能源储存--太阳能电池.pdf

论 文( 理工类 ) 课程名称 : 能源储存材料及技术学生姓名 : 赵 勇学 号 : 212013085204017 题 目 : 太 阳 能 电 池太阳能电池摘要： 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。本文介绍了太阳能电池的背景，发展历程，基本工作原理及分类等方面，着重介绍了硅太阳能电池。关键词： 太阳能电池；光伏效应；硅电池1. 背景及发展历程地球每天接收的太阳能， 相当于整个世界一年所消耗的总能量的 200 倍。 太阳每秒发出的能量就大约相当于 1.3 亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙，都是太阳能转换而成。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。几千年来人类无意识地利用太阳能来取暖和晾晒物品，直到 19 世纪末才出现了第一台太阳能热水器，而第一片太阳能电池的出现则是在 1954 年，其发展过程简列如下：1893 年，法国科学家贝克勒尔发现 “ 光生伏特效应 ” ，即 “ 光伏效应 ” 。1930 年，肖特基提出 Cu2O 势垒的 “ 光伏效应 ” 理论。同年，朗格首次提出用“ 光伏效应 ” 制造 “ 太阳电池 ” ，使太阳能变成电能。1941 年，奥尔在硅上发现光伏效应。1954 年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳能电池，效率为 6 %。 同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳能电池。1958 年，太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋 1 号卫星电源。1959 年，第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达 5 %。1975 年，非晶硅太阳能电池问世。1980 年，单晶硅太阳能电池效率达 20 %，砷化镓电池达 22.5 %，多晶硅电池达 14.5 %，硫化镉电池达 9.15 %。1998 年， 单晶硅光伏电池效率达 25 %。 荷兰政府提出 “ 荷兰百万个太阳光伏屋顶计划 ” ，到 2020 年完成。自 50 年代研制成第一块实用的硅太阳能电池、 60 年代太阳能电池进入空间应用、 70 年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个世纪。发展到今天，世界太阳能电池组件的年产量达 200 MW 以上。2. 基本原理太阳能电池：太阳能电池（ Solar Cells） ,也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。 由这种器件封装成太阳能电池组件， 再按需要将一定数量的组件组合成一定功率的太阳电池方阵， 经与储能装置、 测量控制装置及直流 --交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为光伏发电系统。光伏特效应： 光生伏特效应， 是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电势差的现象，简称 “ 光伏效应 ” 。图 1 太阳能电池原理图太阳能电池是由电性质不同的 n 型半导体和 p 型半导体连接合成， 一边是 p区 ,一边是 n 区， 在两个相互接触的界面附近形成一个结叫 p - n 结， 结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。当太阳光入射到太阳电池表面上后 ,所吸收得能量大于禁带宽度， 在 p-n 结中产生电子 -空穴对，在 p-n 结内建电场作用下，空穴向 p 区移动，电子向 n 区移动，从而在 p 区形成空穴积累，在 n 区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。3. 电池分类按结构分类：同质节太阳能电池，异质节太阳能电池，肖特基太阳能电池。按工作方式分类：平板太阳能电池，聚光太阳能电池，分光太阳能电池按材料分类： 硅太阳能电池， 多晶体薄膜太阳能电池， 有机聚合物太阳能电池，敏米晶太阳能电池，有机薄膜太阳能电池，染料敏华太阳能电池，塑料太阳能电池。第一代：单晶硅和多晶硅两种，大约占太阳能电池产品市场的 89.9 ％。第一代太阳能电池基于硅晶片基础之上， 主要采用单晶体硅、 多晶体硅为材料。 其中，单晶硅电池转换效率最高，可达到 18－ 20 ％，但生产成本高。第二代：薄膜太阳能电池，占太阳能电池产品市场的 9.9 %，第二代太阳能电池基于薄膜技术基础之上， 主要采用非晶硅及氧化物等为材料。 效率比第一代低，最高的的转化效率为 13 ％，但生产成本最低。第三代：铜铟硒（ CIS）等化合物薄膜太阳能电池及薄膜 Si 系太阳能电池。主要处于实验室生产状态， 由于其的高效率，低成本而存在潜在庞大的经济效应。3.1 硅太阳能电池分为： 单晶硅太阳能电池， 多晶硅薄膜太阳能电池， 非晶硅薄膜太阳能电池3.1.1 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， 其转换效率最高， 技术也最为成熟。 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的热加工处理工艺基础上。生产工艺流程： 导电玻璃 — 膜切割 — 清洗 — 检测 — 镀铝电极 — 沉积 PN 结 — 老化 — 检测 — 封装 — 成品检测。德国费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平电池转化效率超过 23 %，最大值可达 23.3 ％。Kyocera 公司制备的大面积单电晶太阳能电池转换效率 19.44 %。北京太阳能研究所研制的平面高效单晶硅电池（ 2 cm× 2 cm）转换效率达19.79 %，刻槽埋栅电极晶体硅电池（ 5 cm× 5 cm）转换效率达 8.6 %。单晶硅太阳能电池转换效率最高，由于受单晶硅材料价格 及繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅电池成本价格较高，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料， 寻找单晶硅电池的替代产品， 现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。3.1.2 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池所采用的硅为 a-Si。其基本结构不是 pn 结而是 pin结。掺硼形成 p 区，掺磷形成 n 区， i 为非杂质或轻掺杂的本征层。突出特点：材料和制造工艺成本低，制作工艺为低温工艺（ 100-300℃） ，耗能较低，易于形成大规模生产能力，生产可全流程自动化，品种多，用途广。存在问题：光学带隙为 1.7eV，对长波区域不敏感，转换效率低，光致衰退效应 :光电效率随着光照时间的延续而衰减解决途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的 p-i-n 单结太阳能，电池上再沉一个或多个 p-i-n 子电池制得。生产方法： 反应溅射法、 PECVD 法、 LPCVD 法。反应气体： H2 稀释的SiH4。衬底材料：玻璃、不锈钢等美国联合太阳能公司 （ VSSC） 制得的单结太阳能电池最高转换效率为 9.3 %，三带隙三叠层电池最高转换效率为 13 % (在小面积上 0. 5 cm ×0.5 cm)。日本中央研究院采用一系列新措施， 制得的非晶硅电池的转换效率为 13.2 %。国内关于非晶硅薄膜电池， 尤其叠层太阳能电池的研究并不多， 南开大学耿新华等用工业用材料， 以铝电极制备出面积为 20 cm× 20 cm、 转换效率为 8.28 ％的叠层太阳能电池。由于具有相对较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点， 有着极大的潜力。 但其稳定性不高， 直接影响实际应用。 若进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，非晶硅大阳能电池将是太阳能电池的主要发展产品之一。3.1.3 多晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上， 用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层 , 不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性 , 而且材料的用量大幅度下降 , 明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样 , 是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。常用制备方法：低压化学气相沉积法（ LPCVD） ，等离子增强化学气相沉积（ PECVD） ，液相外延法（ LPPE） ，溅射沉积法。反应气体 SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCl4 或 SiH4（一定保护气氛下） — 硅原子沉积在加热的衬底上（ 衬底材料为 Si、 SiO2、 Si3N4 等 ） 。存在问题：非硅衬底上很难形成较大的晶粒，容易在晶粒间形成空隙解决方法：先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在 FZSi 衬底上制得的多晶硅电池转换效率为 19 %。日本三菱公司用上述方法制备的电池，效率达 16.42 %。美国 Astropower 公司采用 LPPE 制备的电池效率达 12.2 %。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅较单晶硅少， 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，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。图 2 世界太阳能电池产量曲线图3.2 多晶体薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。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， 并且也易于大规模生产， 但由于镉有剧毒， 会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓 III-V 化合物电池的转换效率可达 28 %， 具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是价格不菲，很大程度上限制了砷化镓电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退效应的问题，转换效率和多晶硅一样。 而且价格低廉、 性能良好和工艺简单等， 将成为今后发展太能电池的一个重要方向。 由于铟和硒都是比较稀有的元素， 因此， 这类电池的发展又必然受到限制。3.3 有机聚合物太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能， 提供廉价电能具有重要意义。 但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始， 不论是使用寿命， 还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。3.4 敏米晶太阳能电池纳米 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。3.5 有机薄膜太阳能电池由有机材料构成核心部分的太阳能电池。 大家对有机太阳能电池不熟悉， 这是情理中的事。 如今量产的太阳能电池里， 95 %以上是硅基的， 而剩下的不到 5 %也是由其它无机材料制成的。3.6 染料敏华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。3.7 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。表 1 各类太阳能电池性能比较图 3 各类太阳能电池所占比例4. 发展前景III-V 族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，尽管电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。图 4 我国主要发电方式及上网电价比较（元 /度）纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极型太阳能电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代正在应用的太阳能电池。从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本， 将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来。参考文献[1] 吴志坚 . 新能源和可再生能源的利用 [M]. 机械工业出版社 , 2006