相沉积技术，分子束外延技术。近几年， 叠层电池效率的迅速提高以及聚光太阳电池技术的发展和设备的不断改进，使聚光 III-V 族太阳电池系统的成本大大降低。 2009 年德国已经研制出高达 41.4 的 GaInP/GaInAs/Ge 叠层太阳电池。硅基薄膜太阳电池包括非晶硅、 微晶硅薄膜太阳电池， 研发的种类有： a-SiC/a-Si 异质结太阳电池， uc-Si 薄膜太阳电池，非晶硅 / 微晶硅串联太阳电池。 制备方法较多， 值得关注的新方法有热膨胀等离子体沉积法，常压等离子气相沉积法。产业化生产技术：以玻璃衬底的硅基薄膜太阳电池制备技术， 非晶硅薄膜的柔性衬底、 卷到卷太阳电池制备技术。硅基薄膜太阳电池所需原材料少，可大面积沉积，成本低， 可沉积到柔性衬底上， 柔性衬底的电池可以装在非平整的建筑物表面上，但转化效率低，仅 7.5%-8.5%，非晶硅和非晶锗硅合金电池的光诱导衰退，是需要解决的问题。CIGS 太阳电池研发的有： 柔性金属 CIGS 电池、 聚合物衬底 CIGS薄膜电池。发展方向有：无 Cd 缓冲层，其他 I-III-VI 族化合物半导体材料，叠层电池，聚光电池片，空间应用， 4 端子串联的高效化。CIGS 系太阳电池以高转换率为特征，市场产品的效率为 10%，研发阶段为 12%-14%，如果市场产品的转换效率能提高到 13%，就能也现在的铸造的 Si 模版性能相匹配，进而快速实用化。染料敏化电池有很多优点， 比如原材料易得成本低， 但转换效率有待提高。目前的研究方向有：新型氧化物半导体薄膜光电极，电解质溶液的固体化和拟固体化， 新型高性能增感色素的开发， 塑料太阳电池。纳米太阳电池的种类很多。 1、硅基薄膜太阳电池： pc-Si 薄膜太阳电池， nc-Si 薄膜太阳电池，多结叠层太阳电池（隧道串接发，机械堆叠法， 有 aSi： H 基叠层太阳电池、 III-V 族化合物叠层太阳电池、中间带太阳电池） 。 2 纳米结构染料敏化电池 (NDSSC)， TiO2 纳米晶粒薄膜 NDSSC， TiO2 准一维纳米结构 NDSSC， TiO2 纳米复合物膜层 NDSSC， TiO2 核 -壳纳米结构 NDSSC， TiO2 量子点敏化纳米结构NDSSC，串联组合电池结构 NDSSC， ZnO 纳米晶粒薄膜 NDSSC，ZnO 纳米线 NDSSC。 3、量子结构太阳电池， Si 纳米线太阳电池， 碳纳米管太阳电池， p-i-n 结构量子点太阳电池，量子点敏化太阳电池，基于多激子产生效应的量子点太阳电池。 4、聚合物太阳电池，分单层和多层聚合物太阳电池。 聚合物有机太阳电池光伏材料： 聚合物电极材料， 电子和空穴传输层材料， 活性层材料， 衬底材料， 封装材料。聚合物太阳电池制备技术：真空蒸镀技术，旋涂甩胶技术，喷墨打印技术。二 转换效率1、能量损失的原因造成能量损失的有不可回收损失部分和可回收部分。 不可回收部分： 由于材料的光电光谱响应和太阳光谱的不匹配产生的， 即白白透过太阳能电池所用材料而不能产生载流子部分和在表面反射或漫射的能量损失。是能量损失的最大原因。可以回收的部分：由光谱响应本应为有效光， 却因为表面反射而损失的反射损失； 由光吸收生成的载流子中， 太阳能电池的表面或者背面电极由于与环境复合造成的表面复合损失；光生载流子在半导体的体内复合形成的体内复合损失，太阳能电池供给给负荷的电力在电流流动时从电极到半导体容体内的电阻焦耳热的串联电阻损失； 光生载流子由于半导体中的内建电场产生漂移， 所形成的极化电场虽然变成了输出电力， 但此时如果超过pn 结的不纯物浓度决定的扩散电位 Vd，也得不到起始电力，即存在具有最低禁带宽度的损失，此损失叫做电压因子损失。2、提高转化效率的方法提高转换效率要采用如下技术和方法： 尽可能多地减少能量转换过程中的各项损失， 尽可能多将太阳辐射的能量进行收集以及尽可能地扩大半导体中可收集到的光的频率范围。高效率化的原理与具体的技术。（ 1） 入 射到材料的光能的有效封闭①无反射（ AR）覆盖（减少表面反射损失）②结构行表面凹凸不平处理（利用漫射增大有效浸透深度）③内部界面电极的漫射处理（ BSR 法）（ 2） 光 生载流子的有效收集和光电效果的增大①异质结产生的少数载流子反射镜效应②漂移型光起电效应p-i-n 结合 分层窗 分层不纯物覆盖（ BSF 法）③超晶格的利用（ a-Si/poly-Si 等）（ 3） 光 生载流子的复合损失的减少①光生成活性层的膜质的改善② pn、 pi、 in 结合以及异质结界面的复合引起的减少（ 4） 直 接电阻损失的减少（串联电阻）①透明电极的低电阻对策②点击开关的最优化③隧道效应电极及其最佳配置设计（ 5） 电 压因子损失的减少（并联电阻）①异质结时减少少数载流子的界面复合②漂移型光起电效应的利用③其他 BSF 处理等（ 6） 更 宽光谱的光能的收集① 4 端子分层型太阳能电池② 2 端子分层型太阳能电池③异质表面复合④宽梳状窗的作用（异质结合、超晶格的利用） 。三 高转换效率光电池的设计实例 —— GaAs 叠层太阳电池