太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用材料研 1203 Z1205020 石南起新材料 （或称先进材料） 是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。 新材料是指新近发展的或正在研发的、 性能超群的一些材料， 具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。随着科学技术发展， 人们在传统材料的基础上， 根据现代科技的研究成果， 开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。 21 世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。 新材料的研究， 是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料是新材料领域的核心， 是国民经济、 社会发展及国防建设的基础和先导。 它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。 功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。功能材料种类繁多， 用途广泛， 正在形成一个规模宏大的高技术产业群， 有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。 世界各国均十分重视功能材料的研发与应用， 它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点， 也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 在全球新材料研究领域中， 功能材料约占 85 % 。 我国高技术 (863) 计划、 国家重大基础研究 [973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域 70%比例），并取得了大量研究成果。1、能源材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点， IBM 公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达 40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有 50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃， 关键是电池材料， 如固体电解质薄膜和电池阴极材料， 还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是研究的热点。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。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。2、太阳能电池的发展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。3、太阳能电池研究现状太阳能是很好的 “ 绿色能源 ” ， 不产生任何的环境污染又是可再生能源。 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。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有： 1、半导体材料的禁带不能太宽； 2、要有较高的光电转换效率： 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。中国光伏发电产业于 20 世纪 70年代起步， 90 年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过 30 多年的努力， 已迎来了快速发展的新阶段。 在 “ 光明工程 ” 先导项目和 “ 送电到乡 ” 工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到 2007 年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到 10 万千瓦， 从事太阳能电池生产的企业达到 50 余家， 太阳能电池生产能力达到 290 万千瓦， 太阳能电池年产量达到 1188MW ， 超过日本和欧洲， 并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链， 特别是多晶硅材料生产取得了重大进展， 突破了年产千吨大关， 冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约， 为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。虽然近年来我国太阳能电池相关的技术研发取得了突破，但是， 与国外相比可能还存在一些差距， 主要表现在技术水平、产业和市场发展等方面。比如， 几种典型太阳电池的实验室最好效率都比国外要低， 我国单晶硅、 多晶硅的实验室效率分别为 19.8%、 16.5%，而国外的分别为 24.8%和 19.8%。4、太阳能电池材料分析多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶硅。目前太阳能电池使用的多晶硅材料， 多半是含有大量单晶颗粒的集合体， 或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇浇铸而成。 其工艺过程是选择电阻率为 100~300 欧姆 .cm 的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用 1： 5 的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加入适量硼硅，放入浇铸炉，在真空状态中热化。熔化后的英保温约 20min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，既得多晶硅锭。 这种硅锭可铸成立方体， 以便切片加工成方形太阳能电池片， 可提高材制利用率和方便组装。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 FZ Si 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。5、结论以上就与太阳能电池材料的发展状况进行了概述。总的来看，太阳能利用的水平 ,最终取决于太阳能材料的发展水平。 新材料、 新工艺的出现， 可进一步提高人类利用太阳能的水平，也可以为未来的能源危机做好准备。