文献综述

院（系）： 浙江工业大学理学院专 业： 应用物理姓 名： 何河孝学 号： 200910320107 完成日期： 2013 年 3 月 10 日太阳能电池文献综述1 前言人类在 2l 世纪面对的最大困难是什么 ?答案是不可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重。 如何解决这一对难题成为困扰世界经济发展的首要任务。 各种可再生能源的优越性日渐突出。 于是， 人们将目光纷纷投向了太阳。 太阳时时刻刻都在向地球发送着能量， 并且这种能量是取之不尽， 用之不竭的。 如果仅仅将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率， 可以高达 1.77 × 10 千瓦， 前全世界平均消费电力还要大数亿倍。 太阳能不但数量巨大，而且源于太阳的各种绿色能源，如：风能、潮汐能、生物质能、水力能都属于可再生能源，只要有太阳的存在，能源就像阳光一样源源不断。太阳能的利用有很多种， 可以利用光的热效应， 将太阳辐射转化成热能； 也可以利用光的伏特效应， 将太阳辐射直接转换成电能等。 在太阳能的有效利用中， 太阳能的光电利用成为近些年发展最快、 最具活力的研究领域。 太阳能电池的研究发展也日益迅速起来。 太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能， 不需要消耗燃料和水等物质， 释放包括二氧化碳在内的任何气体， 是对环境无污染的可再生能源。 这对改善生态环境、 缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此太阳能电池有望成为 2l 世纪的重要新能源。目前一些发达国家采用太阳能电池发出的电并人电网的措施， 既能部分平衡高峰用电， 又可省去储电的费用。太阳能发电系统一般没有发电机具有的转动部件，所以也不会产生噪音，不容易损坏。太阳能发电装置规模可大可小， 小的可以是数瓦或数十瓦， 如便携式太阳能手电筒和太阳能手机充电器，大的可以是数兆瓦或数十兆瓦，例如大型发电站等。2 光伏电池简介2.1 太阳能电池的发展历史作为太阳能电池工作基本原理的光伏效应 (Photovoltaie Effect 缩写 PV)是 l839 年被发现的。 由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势， 从而把光的能量转换成电能， 此种进行能量转化的光电元件称为太阳电池 (SolarCel1) ，也可称之为光伏电池。 1954 年 Bell实验室研发出第 - 个太阳能电池，不过由于效率太低，造价太高，缺乏商业价值。随着航天技术的发展， 使太阳能电池的作用不可替代， 太阳能电池成为太空飞行器中不可取代的重要部分。 1958 年 3 月发射的美国 V 锄 Guard1 号上首次装设了太阳能电池。 1958 年 5 月苏联发射的第 3 颗人造卫星上也开始装设太阳能电池。到 1969 年美国人登陆月球，这使得太阳能电池的发展达到了第 1 个巅峰期。 此后， 几乎所有发射的人造天体上都装设太阳能电池。 加世纪 70 年代初期，由于中东战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断，出现了“能源危机” ，人们开始认识到不能长期依靠传统能源。特别是近年来地面能源面临的矿物燃料资源的减少与环境污染的问题，于是太阳能电池的应用已被提上了各国政府的议事日程。1990 年以后，太阳能的发展开始与民用电相结合， “ grid-connected photovoltaic system ”( 与市电并联型太阳能电池发电系统 ) 开始推广， 太阳能电池不断有新的结构与制造技术被研发出来。至今太阳能电池已经发展到了第 2 代。 第 1 代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅 2 种， 工业化产品效率一般为 13%-15%，目前可工业化生产、可获得利润的太阳能电池就是指第 1 代电池。 但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。 第 2 代太阳能电池是薄膜太阳能电池， 其成本低于第 l 代， 可大幅度增加电池板制造面积， 但是效率不如第 1 代。 在将来的第 3 代太阳能电池应该具有以下特征： 薄膜化、 高效率、 原材料丰富和无毒性。 可望实现的第 3 代电池效率的途径包括：叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。光伏电池产业发展迅速。据 2004 年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的 98%，晶体硅太阳能电池占总产量的 84.6%，多晶硅太阳能电池占总量的 56%。 2005年，世界太阳能电池总产量 1656MW，其中日本仍居首位， 762MW，占世界总产量的 46%；欧洲为 464MW，占总产量的 28%；美国 156MW，占总产量的 9%；其他 274MW，占总产量的 17%。2005 年，世界光伏市场安装量 1460MW，比 2004 年增长 34%，其中德国安装最多，为 37MW，比 2004 年增长 53%，占世界总安装量的 57%；欧洲为 920MW，占总世界安装量的 63%，日本安装量 292MW， 增幅为 14%， 占世界总安装量的 20%； 美国安装量为 102MW， 占世界总安装量的 7%，其他安装量为 146MW，占世界总安装量的 10%。据统计， 2005-2010 年世界太阳能电池平均年增长率在 25%。2.2 单晶硅电池单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。 它的转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为 23%，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为 15%。单晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池、新南威尔士大学的钝化发射区电池 (PERL)以及德国 Fraunhofer 太阳能研究所的局域化背场电池等。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。 此外， 倒金字塔技术、 双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。 如新南威尔士大学的钝化发射区电池和激光刻槽埋栅电池分别取到 24.7%和 19.6%的转化率，日本 Sanyo 公司采用 PECVD工艺开发的 HIT 电池取得了 21%的转化率。2.3 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池与单晶硅比较， 由于所使用的硅远比单晶硅少， 其成本远低于单晶硅电池， 具有独特的优势。 但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷， 造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破 20%的关口，低于单晶硅电池。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为 18%，工业规模生产的转换效率为 10%。不过乔治亚工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达到 18.6%；新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术，使电池的效率达到 19.8%；日本 Kysera 公司采用了 PECVD-SiN技术，起到钝化和减反射双重作用， 加上表面织构化和背场技术， 使 15× 15Cln 面积多晶硅电池效率达17.1%，此种电池技术已经实现了工业化生产，商业化电池效率在 14%以上。最近德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术，在世界上率先使多晶太阳能电池的光电转换率达到20.3%。如能在工业生产中大规模使用该新技术，基于成本低廉的优势，预计多晶硅电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。2.4 薄膜太阳电池由于受到原材料、 加工工艺和制造过程的制约， 若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。 作为单晶硅电池的替代产品， 现在发展了薄膜太阳电池。 目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、染料敏化 TiO，太阳电池等。具有代表性的产品主要有：(1) 非晶硅 (a-Si) 太阳电池，即硅和氢 ( 约 10%)的一种合金。最早提出非晶硅太阳能电池思路的是美国 RCA实验室的 Carlson 和 Wronski 。 2O0o年我国把以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池的研究列入国家重点基础研究发展计划 (973) 项目，使我国非晶硅电池的研究又进入一个新阶段。(2) CVD 多晶硅薄膜及电池，即利用 PECVD(等离子强化 CVD)， RECVD(快速热 CVD)，Hot-wire CVD(热线 CVD)等技术来生长多晶硅薄膜。 德国 Fraunhofer 太阳能研究所使用 SiO2和 SiN 包覆陶瓷或 SiC 包覆石墨为衬底， 用 RTCVD沉积多晶硅薄膜， 硅膜经过再结晶后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到 9.3%和 11%。(3) CdTe 和 CIGS 电池被认为是未来实现低于 1 美分 /w 成本目标的典型薄膜电池。从2003 年 11 月公布的第 21 版的太阳电池组件的转换效率数据，可以看出由日本昭和壳牌石油公司开发的 CIGS太阳电池组件，转换效率达到了 13.4%， Pacificsolar 公司开发的薄膜Si 系薄膜太阳能电池转换效率也达到了 8.2%。3 我国太阳能光伏发电的应用3.1 城市并网光伏发电目前德国的“ 10 万屋顶发电计划” 、日本的“阳光计划”和美国的“百万屋顶计划”均是城市并网光伏发电的应用， 我国也可以借鉴， 采用光伏发电技术用于城市道路、 小区照明有着巨大的市场潜力， 粗略估算， 我国建筑屋顶面积总计约 100 亿平方米， 如果光伏组件覆盖 1%的屋顶，每年就可以提供 1500 亿千瓦时的电能。3.2 沙漠供电我国 108 万平方公里的荒漠面积为建设大型的太阳能电站提供了广阔的土地资源， 其年总辐射在 1600kWh/m以上，如果利用其 1/10 安装并网光伏发电系统，每年的发电量可以达到 10 万多亿千瓦时 . 相当于我国全国用电量的 6 倍。 从资源的合理开发利用来说， 开发沙漠太阳能资源具有得天独厚的优势， 可使广大的沙漠、 戈壁滩变废为宝。 对实现能源的可持续发展具有重要的现实意义。 沙漠所处的地理位置恰好是太阳能资源丰富区， 尽管不同的地区均可获取太阳能， 但在沙漠地区建设太阳能电站， 不仅具备较好太阳能光照资源， 而且占用宝贵的耕地。 在建造太阳能电站的同时也对沙漠的环境进行了改造， 可以说一举两得。 中国无论太阳能资源还是沙漠资源， 都具有足够的优势， 足以支持太阳能电站的建设， 缓解未来的能源危机。同时对改善沙漠生态环境、促进沙漠植被恢复也有积极作用。3.3 其他商业应用光伏的其他商业应用是指没有政府政策补贴的商业化应用， 如太阳能手机充电器、 广告牌、独立通信机站电源、小商品电源等。随着技术进步、市场开发。新的产品和新的应用领域会快速发展。4 总结目前， 太阳能电池产业发展的瓶颈主要有两方面的问题： 第一个是价格问题： 首先要研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料。 其次是能用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。 另一个是效率问题。 在光 - 电转换的过程中， 并不是所有的入射光谱都能被电池所吸收，并完全转成电流。 有一半的光谱因能量小于半导体的能隙， 对电池的输出没有贡献。 而另一半被吸收的光子中， 除了产生电子一空穴对所需要的能量外， 大概有一半左右的能量以热量的形式浪费掉。所以，单一电池的最高效率约在 25%左右，目前实验室所研发出来的电池的效率几乎可以达到理论的最高值。 因此， 从转换效率和材料的来源角度讲， 今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是硅薄膜电池。5 参考文献[1] 成志秀，王晓丽 . 太阳能光伏电池综述 . 信息记录材料 2007 年 第 R 卷第 2 期 . 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