太阳能电池研究现状及发展趋势

编号： 1432130135 本科毕业论文太阳能电池研究现状及发展趋势院 系：姓 名：学 号：专 业：物 理 学年 级： 2010 级指导教师：职 称：完成日期： 2014 年 5 月 11 日I 摘 要能源是人类社会存在和发展的物质基础， 以煤炭、 石油等化石燃料为代表的能源极大地促进了世界各国的经济发展。 然而， 化石燃料的大量使用也带来了一系列的问题，如能源危机和环境污染，促使人类探寻新的、清洁、安全、可再生的能源——太阳能， 由此极大地促进了太阳能电池技术的飞速发展。 鉴于此， 在查阅大量文献的基础上， 首先综述太阳能电池的种类， 然后就其研究现状、 存在的问题、 解决的途径以及发展趋势等做了一些分析， 完善太阳能电池的相关研究。关键词： 太阳能电池；研究现状；发展趋势II Abstract Energy is the material basis for the existence and development of human society, To coal, oil and other fossil fuels for energy is greatly promoted the economic development of countries all over the world. However, Use of fossil fuels also brings a series of problems, such as energy crisis and environmental pollution, human in the search for a new, clean, safe, renewable energy, solar energy. Thus greatly promote the rapid development of the solar cell technology. In view of this, on the basis of consulting a large number of literature, firstly reviews the types of solar cells, and then the research situation and existing problems, solutions as well as development trend made some analysis and research to improve the solar cell. Key word: Solar cell； Research status； Development trend III 目 录1 绪论 1 1.1 研究背景和意义 1 1.2 国内外发展现状 2 1.3 主要方法和研究进展 4 1.4 主要研究内容 5 2 太阳能电池简介 6 2.1 太阳能电池的工作原理 6 2.2 太阳能电池的种类 6 3 太阳能电池现状分析 8 3.1 硅太阳能电池 8 3.1.1 单晶硅太阳能电池 8 3.1.2 多晶硅太阳能电池 9 3.2 薄膜太阳能电池 9 3.2.1 非晶硅薄膜太阳能电池 9 3.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池 12 3.3 新型太阳能电池 13 3.3.1 纳米晶太阳能电池 13 3.3.2 叠层太阳能电池 13 3.3.3 柔性电池 14 4 太阳能电池发展面临的问题及发展趋势 15 4.1 我国太阳能电池发展的主要问题及解决办法 15 4.2 太阳能电池发展趋势 17 5 结论与展望 19 参考文献 20 致 谢 211 1 绪论1.1 研究背景和意义诺贝尔奖获得者美国 Rice University 的 Smalley 教授曾经指出，在未来的 50年里， 人类面临着随之而来的 10大问题中， 能源问题排在首位。 目前人类使用的能源中，化石能源占 90%以上，而到 21世纪中叶，其比例将减少到人类使用能源的一半，达到其极值，之后核能和可再生能源将占主导地位。到 2100年时，可再生能源将占人类使用能源的 l/3以上 [1-2]， 如图 1-1示。在诸多可再生能源中，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上千倍，因此发展太阳能潜力巨大。自地球形成以来， 生物就主要以太阳提供的热和光生存， 人类利用太阳能这一取之不尽的清洁能源的想法由来已久 , 最早是将它直接转换为热能利用 , 后来光生伏特效应的发现使太阳能利用领域更加灵活、 广阔， 所谓太阳能电池是指由光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池除具有清洁、能量充足的特点外， 还可以直接设置在需要用电的地方发电。 目前， 太阳能电池的国际市场年增长率已达到 30%， 而在 2030年前， 还会以约 25%的速度持续增长，太阳能光伏装机容量将从目前的约 84GW 增长到 2030年的 300GW。中国的可再生能源中长期发展规划中， 提出 2020年可再生能源要占到 15%，其中太阳能电池发电容量达到 1.8GW。市场上的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，其中又以多晶硅太阳能电池为主流。图 1-1 世界能源结构预测（欧盟联合研究中心）2 众所周知， 能源消耗量越来越大， 传统能源越来越难以供应人类的发展， 而且由于传统能源不够清洁，带来了一系列环境问题，作为一切能源的最终来源，太阳能以其具有无污染、清洁安全、普遍、可再生、可持续性等特点越来越被人们所关注， 太阳能的利用显得意义重大。 太阳能的利用有被动式利用 （光热转换）和光电转换两种方式， 太阳能电池发电是一种新兴的可再生能源， 在能源消费中占有举足轻重的地位，据欧洲光伏工业协会 EPIA 预测，太阳能光伏发电在 21世纪会占据世界能源消费的重要席位 （图 1-1） ， 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 [3]。 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。现今， 太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分， 尤其是能源危机及传统能源对环境污染程度日趋严重 , 更加快了人类对太阳能探索的步伐，开发清洁环保能源成为人类面临的重大问题 , 研究太阳能电池因此也成为 21 世纪科学研究的重要领域之一，所以，研究太阳能电池具有重要的意义。表 1-1 为世界常规能源储备状况。表 1-1 世界常规能源储备状况剩余使用年限（自 2012 年开始计算）能源种类 世界 中国太阳能 无穷大 无穷大石油 约 45 年 约 15 年天然气 约 61 年 约 30 年煤 约 230 年 约 81 年铀 约 71 年 约 50 年1.2 国内外发展现状中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视， 早在七五期间， 非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题， 八五和九五期间， 中国把研究开发的重点放3 在大面积太阳能电池等方面。根据半导体设备暨材料协会 (SEMI) 的统计， 2011 年中国国内新增光伏装机容量 2.7GW，占到 2011 年全球新增光伏装机容量的 10%左右。水利水电规划总院的数据显示，截至到 2012 年底，中国光伏发电容量已经达到了 7982.68MW，超越美国占据第三，但是最重要的还是集中在西部地区。中国 19 个省共核准了484 个大型并网光伏发电项目，核准容量是 11543.9 MW；中国 15 个主要省已累计建成 233 个大型并网光伏发电项目， 总的建设容量为 4193.6MW， 2012 年兴建98 个。其中青海、宁夏、甘肃 3 省的建设容量和市场份额都占据了半壁江山。为了解决这种光伏发电集中的情况， 从 2012 年 12 月开始了分布式光伏发电示范项目的一个技术评审，到 2013 年 5 月，中国 26 个省市共上报了 140 个示范区，每一个示范区项目不是一个独立项目， 可能涵盖了若干个市、 县或者是镇， 它的总容量是 16529.6MW。根据 OFweek 行业研究中心的最新数据显示， 2013 年上半年中国新增光伏装机 2.8GW， 其中 1.3GW 为大型光伏电站。 截至 2013 年上半年， 中国光伏发电累计建设容量已经达到 10.77GW， 其中大型光 伏电站 5.49GW，分布式光伏发电系统 5.28GW。目前，国务院审议通过了《可再生能源中长期发展规划》 ，明确太阳能发电是可再生能源发展的重要组成部分， 当前和今后一段时间要加快开发利用。 按照国家规划，到 2020年将达到 1.8GW，到 2050年将达到 600GW（百万千瓦） 。按照中国电力科学院的预测， 到 2050年， 中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%。与此同时，中国已经形成了多家世界级的光伏产品生产企业，并分别在美国、香港上市。从已上市企业的市值看，世界十大光伏企业中，中国有保利协鑫、茂迪（台湾） 、天合光能、无锡尚德四家，分别位居第二、五、七、八。德国、 美国、 日本三个国家是主要的利用太阳能的国家， 集中了太阳能电池生产商，也是产品主要的需求国。西班牙则发展迅速。德国太阳能装机容量在2007 年达到 1328MW，占世界新增容量的 47%。是目前全球最大的太阳能发电市场，而西班牙是增长最快的市场之一， 2007 年新增太阳能光伏发电装机容量640MW ，同比增长 480%，成为全球新的第二大市场。美国市场新增 220 MW，同比增长 57%，只有日本在政府取消了一定的政策补贴后增速下降了 22%，综上，全球太阳能电池呈迅猛式的发展。图 1-2 为 2010-2015年全球太阳能电池产量、增长率统计和预测。4 图 1-2 2010-2015 年全球太阳能电池产量及增长率太阳能电池优缺点主要体现在成本、转化率、生产工艺、技术等方面，导致电池转换效率提高的原因主要来自于以下几个方面：(1) 材料质量的改善，显著的提高了光生载流子在电池体内的扩散长度和收集效率；(2) 电池表面绒面和减反射膜的形成有效地提高了太阳光在电池体内的吸收；(3) 铝背场 (BSF)的形成有效地减少了电池背面的表面复合速率；(4) 磷吸杂、铝吸杂和体内的氢钝化有效地提高了多晶硅材料的质量；(5) 二氧化硅和氮化硅对发射 (emitter)结的表面进行了有效的钝化，从而减少了电池前表面的复合速率；(6) 选择性扩散，即金属电极下的发射结浓度远远大于其余发射结的浓度，从而有效地抑制了电极区的复合速率，并提高了电池在短波处的光谱响应。1.3 主要方法和研究进展本课题的完成， 采用了文献研究法、 调查研究法、 比较研究法等相结合的研究方法。具体步骤：(1) 查阅资料，了解太阳能电池的种类和现实中主要利用哪些太阳能电池；(2) 对太阳能电池现状进行分析总结，包括其优缺点、市场情况、发展面临主要问题等内容；(3) 在指导老师的指导下，对发展趋势进行猜想、推理，完成论文。5 关于太阳能电池的研究进展，目前以商品化的晶体硅的光电转化效率最高 ,技术成熟， 但受材料纯度和制备工艺限制 , 成本高 , 很难再提高转化效率或降低成本， 其大规模普及及应用受到一定程度的限制， 并不是理想的发展对象， 但就目前而言，晶体硅太阳能电池仍占行业的主导地位，占市场份额的 90%。而薄膜太阳能电池只需几 μm 的厚度就能实现光电转换 , 是降低成本和提高光子循环的理想材料。 薄膜太阳能电池与晶体硅太阳电池相比具有以下优点： (1) 材料消耗少：薄膜太阳能电池只需使用极薄光电转换材料； (2) 制造能耗低：薄膜太阳能电池使用化学气相沉积、 物理化学气相沉积等多种技术， 与晶体硅太阳能电池高耗能的晶体拉制、切割工艺相比较，制造能耗大大降低； (3) 质量轻：薄膜太阳能电池结构质量轻、 转换效率高、 可根据用途使用软性基材制造， 易折叠携带、 应用空间弹性大。 当前， 薄膜太阳能电池的开发与应用已逐步走向商业化、产业化。本文综述了薄膜太阳能电池的研究现状 , 对薄膜太阳能电池的发展趋势进行了展望， 薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是提高效率和降低成本。1.4 主要研究内容(1) 综述太阳能电池的研究背景及研究进展；(2) 简要介绍太阳能电池原理及常见的几种太阳能电池；(3) 阐述太阳能电池的国内外发展现状，分析各类太阳能电池的优缺点、市场应用情况、发展面临的主要问题及可能的解决方案等内容；(4) 通过对太阳能电池相关资料和文献的学习与总结，预测太阳能电池的发展趋势。6 2 太阳能电池简介2.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池发电利用了太阳能电池的光生伏特效应， 是一种直接将太阳辐射( 直接辐射、散射辐射、反射、辐射等 ) 能转化成为电能的发电形式。所谓光生伏特效应就是当物体受光照时， 物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光线照射到太阳能电池表面由 P、 N 两种不同类型的半导体材料构成的 P— N 结时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，形成电子空穴对。在 P— N 结内建电厂的作用下，空穴由 n 区流向 p 区， 电子由 p 区流向 n 区， 如果从材料两侧引出电极， 并接上负载就会产生电压和电流， 对外部电路产生一定的输出功率， 此即硅太阳能电池发电的基本原理。而非晶硅太阳电池是在玻璃衬底上沉积透明导电膜， 然后依次用等离子体反应沉积 p 型、 i 型、 n 型三层非晶硅，接着再蒸镀金属电极铝光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为玻璃 / 透明导电膜 / pin/ 铝 [4]。2.2 太阳能电池的种类太阳能电池的种类（具体分类图 2-1） ：硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、 有机物太阳能电池、 纳米晶太阳能电池等。 硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，规模生产时的效率为 15%，在大规模应用和工业生产中占据主导地位， 但由于单晶硅成本价格高， 大幅度降低其成本很困难， 为了节省硅材料， 发展了非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较 ,成本低廉，其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换效率为 8%，且非晶硅薄膜太阳能电池重量轻，转换效率较高，便于大规模生产， 有极大的潜力。 但受制于其材料引发的光电效率衰退效应， 稳定性不高，直接影响了它的实际应用 [5]。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。薄膜太阳能电池又可分为非晶硅电池、微晶硅电池、化合物半导体 II-IV 族电池、色素敏化染料电池、有机导电高分子电池、铜铟硒化物电池等。它的模块7 是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层所构成的。 具有相同遮蔽面积下功率损失较小， 照度相同下损失的功率较晶体硅太阳能电池少等优点。图 2-1 太阳能电池分类单晶硅电池48.2% 晶体硅电池 90% 太阳能电池薄膜电池 10% 多晶硅电池51% 非晶硅电池46.1% 其他化合物电池 53.9% 8 3 太阳能电池现状分析3.1 硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池（图 3-1） 、多晶硅太阳能电池（图 3-2）和非晶硅太阳能电池（图 3-3）三种。图 3-1 单晶硅电池 图 3-2 多晶硅电池 图 3-3 非晶硅电池3.1.1 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转换效率为最高， 技术也最为成熟。 作为太阳能电池， 单晶硅有很多特点： 作为原料的硅材料在地壳中含量丰富， 对环境基本上没有影响；单晶硅制备以及 pn 结的制备都有成熟的集成电路工艺做保证；硅的密度低，材料轻。即使是 50um 以下厚度的薄片也有很好的强度；与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高 [6] ；电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证 20年以上的工作寿命。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为 24.7%， 规模生产时的效率为 15%。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难， 以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用， 单晶硅太阳能电池要想进一步发展普及，必须降低成本并提高转化效率。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装， 因此其坚固耐用， 使用寿命一般可达 15年， 最高可达 25年。 单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料 [7]。为了节省硅材料， 发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。9 表 3-1 主要太阳能电池对比技术路线实验室最高转换效率批量生产效率组件成本（美元 /W） 优缺点晶体硅太阳能电池单晶硅电池 24.70% 17% 2.29 硅耗大、成本高多晶硅电池 19.30% 14% 2.25 硅耗大、成本高薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池 12.80% 6%-7% 1.0-1.5 硅耗小、投资大、有衰减聚光太阳能电池 40.70% 30% 3 效率高、成本高3.1.2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多， 但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少， 实验室最高转换效率为 18%， 工业规模生产的转换效率为 10%。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些（如表3-1） ，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此将逐步取代单晶硅太阳能电池的市场 [8]。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。 多晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料， 而制造这些材料工艺复杂， 电耗很大， 在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。 针对目前多晶硅电池大规模生产的特点，提高转换效率的主要创新点有以下几个方面：(1) 高产出的各向同性表面腐蚀以形成绒面；(2) 简单、低成本的选择性扩散工艺；(3) 具有创新的、高产出的扩散和 PECVDSiN 淀积设备；(4) 降低硅片的厚度；(5) 背电极的电池结构和组件。3.2 薄膜太阳能电池3.2.1 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳电池在 20 世纪 70 年代世界能源危机时获得了迅速发展， 它在降低成本方面的巨大潜力， 引起了世界各国研究单位、 企业和政府的普遍重视。非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同， 工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，它的主要优点是在弱光条件也能发电，有极大的潜力 [9-10]。大力发10 展薄膜型太阳电池不失为当前最为明智的选择，薄膜电池的厚度一般大约为 0.5至数微米，不到晶体硅太阳电池的 1/100，大大降低了原材料的消耗，因而也降低了成本。其非晶硅太阳能电池的主要特点是：(1) 重量轻，比功率高在不锈钢衬底和聚脂薄膜衬底上制备的非晶硅薄膜太阳能电池电池，重量轻、柔软，具有很高的比功率。在不锈钢衬底上的比功率可达 1000W/kg，在聚脂膜上的比功率最高可达 2000W/kg。而晶体硅的比功率一般仅 40-100W/kg。由于衬底很薄，可以卷曲、裁剪，便于携带，这对于降低运输成本特别是对于空间应用十分有利。(2) 抗辐照性能好由于晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池在受到宇宙射线粒子辐照时， 少子寿命明显下降。如在 1Mev 电子辐射通量 1× 1016e/cm2时，其输出功率下降 60%，这对于空间应用来说是个严重问题。 而非晶硅薄膜太阳电池则表现出良好的抗辐射能力，因宇宙射线粒子的辐射不会 (或很小 )影响非晶硅太阳电池中载流子的迁移率， 但却能大大减少晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池中少子的扩散长度， 使电池的内量子效率下降。 在相同的粒子辐照通量下， 非晶硅薄膜太阳电池的抗辐射能力远大于单晶硅太阳电池的 50 倍，具有良好的稳定性 [10]。因此非晶硅薄膜太阳电池具有更高的抗辐照能力。(3) 耐高温单晶硅材料的能带宽度为 1.1eV，砷化镓的能带宽度为 1.35eV，而非晶硅材料的光学带隙大于 1.65eV，有相对较宽的带隙，所以非晶硅材料比单晶硅和砷化镓材料有更好的温度特性。 在同样的工作温度下， 非晶硅太阳电池的饱和电流远小于单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池， 而短路电流的温度系数却高于晶体硅电池的一倍，这十分有利在较高温下保持较高的开路电压和曲线因子。在盛夏，太阳电池表面温度达到 60-70 度是常有的，良好的温度特性十分重要。据报导在空间应用时，由于辐照和高温的原因，初始稳定效率为 9%的非晶硅太阳电池，其性能优于初始效率为 14%的单晶硅太阳电池 [9,11] 。非晶硅太阳电池经过 30 多年的发展 ,在技术上已取得很大进展， 主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜来替代非晶硅薄膜做窗口材料，以改善电池的短波方向光谱响应；采用梯度界面层， 以改善异质界面的输运特性； 采用微晶硅薄膜做 n 型层， 以减少电池的串联电阻；用绒面二氧化锡代替平面氧化铟锡；采用多层背反射电极，11 以减少光的反射和透射损失， 提高短路电流； 采用激光刻蚀技术， 实现电池的集成化加工；采用叠层的电池结构 ,以扩展电池的光谱响应范围，提高光电转换效率；采用分室连续沉积技术，以消除反应气体的交叉污染，提高电池的性能。上述技术的采用使非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率从 2%提高到 13.7%。随着非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率的提高， 其产业化进程也取得令人瞩目的进展。 由于非晶硅材料优越的短波响应特性， 使其在计算器、 手表等荧光灯下工作的微功耗电子产品中占据很大优势， 不仅在 80 年代的 10 年中取得了数十亿美元的利润， 而且至今仍具有很大的消费市场。 从计算器、 手表等弱光应用到各种消费品甚至功率方面的应用，如收音机、太阳帽、庭院灯、微波中继站、航空航海信号灯、 气象监测、 光伏水泵及小型独立电源等应用领域不断扩大， 产量迅速上升。世界上出现了若干 MW 级的生产线和许多非晶硅薄膜太阳电池的企业，目前，整个非晶硅薄膜太阳电池的年销售量增长很快，形成了非晶硅薄膜、多晶硅和单晶硅的三分天下的局面。尽管非晶硅薄膜太阳电池具有上述诸多优点， 然而在发展中也显现出一些明显的问题。 主要是电池的光电转换效率在强光作用下呈逐渐衰退的态势， 这一问题是阻碍非晶硅薄膜太阳电池进一步发展的主要障碍。 初期产品的光电转换效率本来就低 (仅 4-5%)，再加上 30%左右的衰退率，使非晶硅薄膜太阳电池的低成本的优势被较低的效率所抵消。这样就造成了非晶硅薄膜太阳电池的产量从 80年代末到 90 年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段。对此学术界一直围绕如何提高非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率稳定性的问题， 从材料、 器件结构等多个层面进行研究。特别针对光电转换效率在强光作用下衰退的机理进行了不懈的探索， 初步结论是本征非晶硅材料的 S-W 效应。 为了揭示 S-W 效应的起因 ,在理论上人们提出了各种微观模型：如 Si-Si 弱键模型；电荷转移模型；再杂化双位模型； Si-H 弱键模型以及桥键模型等。由于独特的技术优势，多晶硅薄膜电池具有广阔的应用前景：(1) 在光伏建筑一体化上的应用：采用薄膜太阳能电池作为玻璃幕墙可以在成本提高不多的前提下实现建筑物能源的自给自足，且整体性好，美观；(2) 大规模低成本发电站：薄膜电池因为其弱光效应好，每天工作时间可超过 8 个小时， 远高于晶硅电池每天约 4 个小时的工作时间， 这补足了其发光效率相对较低的不足；(3) 太阳能照明光源：由于薄膜硅太阳能电池的弱光响应好，这个优势使薄12 膜电池组件在太阳能交通灯和公共照明系统上的应用更具优势。而 LED 节能灯和非晶硅薄膜电池的匹配，更是开创了无源照明的新纪元。薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件， 太阳能的充分开发和有效利用为人类解决能源危机提供了一条途径， 也必将给人类带来巨大的社会和经济效益，市场调查公司美国 Nano Markets 发布的预测显示，薄膜太阳能电池全球市场规模 2015 年将达到 140 亿美元。然而在太阳能电池开发和制备过程中，面临的问题和挑战依然很多， 广大科研工作者尚需认真思考和解决以下几个方面的问题： (1) 降低太阳能电池的成本，使其应用更具有普遍性，而太阳能电池的薄膜化是降低成本的有效途径； (2) 拓宽其光敏响应频率范围，尤其是对可见光的利用，提高薄膜太阳能电池的转换效率 [12]； (3) 研究新型材，提高薄膜太阳能电池的稳定性，减小材料本身对人类和环境的危害。3.2.2 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。 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， 在广泛深入的应用研究基础上， 国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。现今，美国高尔登光学公司碲化镉薄膜电池的生产能力为 2MW ，日本的碲化镉电池产量为 2.0MW ，此外，德国一家公司将建成一家年产 10MW 的碲化镉薄膜太阳电池组件生产厂， 预计其生产成本将会低于 $1.4/W。 该组件不但性能优良， 而且生产工艺先进， 使得该光伏组件具有完美的外型， 能在建筑物上使用，既拓宽了应用面，又可取代某些建筑材料而使电池成本进一步降低 。 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 [13]。砷化镓 III-V 化合物电池的转换效率可达 28%，砷化镓化合物材料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。但是砷化镓材料的价格不菲 ,因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题 [13]，转换效率和多晶硅一样。 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13 稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。3.3 新型太阳能电池3.3.1 纳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 5年以上。纳米太阳能电池的研究也已成为光电化学领域研究的热点， 在这一领域经过大量的研究， 取得喜人的成就， 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。 此外， 纳米晶太阳能电池仍存在一些问题， 如染料敏化剂的制备成本较高， 还有一个重要问题就是目前仍旧沿用液态电解质，由于电解液泄漏，电极腐蚀，电池寿命短等缺陷，使得以固态空穴传输材料代替液态电解质制备全固态纳米太阳能电池成为一个必然方向。目前，虽然已有大量的研究制备出全固态电池，并取得了一定的成绩，但由于大部分光电转换率不很理想仍需进一步深入研究。3.3.2 叠层太阳能电池叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。 太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。 经过叠层， 太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收； 同时由于器件之间的耦合效应， 整体的光能转换效率可以达到更高水平。例如，单个 III ／ V 族化合物薄膜电池光电转换效率在 10%一 20%之间，经过叠层，能量转换效率亦可达到 30%以上。在新概念电池方面， 8.18%的染料敏化太阳能电池经过与 13.9%的 CIGS 电池叠层，整体效率可达到 15.09%。叠层太阳能电池的设计难题在于要寻找两种品格匹配良好的半导体晶体， 其禁带宽度将引起高效率的能量转换。 此外． 在理想的情况下， 电池导带的最上层应该有与底层价带大约相同的能量， 这使得顶端半导体的电子被太阳光激发后能够很容易的从导带进入底部半导体晶格的孔。 电子在价带上又被不同波长的太阳光激发。 这样一来， 两部分的电池一起工作， 像两个串连的蓄电池， 并且总功率与两个电池的功率总和相等。 否则， 当电子流过时就会因为由此产生的电阻造成功率损耗。 另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。14 3.3.3 柔性电池柔性太阳能电池板采用高晶硅材料制成， 并用高强度、 透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、 耐紫外线辐射的专用密封材料层压制而成， 有能抗冰雪、抗震、防压等多种优点，即使在温度剧变的恶劣条件下也能正常使用， 。所以柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域， 例如太阳能汽车、 飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。从制备工艺上看， 由于该种电池有望采用成卷生产技术， 便于大面积连续生产， 降低成本的潜力很大。另外，柔性电池可以进行卷曲折叠，从而方便携带。柔性电池通常采用柔韧的聚合物半导体作为感光组元组装器件， 或者在其他新概念电池中采用导电的柔性有机基板电极。 目前几乎各种类型的光伏器件都在不同程度上实现了柔性化，如聚合物有机半导体太阳能电池、无机半导体太阳能电池、非晶硅、染料敏化太阳能电池等。15 4 太阳能电池发展面临的问题及发展趋势4.1 我国太阳能电池发展的主要问题及解决办法由于国外市场特别是德国市场需求的刺激。我国太阳能电池厂家发展迅速，估计今年全国数十家企业新上的或扩产的太阳能电池生产线的产能目标将超过600MW ，而实际产量也将达到 300MW 以上。但在“形势一片大好”的背后存在着不少潜在的问题。(1) 硅原材料太阳能电池用硅原材料缺乏已成为国际性的一大问题， 对我国的影响尤为严重，国际上长期供货合同的均价以上涨了 25%，而在我国，由于畸形发展，上涨的幅度远不止 25%，一般向国外生产厂家直接订货合同价格为 40-60美元 /kg；同通过中间商的硅材料价格 2005年一路飙升，一年之间已从 25美元 /kg 上升到超过200美元 /kg，最近已达 220美元 /kg。以目前国际市场太阳能电池销售价 4.0-4.2美元 /W 计算 [14]，如此昂贵的硅材料价格已使太阳能电池生产厂无利润可言，更为严重的是现在已有一些新上电池生产线、 即使高价也买不到货， 处于半停产状态，尽管洛阳中硅、 四川峨眉等公司计划扩产， 特别是洛阳中硅已决定新建年产 1000吨多晶硅的生产线项目， 但上这样的大项目风险不小， 不仅投资很大， 而且从年产 300吨试验生产线扩展到年产 1000吨生产线，技术上将会遇到不少问题。由于太阳能电池用多晶硅材料用量猛增，已带动了整个电子信息产业的硅材料上涨，影响到其他硅电子元器件的材料成本。有资料表明， 目前我国对多晶硅的需求量为 3800吨， 其中光伏产业需求 2691吨， 而我国多晶硅的产量只有 60吨， 即使全部供应光伏产业， 也仅占市场需求的2.6%。 我国硅原材料非常丰富， 是石英砂矿 （制备晶体硅的原材料） 的出产大国，在海南岛等地拥有大量的矿产资源，在世界硅产量中我国就占了 1/3，这是我国大力发展太阳能电池的有利资源条件。 但是我国的提纯技术较为落后， 提纯成本很高，价格贵。我认为，我们一定要重视多晶硅规模生产技术的自主研发，努力增大科技投入的， 不能依赖于从国外买进技术， 必须要靠科研人员和企业的自主研发创新，扭转现在的被动局面，为将来的发展作好技术储备。(2) 市场目前我国的太阳能电池产品主要是外销， 太阳能电池和组件有 95%以上销往16 国外，国内市场份额很小，太阳能电池成了典型的两端在外的行业：技术、原材料在外，销售和市场在外，而加工制造在内，这导致高额利润由国外厂商赚，国内花费大量劳力、能源、资源、仅取得低额利润。值得注意的是，现在我国能源紧缺， 消耗紧缺的能源制取可再生的能源产品， 源源不断地输送到国外获得微薄收益，不符合国家的根本利益。最近几年国内太阳能电池市场一直处于停滞不前的状态， 在国外， 发展太阳能光电产业主要是依靠大量安装屋顶并网系统， 早在两年前已占全世界太阳能电池总用量的 60%以上，现在估计已超过 70%，而我国只有深圳、上海和北京有些图 4-1 中国太阳能电池产量及增长率零星的并网屋顶系统， 如果没有大中型城市和东南沿海经济发达地区大量推广屋顶并网系统， 即使实施西部地区村通电工程也难以使我国的太阳能电池市场获得持久快速发展。如果国内市场没有发展起来， 一旦国外市场受阻， 而众多的太阳能电池生产厂商将面临十分困难的局面。 因此， 太阳能电池要想获得长足的发展， 必须要打开国内市场，这还依赖于政府的扶持。(3) 技术进步近年来我国太阳能电池产业发展很快， 但技术进步并不显著， 主流的晶体硅太阳能电池的技术进步几乎全依赖于先进的进口设备， 很少有属自主创新的核心技术；除少数企业外，产品总体质量不如日、欧、美等发达国家。在目前的科技体制下， 科研院所要想开展具有原创性的太阳能电池研究有很多困难， 因此， 包括生产设备制造在内的总体技术水平始终与发达国家有一定的差距。我认为要解决技术进步的问题， 关键是需要有一大批拔尖的技术人才， 而我国现有的情况是： 大学比较注重一些新型太阳能电池的研究， 缺乏对常规太阳能电池生产工艺的研发， 而一些有关科技院所已改制或面临改制， 无力投入大量资17 金建立太阳能电池生产线进行工艺技术的研究与开发。由于光伏产业发展较快，能适应生产第一线的技术人员奇缺， 一些企业往往通过猎头公司相互挖人， 这也对行业的发展带来了不利影响。 要想促进太阳能电池的长足发展， 这些问题必须解决。(4) 国家和各级政府的扶植政策太阳能发电虽然有诸多优点， 毕竟太阳能电池制造成本较高， 发电成本远高于不计环保成本的燃煤火力发电成本； 经核算高于每点成本少则六倍， 多则十倍。在现今市场经济为主体的社会条件下， 政府必须有相应的扶植政策。 日本、 美国、欧盟都有发展光伏产业的扶持政策， 就连印度这样的第三世界国家也有自己的扶持政策。 最典型的是德国， 由于政策落实， 加上公众认同， 近两年发展极快， 2005年安装量达 837MW，占世界总安装量的 57%，我国去年 2月 28日全国人大通过了《可再生能源法》 ，今年四月国家发改委又出台了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》 [13]，具体落实施行还会遇到诸多困难，需要电力部门和各级地方政府给予大力支持。(5) 其他公众的认识和支持也是推广太阳能发电技术的一个重要问题， 目前我国对这的科普宣传做得很不够， 示范工程也很少， 与集中供电的火力发电相比， 对独立光伏系统需要增加蓄电池等贮能设备， 对并网发电系统还要增加并网逆变器等辅助设备，使用较复杂，因此没有公众的支持也是难以发展的。另外， 国外大多数住宅多为单层或双层建筑， 而目前我国大中城市则多为高层或多层建筑， 这度实施太阳能建筑一体化， 安装太阳能光伏屋顶系统向用户供电，也将带来了一定的困难。4.2 太阳能电池发展趋势当今， 世界各国普遍重视和发展太阳电池， 这是一项重要的发展战略。 随着新型太阳能电池的涌现， 以及传统硅电池的不断革新， 新概念的太阳能电池已经显现， 从某种意义上讲， 预示着太阳能电池技术的发展趋势。 基于上述太阳能电池的发展背景和现状分析， 目