硅太阳能电池的结构及工作原理

- 1 - 一 . 引言：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。全球太阳能电池产业 1994-2004 年 10 年里增长了 17 倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。 2006 年全球太阳能电池安装规模已达1744MW ，较 2005 年成长 19％，整个市场产值已正式突破 100 亿美元大关。 2007 年全球太阳能电池产量达到 3436MW ，较 2006 年增长了 56% 。中国对太阳能电池的研究起步于 1958 年， 20 世纪 80 年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线， 使中国太阳能电池生产能力由原来的 3个小厂的几百 kW 一下子提升到 4 个厂的 4.5MW ，这种产能一直持续到2002 年，产量则只有 2MW 左右。 2002 年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。 2007 年全国太阳能电池产量达到 1188MW ，同比增长 293% 。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了 20 年，尽管最近 10 年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到 2030 年，可再生能源在总绿色环保节能太阳能能源结构中将占到 30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10 ％以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50 ％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80 ％以上，太阳能发电将占到 60％以上。这些数字足以显- 2 - 示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池； 3、 功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。本文主要阐述硅太阳能的结构和工作原理。二． 硅太阳能电池2.1 硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应， 一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的分子结构是这样的：上图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点 2300 ℃，沸点 3658 ℃，密度 2.34 克 /厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。 这些化合物通常是高硬度、 耐熔、 高导电率和化学惰性的物质。 ） 、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴，它的形成可以参照下图说明：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成 P（ positive ）型半导体。（附，什么是 P 型半导体呢？在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的 P 型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N 型半导体。）- 3 - 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成 N（ negative ）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子，如下图所示：P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的 P 型一侧带负电， N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体多空穴， N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。 N 区的电子汇扩散到 P 区， P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个有 N指向 P 的 “ 内电场 ” ，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成 PN 结。当晶片受光后， PN 结中， N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N 型区移动，从而形成从N 型区到 P 型区的电流。然后在 PN 结中形成电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。- 4 - 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 p-n 结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过， 电流就不能产生， 因此一般用金属网格覆盖 p-n 结 （如图 梳状电极） ，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000 埃左右。将反射损失减小到 5% 甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N 型硅和 P 型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得 N 侧的电子越来越难以抵达 P 侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从 P 侧流向 N 侧，而不是相反。它就像一座山 —— 电子可以轻松地滑下山头（到达 N 侧），却不能向上攀升（到达 P 侧）。这样， 我们就得到了一个作用相当于二极管的电场， 其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置， 或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范- 5 - 围之内，则电场会将电子送到 N 侧，将空穴送到 P 侧。这会导致电中性进一步被破坏， 如果我们提供一个外部电流通路， 则电子会经过该通路， 流向它们的原始侧（ P 侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。光伏电池的工作原理我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是， 此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为 25% 左右，通常的吸收率是 15% 或更低。为什么吸收率会这么低？可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的 —— 它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。 （有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。）光可分为不同波长， 我们可以通过彩虹看出这一点。 由于射到电池的光的光子能量范围很广， 因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。 它们只是穿过电池， 就像电池是透明的一样。 但其他一些光子的能量却很强。 只有达到一定的能量 —— 单位为电子伏特 （ eV） ， 由电池材料 （对于晶体硅， 约为 1.1eV ） 决定 ——才能使电子逸出。 我们将这个能量值称为材料的带隙能量。 如果光子的能量比所需的能量多， 则多余的能量会损失掉 （除非光子的能量是所需能量的两倍， 并且可以创建多组电子空穴对， 但这种效应并不重要） 。 仅这两种效应就会造成电池中 70% 左右的辐射能损失。为何我们不选择一种带隙很低的材料， 以便利用更多的光子？遗憾的是， 带隙还决定了电场强度 （电压） ， 如果带隙过低， 那么在增大电流 （通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。请记住，功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应， 对于由单一材料制成的电池， 这个值约为 1.4 电子伏特。我们还有其他能量损失。 电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。 我们可以在电池底部镀上一层金属， 以保证良好的导电性。 但如果我们将电池顶部完全镀上金属， 光子将无法穿过不透光导体， 这样就会丧失所有电流 （在某些电池中， 只有上表面而非所有位置使用了透明导体） 。 如果我们只在电池的两侧设置触点， 则电子需要经过很长一段距离 （对于电子而言） 才能抵达接触点。 要知道，硅是半导体， 它传输电流的性能没有金属那么好。 它的内部电阻 （称为串联电阻）- 6 - 相当高， 而高电阻意味着高损耗。 为了最大限度地降低这些损耗， 电池上覆有金属接触网， 它可缩短电子移动的距离， 同时只覆盖电池表面的一小部分。 即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。在实际使用电池之前， 还要执行其他几个步骤。 硅是一种有光泽的材料， 这意味着它的反射性能很好。 被反射的光子不能被电池利用。 出于这个原因， 在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到 5%以下。最后一步是安装玻璃盖板， 用来将电池与元件分开， 以保护电池。 光伏模块由多块电池（通常是 36 块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中， 后部分别引出正极端子和负极端子， 并用玻璃盖板封上。普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。 电池材料中还采用了多晶硅， 尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高， 但可以降低成本。 此外， 还采用了没有晶体结构的非晶硅， 这样做同样是为了降低成本。 使用的其他材料还包括砷化镓、 硒化铟铜和碲化镉。 由于不同材料的带隙不同， 因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了 “ 调谐 ” 。一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。 带隙较高的材料放在表面， 吸收较高能量的光子； 而带隙较低的材料放在下方， 吸收较低能量的光子。 这项技术可大大提高效率。 这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。三 . 单晶硅、多晶硅、非晶硅三种太阳能电池介绍3.1 单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中， 单晶硅大阳能电池转换效率最高， 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成热的加工处理工艺基础上的。 现在单晶硅的电地工艺己近成熟， 在电池制作中， 一般都采用表面织构化、- 7 - 发射区钝化、 分区掺杂等技术， 开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面， 德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。 该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合． 通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过 23%，是大值可达23． 3％。 Kyocera 公司制备的大面积（ 225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19． 44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（ 2cmX2cm）转换效率达到 19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（ 5cmX5cm）转换效率达 8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响， 致使单晶硅成本价格居高不下， 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。3.2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350－ 450μ m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 因此实际消耗的硅材料更多。 为了节省材料，人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小， 未能制成有价值的太阳能电池。 为了获得大尺寸晶粒的薄膜， 人们一直没有停止过研究， 并提出了很多方法。 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（ LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（ PECVD）工艺。此外，液相外延法（ LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、 SiHCl3、 Sicl4 或 SiH4, 为反应气体 , 在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上， 衬底材料一般选用 Si 、SiO2、 Si3N4 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒 , 并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 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， 因此， 再结晶技术无疑是很重要的一个环节， 目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。 多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外， 另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术， 这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。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％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达 16.42%。液相外延（ LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国 Astropower 公司采用 LPE制备的电池效率达 12． 2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒， 并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，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。3.3 非晶硅薄膜太阳能电池- 8 - 开发太阳能电池的两个关键问题就是： 提高转换效率和降低成本。 由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低， 便于大规模生产， 普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在 70 年代初， Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作 , 近几年它的研制工作得到了迅速发展 , 目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感， 这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。 此外， 其光电效率会随着光照时间的延续而衰减， 即所谓的光致衰退 S 一 W效应， 使得电池性能不稳定。 解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池， 叠层太阳能电池是由在制备的 p、 i 、 n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。 叠层太阳能电池提高转换效率、 解决单结电池不稳定性的关键问题在于： ①它把不同禁带宽度的材科组台在一起， 提高了光谱的响应范围； ②顶电池的 i 层较薄， 光照产生的电场强度变化不大， 保证i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为 H2稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。 目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展： 第一、 三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到 13％，创下新的记录；第二 . 三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW。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％。上述最高转换效率是在小面积（ 0． 25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过 12． 5％，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特别是叠层太阳能电池的研究并不多， 南开大学的耿新华等采用工业用材料， 以铝背电极制备出面积为 20X20cm2、转换效率为 8． 28％的 a－ Si/a － Si 叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池由于具有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。 但同时由于它的稳定性不高， 直接影响了它的实际应用。 如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题， 那么， 非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。四 . 其他太阳能电池介绍4.1 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、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。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。砷化镓 III-V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率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，因此，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- 9 - 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 化合物如 Gasb 、 GaInP 等电池材料也得到了开发。 1998 年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 GaAs 太阳能电池转换效率为 24 ． 2％，为 欧洲 记录。首次制备的 GaInP 电池转换效率为 14． 7％．见表 2。另外，该研究所还采用堆叠结构制备 GaAs ， Gasb 电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起， GaAs 作为上电池， 下电池用的是 Gasb, 所得到的电池效率达到 31 ． 1％。铜铟硒 CuInSe2 简称 CIC 。 CIS 材料的能降为 1． leV ，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。CIS 电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用 H2Se 叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的 CIS 。 CIS 薄膜电池从 80 年代最初 8％的转换效率发展到目前的 15 ％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的 CIS 电池，其光电转换效率为 15． 3％（面积 1cm2 ）。 1995 年美国可再生能源研究室研制出转换效率为 17． l％的 CIS 太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到 2000 年 CIS 电池的转换效率将达到 20 ％，相当于 多晶硅太阳能电池 。CIS 作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，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。4.2 聚合物多层修饰电极型太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制备的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同 氧化还原电势 ，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机 P－ N 结的单向导电装置。其中一个电极的内层由 还原电位 较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过 外电路 通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，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。4.3 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，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新- 10 - 材料、 电池薄膜化等方面进行探索， 而这当中新近发展的纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。自 瑞士 Gratzel 教授研制成功纳米 TiO2 化学大阳能电池以来， 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）是由一种在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， 窄禁带半导体材料采用过渡金属 Ru 以及 Os 等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶 TiO2 并制成电极，此外 NPC 电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶 TiO2 工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的 TiO2 导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿， 进入 TiO2 导带中的电于最终进入导电膜 ,然后通过外回路产生光电流。 纳米晶 TiO2 太阳能电池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2O 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。太阳能电池的发展趋势五 .太阳能电池的发展趋势从以上几个方面的讨论可知，作为太阳能电池的材料， III-V 族化合物及CIS 等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，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。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。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多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于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。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，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，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。六 .中国太阳能电池产业的发展中国对太阳能电池的研究起步于 1958 年， 20 世纪 80 年代末期， 国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的 3 个小厂的几百 kW 一下子提升到 4 个厂的 4.5MW ，这种产能一直持续到 2002年，产量则只有 2MW 左右。 2002 年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和 无锡尚德太阳能电力有限公司 的横空出世及超常规发展给中国 光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。 2007 年全国太阳能电池产量达到 1188MW ，同比增长 293% 。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成- 11 - 了一定的集聚态势。在长三角、 环渤海 、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了 20 年，尽管最近 10 年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决 太阳能发电 上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府 办公楼 等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。太阳能光伏 发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。 预计到 2030 年， 可再生能源在总能源结构中将占到 30 ％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20 ％以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80％以上， 太阳能发电将占到 60％以上。 这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。结论太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应 . - 12 - 参考文献[1] ： （澳大利亚）格林（ Martin A.Green） 译者：狄大卫 欧阳子 张博 等 硅太阳能电池 :高级原理与实践 上海交通大学出版社 2011 [2] 惠晶 . 新能源转换与控制技术 机械工业出版社出版 2008 [3] 王长贵，崔容强，周篁 新能源发电技术 中国电力出版社出版 2003 [4] 9 u6 邢运民，陶永红 现代能源与发电技术 西安电子科技大学出版社 2007 [5] 狄大卫 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 上海交通大学出版社 2010 [6] 章小鸽、张俊喜、张大全、 徐群杰 硅及其氧化物的电化学 化学工业出版社 2004[7] 杨德仁 太阳电池材料 化学工业出版社 2007[8] 余化丛·杨红等 太阳能学报 1995 [9] 王兆安．黄俊 . 电力电子技术（第 4 版） [J], 北京：机械工业出版社， 2000 [10] 华成英．模拟电子技术基础（第 3 版） [J], 北京：高等教育出版社， 2001 [11] 康华光 . 电子技术基础（模拟部分） [J]. 北京 : 高等教育出版社 ,2004 [12] Fujingcoto K,Sogawa Y,Shima Ket Solar Energy Matcrials and Solar Cells.1994 [13] 毛振刚 红外技术 1990 [14] 汤大新 红外研究 1988 [15] 杨素行 . 模拟电子电路 [J]. 北京 : 中央广播电视大学出版社 ,1994 [16] 何希才 . 伊兵 . 实用电子电路设计 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,1998 [17] 康华光 . 电子技术基础（数字部分） [J] ，北京 : 高等教育出版社 ,2004 [18] 陈涌海；王占国；叶小玲；纳米半导体技术；北京化学工业出版社； 2006年[19] （美）安德森（ Anderson,B.L. ） ; （美）安德森（ Anderson,R.L. ） ; 半导体器件基础；清华大学出版社； 2008 年[20] 许振嘉；近代半导体材料的表面科学基础；北京大学出版社； 2002 年[21] 许振嘉；半导体的检测与分析；科学出版社； 2007 年[22] 王兆安 ,黄俊 .电力电子技术 [J].机械工业出版社 ,2000 修改意见