太阳能电池的分类与发展趋势

太阳能电池种类与发展趋势太阳能电池的构造多种多样，现在多使用由 P 型半导体与 N型半导体组合而成的 PN结型太阳能电池，主要由 P 型和 N 型半导体、电极以及反射防止膜等元件构成。对于由 2 种不同的硅半导体（ P型与 N型）结合而成的太阳能电池，当太阳光照射时，太阳的光能被太阳能电池吸收，产生正离子（正孔）和负离子（电子） ，正离子向 P 型半导体集结，负离子向 N型半导体集结，当太阳能电池的表面和背面的电极之间接上负载时，便有电流流过。太阳能电池的种类可根据其使用的材料分为：硅系太阳能电池、化合物系太阳能电池和有机半导体系太阳能电池。其中硅系太阳能电池又分为结晶系太阳能电池（包括单结晶、多结晶和多结晶薄膜太阳能电池）和非结晶质太阳能电池；化合物系太阳能电池又分为：Ⅲ - Ⅴ族化合物（ GaAs）太阳能电池、Ⅱ - Ⅵ族化合物（ CdS/CdTe）太阳能电池和三元（Ⅰ - Ⅲ - Ⅵ族）化合物（ CuInSe2）太阳能电池；有机半导体系太阳能电池则包括色素增感太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。如果根据太阳能电池的形式、用途等还可分成民用、电力用、透明电池、半透明电池、柔软性电池、混合型电池（ HIT 电池） 、层积电池和球状电池等。结晶系太阳能电池结晶系太阳能电池分单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和多结晶薄膜太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池是人们使用最早、历史最长的太阳能电池。单晶硅太阳能电池的硅原子排列非常规则，在硅太阳能电池中其转换效率最高，理论值可达 24%~26%，实际产品的转换效率为 15%~18%，从航天到住宅、街灯均有应用。此外，与其他太阳能电池比较，制造晶硅太阳能电池具有所需硅材料比较丰富、制造技术比较成熟、结晶中缺陷少、可靠性高及特性稳定等诸多优点，可使用 20 年以上，但制造成本较高。多晶硅太阳能电池所采用的多晶硅是由单晶硅颗粒聚集而成的。多晶硅太阳能电池的转换效率的理论值为 20%，实际产品的转换效率为 12%~14%。与单晶硅太阳能电池的转换效率相比虽然略低些，但其原材料更为丰富，且制造比较容易，所以使用量已超过单晶硅太阳能电池，占主导地位。而多结晶薄膜太阳能电池使用原材料少，效率高，具有更广泛的应用前景。综上所述，结晶系硅半导体太阳能电池工作性能稳定，具有较高的可靠性和转换效率，因此现在所使用的太阳能电池主要是硅半导体太阳能电池，且其在户外用太阳能电池中占主流。非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是硅半导体太阳能电池的一种，但与结晶硅太阳能电池相比，其所用材料的原子排列呈无规则状态。 非晶硅太阳能电池的转换效率的理论值为 18%， 但实际生产出的非晶硅太阳能电池的转换效率仅为 9%左右。在太阳能电池开发的早期， 这种电池存在劣化性，即在太阳光的照射下存在转换效率下降的现象 。但经过近些年的研究改进，这一劣化现象有所改善，其转换效率显著提高。非晶硅太阳能电池是在玻璃板上使用蒸镀非晶硅的方法、在薄膜状态（厚度为数微米）下制作而成。与结晶硅太阳能电池相比，其制造材料可大大减少，大量生产时成本较低。尽管非晶硅太阳能电池的转换效率不高，但其制造工艺简单，易大量生产，制造所需的能源和原材料较少（厚度 1 微米以下，而单晶硅为 300 微米） ，容易进行大面积化制作，并可方便制成各种曲面形状太阳能电池和做成成本较低的薄膜太阳能电池，所以具有广阔的应用前景。目前，非晶硅太阳能电池在计算器、钟表等行业已被广泛应用。化合物太阳能电池化合物半导体太阳能电池由 2 种以上的半导体元素构成。主要有 III-V 族化合物（ GaAs）太阳能电池、 II-VI 族化合物 （ Cds/CdTe） 太阳能电池及三元 （ I-III-VI 族） 化合物 （ CuInSe2: CIS）太阳能电池等。（ 1） III-V 族化合物（ GaAs）太阳能电池：已在宇宙发电领域得到应用，有单结合电池单元、多结合电池单元、聚光型电池单元以及薄膜型电池单元等种类。这种太阳能电池的转换效率较高，单结合的太阳能电池转换效率为 26%~28%， 2 结合、 3 结合的可望达到 35%~42%。它可以做成薄膜太阳能电池，由于耐辐射性和温度特性较好， 适用于聚光发电。（ 2） II-VI 族化合物（ Cds/CdTe）半导体太阳能电池：于 1986 年首次用于计算器， 1988年开发出户外用太阳能电池组，具有成本低、转换效率高的特点，转换效率的理论值一般为33.62%~44.44%。目前，小面积电池单元的转换效率达 15%以上，大面积电池单元的转换效率达 10%以上。将来有望作为低成本、高转换效率的薄膜太阳能电池应用。（ 3） CIS 太阳能电池：由于采用的 CuInSe 是直接迁移半导体，与间接迁移半导体相比，光吸收系数较大， 可作为薄膜太阳能电池的材料。 CIS 太阳能电池可用较低的温度形成 CIS 薄膜，可做成低成本的衬底。由于光吸收层采用了化合物半导体，长时间使用时特性比较稳定。目前，小面积 CIS 太阳能电池的转换效率为 18.8%，大面积的效率为 12%~14%。 CIS 太阳能电池的转换效率会随太阳能面积的增加而急剧下降，这是由于 CIS 太阳能电池的制造技术尚未十分成熟所致。随着制造技术的提高，有望达到结晶太阳能电池阵列的性能。对于化合物半导体太阳能电池，温度上升对太阳能电池特性的影响不大，但制造太阳能电池的资源较少，材料费用较高，目前主要用于宇宙发电领域。混合型太阳能电池太阳能电池组件安装在屋顶时，如果没有冷却用的通风层，会使太阳能电池组件的温度上升，夏天时能达到 70℃以上，导致太阳能电池组件的转换效率随温度的上升而下降。为解决这一问题，人们研制出混合型太阳能电池。混合型太阳能电池由薄膜非晶硅与单晶硅集成，为防止表面反射，在 N 型单晶硅片的表里侧分别集成了 I/P 型非晶硅与 I/N 型非晶硅，然后在表面加装透明电极。混合型太阳能电池由于在其中形成了 I 层，使非晶硅与单晶硅层的表面特性提高， 10cm2的混合型太阳能电池的转换效率能达到 21.3%，其组件的转换效率也能达 17%。此外，混合型太阳能电池的温度系数为 -0.33% ，低于单晶硅太阳能电池的温度系数，可用于屋顶等温度较易上升的场合。混合型太阳能电池的优点具体包括： （ 1）结构简单，转换效率高； （ 2）与以前的结晶硅系太阳能电池比较，温度上升对其特性的影响小，实际的发电量较多； （ 3）与以前的扩散型结晶系太阳能电池单元（接合形成温度需 900℃）比较，其形成非结晶温度在 200℃以下，比较节省能源； （ 4）由于采用了表面和背面对称的结构，可减少因热膨胀而引起的不均匀，可使用薄衬底，节省资源； （ 5）由于可以利用背面的入射光进行发电，这种电池可两面发电。薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池是一种半导体层厚度在几微米到几十微米以下的太阳能电池，它是由在低成本玻璃衬底上堆积结晶硅系等材料的薄膜而形成的元件，原材料消耗少、效率高，且特性稳定。吸收系数是各种半导体材料的重要参数。吸收系数越大，光吸收层的厚度越薄。由于结晶硅是间接迁移性吸收太阳能，可视光领域的吸收系数较小，所以光吸收层的厚度较大，用于太阳能电池材料的厚度为 200 ~ 400 μ m。 而 CdTe、 Cu(InGa)Se2 （即 CIGS）及硅系材料的吸收系数较大，用于太阳能电池材料的厚度仅为 1 μ m，因此 CIGS 和非晶硅等材料可广泛用于薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池可分为硅系、 II-VI 族化合物等类型，其中 CIGS 系太阳能电池的转换效率较高，大面积组件的转换效率已达 12%，预计将来可达 25%~30%。这种太阳能电池的可靠性高，安全性好，耐辐射性好，且无光劣化性， 目前已进入大面积组件的试制阶段，有望在住宅太阳能光伏发电系统方面推广使用 。然而，薄膜太阳能电池还存在一些亟待解决的课题，如微结晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池需要提高小面积电池单元的转换效率；非晶硅薄膜太阳能电池需要提高大面积组件的转换效率以及降低制造工艺的成本； CIGS、 CdTe 等硅薄膜太阳能电池也需要提高转换效率和开发大面积均匀制膜技术等。透明太阳能电池透明太阳能电池是一种将太阳的光能转换成电能的装置，其原理是半导体吸收光并利用PN结的作用进行能量的转换。透明太阳能电池让可视光穿过而吸收紫外光，并将其转换成电能。透明太阳能电池只利用占太阳光能的 8%的紫外光发电，如果将太阳能电池的输入能量视为太阳光的全体能量，显然与以前的太阳能电池比发电转换效率较低。透明太阳能电池的制造方法是，在低于 500℃的温度下，对 由氧化锌半导体（ N型）与铜铝氧化物半导体（ P 型）组成的部分进行气体雾状及电路板温度的控制，从而在玻璃板上将这些氧化物半导体制成透明半导体，获得透明太阳能电池。透明太阳能电池利用了太阳能电池的辐射作用，可以调整热线反射，因此可以作为窗玻璃使用。它不仅起窗玻璃的作用，而且对于房间来说，可以起到夏防热进、冬防热出的省能效果。由于 透明太阳能电池吸收紫外光发电 ，不影响其透明性，且具有节能等优点，这项技术可以提高能源的综合利用率。有机太阳能电池有机太阳能电池源于植物、细菌的光合成系的模型研究，植物、光合成细菌利用太阳的能量将二氧化碳和水合成糖等有机物。光合作用过程中， 叶绿素等色素吸收太阳光所激发的能量产生电子、正 孔，导致电荷向同一方向移动，产生电能。有机太阳能电池是一种新型太阳能电池， 可分为湿式色素增感太阳能电池以及干式有机薄膜太阳能电池。（ 1）色素增感太阳能电池是在光激励状态下伴随化学反应产生光电流的光化学电池，分光异化型、光酸化还原型和半导体增感型，由透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物或增感色素及电解质溶液等材料构成。这种太阳能电池可用简单的印刷方式制造，可大量生产，所以成本低，制造所需材料丰富，耗能少，对环境影响小。目前 ，色素增感太阳能电池的转换效率为 10%。根据所使用的色素种类和使用量，可制成各种颜色、透明的太阳能电池，用于建材和钟表领域。（ 2）有机薄膜太阳能电池由色素或高分子材料构成，制造方法简单，成本低，对环境影响小，且由于柔软性好，可制成各种形状，但转换效率仅为 4.5%。近年来，有机太阳能电池的转换效率大幅度提高，在地球升温加速的严峻环境面前，有机太阳能电池的研究与开发已成为一大亮点。球状太阳能电池球状太阳能电池的外形与一般的太阳能电池的形状不同，是直径约为 1.5mm 的球形，颜色一般为褐色，类似圆形的药丸 。球状太阳能电池在应用时一般被排成阵列形式。这种太阳能电池使用单晶硅材料制成。球状太阳能电池可以吸收来自任何方向的光线，电池的表面可以利用直接照射的光线发电，而其背面则可以吸收反射光发电，从而提高了发电效率。 一颗球状太阳能电池的出力约为 400μ W，发电转换效率已达 19%以上。球状太阳能电池利用无重力方法制造，制造能耗低，且使用原材料少，所以具有节约资源和环保性好的突出优点。此外，球状太阳能电池可以做成任意可弯曲的形状，将来有望在住宅太阳能发电系统、可移动式电子设备、手机及交通等领域得到广泛的应用。染料敏化电池染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在 TiO2 粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被 TiO2 吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。 染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为 12%左右。纳米晶电池纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的， 优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的 1/5 ～ 1/10 ．寿命能达到 20 年以上。 此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。塑料电池塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料， 能通过 “ 卷对卷印刷 ” 技术大规模生产，其成本低廉、环保。但目塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来 5 年到 10 年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 硅为材料的太阳能电池的制造成本昂贵，不易安装，光电转换效率也低，大约只有 12-15%（现在世界上最好的单晶硅光电转换效率大约是 30%左右） ，发 1 度电的成本大约是 22 美分，远比烧煤的火力发电厂 4美分 1 度电的成本要高。新型太阳能电池是把 光生伏打电池嵌入塑料薄膜的表面，制成太阳能发电薄膜 。这种太阳能发电薄膜廉价，转换效率高，可以有多种用途。在美国马萨诸塞州有个 Konka 技术公司，这家公司已经研制出一种工艺，这种新工艺能够把二氧化钛及一种吸收光的染料涂覆在塑料薄膜的表面， 染料分子吸收的光子激发二氧化钛的电子从而发电。 Konka 公司期望今年年底能够将其第一种商品化的新型太阳能电池推向市场，这种新型太阳能电池将主要应用于消费电子设备如笔记本电脑。一些大公司也关注新型太阳能电池技术。西门子开发的一种新技术是把一种纳米级的碳６０分子同导电的聚合物熔融在一起制塑料太阳能电池；而美国通用的电气公司帽是利用一种有机发光二极管作为吸光材料来制造塑料太阳能电池。采有塑料太阳能电池，实际上能够使许多材料具有发电能力。例如，塑料太阳能电池可以嵌入手提电脑的外壳，可以随时在光照条件下对电脑充电；也可以装在电动汽车车身，为电动机供电；房屋的屋顶更可以覆盖塑料太阳能电池，以供应日常用电。