太阳能电池简介

化学与材料读书报告太阳能电池简介院系：化学化工学院姓名： ---- 学号： ------- 摘要 ： 本文主要是简要介绍一下各种太阳能电池， 并提出每一种太阳能电池目前存在的问题， 笔者也通过自己十分有限的知识试着去探讨一下这些问题，最后通过一个例子来说明太阳能电池的巨大应用前景。一、前言总所周知，能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。然而，随着社会的发展，煤炭、石油等传统不可再生的资源日益减少，开发清洁的能源迫在眉睫。 太阳能是取之不尽的能源， 而每年到地球表面的太阳能是全世界每年能源消耗的一万倍， 所以太阳能是人类不可忽视的能源形式。其中太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式。太阳能电池将资源无限、 清洁干净的太阳辐射转换为电能。 近些年来，世界太阳能电池的产量以年增长率 30％的速度快速发展。科学家预言， 在 21 世纪中期太阳能光伏发电将成为重要的发电方式 [1]。 因此对太阳能电池的研究成了一个热门专业。太阳能电池的工作原理是：太阳光照在半导体 P-N 结上，形成空穴 -电子对，在 P-N 结电场的作用下， N 型半导体的空穴往 P 型区移动， P 型区中的电子往 N 型区移动， 接通电路后就形成电流 [2]。太阳能电池根据所用材料的不同， 太阳能电池可分为： 硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、 聚合物多层修饰电极型太阳能电池、 纳米晶太阳能电池、 有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池， 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的， 在应用中居主导地位。 但是太阳能电池在发展的过程中同样存在着有如成本高， 转化率低， 材料的资源等等问题。所以对太阳能电池，人们还需要更深一步的研究。二、太阳能电池太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置 （以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流， 而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段） ，其原理是：当太阳光照在半导体 p-n 结上， 形成新的空穴 -电子对， 在 p-n 结电场的作用下，空穴由 p 区流向 n 区，电子由 n 区流向 p 区，接通电路后就形成电流。 这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 我们根据所用材料的不同 ,太阳能电池主要可分为四种类型 : (1) 硅太阳能电池 ; (2) 多元化合物薄膜太阳能电池 ; (3) 有机物太阳能电池 ; (4) 纳米晶太阳能电池 . 太阳能电池的发展趋势：改善太阳能电池的性能 ,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向 . 作为太阳能电池材料 ,其中 : (1) 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 ; (2) Ⅲ - Ⅴ族化合物及 CIS 等属于稀有元素 ,尽管转换效率很高 ,但从材料来源看 ,这类太阳能电池不可能占据主导地位 ; (3) 有机太阳能电池对光的吸收效率低 ,从而导致转换效率低 ; (4) 染料敏化纳米 TiO2 薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就 ,但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题 . 另外目前多沿用液态电解质 ,但液态电解质存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷 ,使得制备全固态太阳能电池成为一个必然方向 . 目前 ,大部分全固态太阳能电池光电转换率都不很理想 . 纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势挑战未来 ,我们相信 ,随着科技发展以及研究推进 ,这种太阳能电池应用前景广阔无限 [5]. 三、硅太阳能电池1.晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池的结构示意图：晶体硅太阳能电池的原理是： 当阳光从电池上层表面入射到电池内部时， 入射光子分别为各区的价带电子所吸收并激发到导带产生电子 -空穴对。在势垒区内建电场的作用下，将电子扫入 n 区，将空穴扫入 p 区， 各区产生的光生载流子在内建电场的作用下反方向越过势垒，形成光生电流，实现光产生电的转换 [4]。由于硅太阳能电池具有工艺成熟等优势 ,因而是目前的民用太阳能电池的主要使用材料 ,80 %以上的太阳能电池都由 c - Si 制成 ,几乎所有的峰值功率大于 1 kW 的都是硅太阳能电池 ,所用原料还都是硅片 . 商用组件的效率在 12 %～ 16 % ,有很好的稳定性和可靠性 ,户外连续操作几十年性能也不会退化 . 它的主要缺点是价格高 ,原因是 : 1) 目前的制造设备产量低 . 如产量能增大一个量级 ,价格可降低一半 ;2) 加工步骤复杂 ;3) 需要大量高纯硅原料 . 而原料问题限制了太阳能电池的降价 [3]。因此对晶体硅太阳能电池研究的主要目标是： 1)对现有的商用晶体硅电池及组件技术进行改进，以提高性能及降低成本； 2)不断对晶体硅材料进行深入的基础性了解，重点在控制杂质与缺陷的有害影响； 3)发展包括带硅及多晶硅在内的第二代晶体硅光伏技术，使其能有效增加产率，降低能耗，进一步降低成本 [4]。2． 非晶硅太阳能电池非晶硅是近代发展起来的一种新型非晶态半导体材料。同晶体硅相比， 它的最基本的特征是组成原子没有长程有序性， 只是在几个晶格常数范围内具有短程有序。 原子之间的键合十分类似晶体硅， 形成一种共价无规网络结构。 其另一特点是， 在非晶硅半导体中可以实现连续的物性控制 [4]。非晶硅太阳能电池的工作原理与晶体硅太阳能电池的相似，而非晶硅太阳能电池之所以受到人们关注和重视， 是因为它具有以下优点： 1、 非晶硅具有较高的光吸收系数。 特别是在 0.3-0.75μ m 的可见光波段， 它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。 因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高 40 倍左右， 用很薄的非晶硅膜 （约 1 μm 厚）就能吸收 90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素； 2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在 1.5-2.0eV 的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高； 3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产； 4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列， 可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。目前，非晶硅太阳能电池受到人们的极大重视。四、多元化合物薄膜太阳能电池由于硅太阳能电池具有成本高， 转化率低等问题， 所以人们在改进传统工艺的同时也努力寻找新的替代品。 于是人们又发现了一系列可以替代硅的多元化合物薄膜材料，新的替代品主要是砷化镓等Ⅲ —Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒等薄膜材料，其中碲化镉已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。CdTe是Ⅱ–Ⅵ族化合物，是直接带隙材料，带隙为 1.45eV。它的光谱响应与太阳光谱十分吻合，且电子亲和力高，为 4.28eV。具有闪锌矿结构的 CdTe，晶格常数 a=0.16477nm[4]。 CdTe|CdS薄膜太阳能电池参数的理论值为： 开路电压 1050mV； 短路电流 30.8mA/cm2；填充因子（ FF） 83.7 ；转化效率约 27%[4]。 薄膜的生长工艺主要有：丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等等。等。碲化镉半导体光伏材料理论转换效率为 30％。 CdTe 电池实验室效率 16． 4％，大规模生产的商业化电池平均效率 8％～ 10％ [6]。仅管碲化镉有上述许多优点，但是由于镉有剧毒 ,容易产生环境污染问题。因此 ,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。笔者认为，可以从两个方面来解决这个问题： 1,可以在碲化镉的表面覆盖一层无毒的物质如硫化锌或有机薄膜等， 并且加强碲化镉的回收； 2.寻找新的替代品，有和碲化镉差不多的性能却没有毒性的化合物。砷化镓等Ⅱ V 化台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 m— V 族化合物半导体材料，其能隙为 1． 4eV，正好为高吸收率太刚光的值．因此．是很理想的电池材料。 GaAs 等Ⅲ一 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 GaAs 薄膜电池受衬底位错、反应压力、Ⅲ一 V 比率、总流量等诸多参数的影响。除 GaAs 外．其它 I— 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。 曹次制备的 GaInP 电池转换效率为 14 7％． 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 3l 1％ [7]。五 、 有机物太阳能电池在寻找半导体太阳能电池材料是时， 人们发现了某些有机化合物也可以作为半导体材料并用于太阳能电池中。 有机物半导体以其制造面积大、廉价、易得、简易、柔性好、可卷曲折叠、密度小、可改进空间大等优点备受科学家们青睐， 从而导致它在近几十年来飞速的发展。对于有机太阳能电池材料可以分为五类， ： (1)有机小分子化合物； (2)有机大分子化台物； (3)D-A 二元体系； 4)模拟叶绿素分子结构材料； （ 5）有机无机杂化体系。与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率基本损失机制的主要有： (1)半导体表面和前电极的光反射； (2)禁带越宽，没有吸收的光传播越大； (3)由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散； (4)光电子和光空穴在光电池光照面和体内的复合； (5)有机染料的高电阻和低的载流子迁移率 [8] 。首先， 笔者认为可以借鉴无机材料的经验， 即改变电池表面的性能，以减少光的反射，这可以通过在表面添加涂层达到，同理，还可以通过提高共轭聚合物电导率来减小电阻，以优化太阳能电池的性能； 其次， 就是充分利用有机物的优势—合成类似但性能稍有不同的有机分子， 由于有机物有大量的异构且它们的物理性质往往不同， 这可以提供大量材料， 也可以对已有的有机物进行修饰， 以达到让有机物具有某种特地性能的目的。六、应用前景已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为 1376W/ 平方米，假设能量转化率已达到为 30%。城市每个三口之家每天的平均用电量为 3kw· h，平均太阳光照时间 4h，则只需不足 2 平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力。另一方面，家庭电路最大熔断电流一般在 20A 左右，最大瞬时功率 4400W。达到此瞬时功率只需 10 平方米左右的太阳能电池板即可。由此可见，太阳能电池的应用前景十分巨大。我们仅通过中国的例子来说明：目前，中国已成为全球主要的太阳能电池生产国。 2006 年全国太阳能电池的产量为 438MW ， 2007 年全国太阳能电池产量为 1188MW 。中国已经成超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。 2008 年的产量继续提高，达到了 200 万千瓦。 近 5年来，中国光伏电池产量年增长速度为 1-3 倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由 2002 年 1.07％增长到 2008 年的近 15％。 商业化晶体硅太阳能电池的效率也从 3 年前的 13％ -14％提高到16％ -17％。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中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。太阳能电池的前景如此光明， 但人们依旧有许多问题需要解决。虽然就目前情况来看，太阳能电池被用作主要能源不现实，但随着技术难题的破解，太阳能会被普及化的。[1] 王长贵 , 王斯成 . 太阳能光伏发电应用实例 [M]. 北京 : 化学工业出版社 , 2005.[2] 伍沛亮，王红林，陈砺 叠层太阳能电池研究进展和发展趋势 科技导报2009（ 3）[3] 李海雁，杨锡震 太阳能电池 大学物理 2003 （ 9）[4] 雷永泉，万群，石永康等 新能源材料 天津：天津大学出版社 2000 [5] 郭浩 , 丁丽 , 刘向阳 太阳能电池的研究现状及发展趋势 许昌学院学报2006（ 3）[6] 李丽 张责友 陈人杰 陈实 吴锋 太阳能电池及关键材料的研究进展 化丁新型材料 2008（ 11）[7] 粱棠存 洗祥 李娥洪 太阳能电池及材料研究 料料导报 2000（ 8）[8] 任斌 赖树明 陈卫 黄河 有机太阳能电池研究进展 材料导报 2006（ 9）