太阳能电池技术应用与发展

太阳能电池技术应用与发展摘 要 : 本文介绍了太阳能电池的原理、特点、种类及其发展现状，并预计了未来太阳能电池的发展及应用趋势。关键词 : 太阳能电池 光伏效应 薄膜电池The Application and Development of Solar Cells Abstract: In this paper, the principle, characteristics, sorts and present research of solar cells are reviewed. Some important expectations for solar cells development and its future application trends are given. Key words: solar cells; photovoltaic effect; thin film cells 一、引言太阳能电池， 是一种能有效地吸收太阳辐射能， 并使之转变成电能的半导体器件， 由于他们利用各种势垒的光生伏特效应， 所以也称为光伏电池， 其核心是可释放电子的半导体。 最常用的半导体材料是硅。 地壳硅储量丰富， 可以说是取之不尽、用之不竭。当太阳光照射到半导体表面， 半导体内部 N区和 P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度 Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带， 由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。 这些被光激发的电子和空穴， 或自由碰撞， 或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到 P— N 结区，通过 P— N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域， 对外形成与 P— N 结势垒电场方向相反的光生电场。 一旦接通外电路， 即可有电能输出。 当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起， 构成光伏电池组件， 便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。 不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大， 而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。 可见， 只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料， 才能更有效地利用太阳光谱。 由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高， 故最好是直接迁移型半导体 [1～ 3]。二、 太阳能电池技术优势（ 1）燃料免费；（ 2）没有磨损、毁坏或需替换的活动部件；（ 3）保持系统运转仅需很少的维护；（ 4）系统为组件，可以在任何地方快速地安装；（ 5）无噪声、无有害排放和污染气体。三、太阳能电池发展的意义（ 1) 保护气候；（ 2) 改善环境；（ 3) 节省空间；（ 4) 增加就业；（ 5) 为农村提供电力；（ 6) 大力推进普及电力服务，为无电人口提供电力；（ 7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给。四、 太阳能电池的发展历程第一代：晶硅电池；第二代：薄膜电池；第三代；聚光太阳能系统（ CPV )。五、各类太阳能电池简介1、晶硅电池晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池， 其中单晶硅太阳能电池转换效率最高， 技术也最为成熟。 自 1954 年贝尔实验室发表了具备 6％光电效率的电池后， 随着集成电路的发展， 借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，单晶硅太阳电池发展很快，一直是市场的主角。在电池制作中，一般都要采用表面织构化、 发射区钝化、 分区掺杂等技术， 目前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， 提高转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 19%左右，最高的达到 24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术也最为成熟但制作成本很大， 以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。 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。多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低， 是世界各国竞相开发的重点， 它的研究热点包括： 开发太阳级多晶硅生产技术、 开发快速掺杂和表面处理技术、 提高硅片质量、 研究连续和快速的布线工艺、 多晶硅电池表面织构化技术和薄片化、高效化电池工艺技术等，以进一步降低成本。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， 其光电转换效率约 17％左右。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低， 因此得到大量发展。 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。2、薄膜电池目前，进入到规模产业化阶段的第二代电池按吸收层材料可分为以下几大类：非晶、微晶硅 (锗 )、碲化镉 (CdTe)以及铜铟镓硒 (CIGS)。其中，铜铟镓硒电池的效率最高，达到 20%，但其规模化的生产工艺还在逐渐成熟，而且铟元素的地壳储量很低，长期材料供应可能会有问题。碲化镉电池当前的最高效率是16.7%，相比较而言，碲化镉电池在效率、生产工艺的成本与稳定性、原材料供应等各方面综合性能较均衡， 因此其产销量在最近几年增长很快， 也是第一个做到生产成本低于 1 美元 /Wp 的太阳电池技术。2.1 碲化镉 (CdTe)薄膜太阳电池碲化镉是 II-VI 族化合物半导体材料，属于直接禁带类型，禁带宽度约为1.5eV。 这一宽度与地面标准太阳能谱 (AM1.5) 的峰值位置相吻合。 理论计算也表明，单结太阳电池要想获得最佳的能量转换效率，其吸收层的禁带宽度应接近1.5eV[4]。由于碲化镉是直接禁带半导体，其光学吸收系数在 1.5eV 以上很快达到 104～ 105cm-1 数量级。这些综合特性使得碲化镉成为薄膜太阳电池吸收层的理想候选材料。在碲化镉光伏器件中，碲化镉层一般显示 p型导电性，与显示 n型导电性的硫化镉 (CdS)组成 p-n结。这两种材料都无需在沉积过程中外加掺杂，其导电性主要由内缺陷和后期氯化镉 (CdCl2)处理过程引入的杂质产生。碲化镉虽然有多种晶格结构， 但在薄膜光伏器件中一般是闪锌矿 (zinc-blende)型立方晶格结构，晶格常数约为 0.648nm。因此碲化镉的能带结构与典型的闪锌矿型半导体 (如砷化镓 )有许多相通之处，如直接禁带都位于布里渊区里的 k?=0点。理论计算得出的碲化镉能带结构可参见文献。硫化镉也具有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是六方结构。材料光学性质包括折射率 n和消光系数 k，也可以用复介电常数 e=e1+ie2等效表征：e1=n2-k2 (1) e2=2nk (2) 图 1给出了宽光谱范围内 (0.75～ 6.5eV)几种典型碲化镉和硫化镉材料的复介电常数曲线， 溅射生长条件参考文献。 需要注意的是： 碲化镉薄膜电池中的多晶半导体材料晶粒尺寸在纳米到微米量级。 在这个范围内， 材料光学性质受晶粒尺寸、内应力和空隙度等其他物理特性的影响而变化相当显著。这就是图 1a和 1b中两条曲线都对应同一化学物质却具有不同光学特性的原因。 这和晶粒尺寸或原子排列有序距离的两个极端，即单晶 (有序距离无穷大 )和非晶 (有序距离为零 )的情况截然不同。 这两种极端材料没有晶粒的概念， 光学性质较单一， 不像多晶材料那样复介电常数曲线随生长条件不同而变化明显。 多晶薄膜的这一特性既给光学检测带来了难度，又为通过光学手段了解薄膜的物理性质带来了机遇。固体材料的光学性质与其微观晶格和能带结构有着密不可分的关系。 对某一给定材 料，其 复介 电 常数的 实部 e 1 和虚 部 e 2 不完 全独 立， 它们通过Kramers-Kronig关系 (K-K 关系 )而联系在一起。从视觉上看， e2 中的每一个峰都对应 e1中幅度相当、位于光子能量稍低位置的一个峰。图 1中的曲线都满足这一关系。 e 曲线中的峰在物理光学中称作“临界点”，它们对应于能带结构中价带顶与导带底局部平行 (即斜率相同 )的波矢 k?点。在这些点附近，联合态密度会出现范霍夫奇点， 电子跃迁所需的能量几乎相同， 因此这一能量对应的光子会被强烈吸收，于是 e曲线在这一光子能量上就会出现一个峰。在图 1 的光谱范围内，碲化镉有 4 个较强的临界点，而硫化镉有 3个较强的临界点。其中，它们的 E0都对应能带结构中的 G点 (k?=0)；碲化镉的 E 1 和 E 1+ ? 是一对由轨道－自旋相互作用分裂开来的临界点， 对应的 k?都位于 方向， 在 G和 L 点之间 [7] ； E2 临界点较复杂。碲化镉薄膜的生长条件除了氩气压强在 2.5～ 50mTorr 范围内变化外， 其他沉积条件都保持一样。 从图中可以看到： (1) 所有薄膜在沉积初期 (体层 1～ 2nm 厚 )都有相对较厚的表面粗糙层。 这时沉积下来的碲化镉容易聚成 “岛” 状而不是平铺成层状，“岛”的高度随氩气压强增加而单调增加； (2) 体层厚度 2～ 10nm之间， 上述分离的岛状沉积体扩大后相互接触， 底部变成了连贯的体层， 因此表面粗糙层厚度降低； (3) 体层厚度 10nm 以上，表面粗糙层的厚度再次增加，而且增加的速率随氩气压强而明显不同。在 2.5～ 14mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调增加 (差别达 10倍左右 )，而在 14～ 50mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调减少。 有趣的是， 用这套沉积系统制作高效碲化镉电池的最佳氩气压强正是在表面粗糙层厚度发生变化的交界压强 14mTorr 附近 (10～ 18mTorr)。 这其中内在的联系目前还不太清楚。 图 4 中体层厚度 50nm 左右曲线的不连续性， 是由于试验中在这个厚度沉积曾暂停下来， 以便精确测量薄膜光学性质随温度的变化。 在这个过程中一部分碲化镉升华。 从这个不连续性也可以看出原位椭偏学的高灵敏度。除了对薄膜厚度的观测以外， 原位椭偏学还能充分发挥其对材料表面光学性质的高度敏感而跟踪薄膜表面层的化学成分。 例如， 在碲化镉电池中， 硫化镉层的厚度远小于碲化镉层，它们的界面正是 p-n结的位置所在，其性质对整个器件的成败至关重要。原位实时椭偏学的观测表明，在图 2对应的生长条件下，如果在硫化镉层上生长碲化镉 (衬底朝上型电池，参见图 2的上半部分），则硫原子会扩散到碲化镉层，形成 CdTe1-xSx。其中 x 在碲化镉层生长了 10nm 后仍然达到2% 左右；如果生长顺序相反，即在碲化镉层上生长硫化镉 (衬底朝下型电池，参见图的下半部分 )，碲原子也会扩散到硫化镉层，但其原子比例在硫化镉层达到生长了 8nm左右就接近零。 由此可见硫原子在碲化镉中的扩散性能要好于碲原子在硫化镉中的扩散性能。图 2 碲化镉 (下 )及硫化镉 (上 )的临界点宽度随平均散射源距离的分布碲化镉薄膜太阳电池是第二代光伏器件中很有前景的一项技术。 理论计算和实验经验都表明，把单结碲化镉电池的能量转换效率提高到 20% 左右是完全有可能的 [3,4]。当然，这需要对材料的物理、化学性质和薄膜的生长过程进行更加深入细致的研究。 以椭偏学为代表的光学检测手段为这种研究提供了一种独特而有力的工具。2.2 CIGS薄膜太阳电池CIGS 是一种半导体材料， 是在通常所称的铜铟硒 (CIS)材料中添加一定量的Ⅲ A族 Ga元素替代相应的 In元素而形成的四元化合物。 鉴于添加 Ga元素后能适度调宽材料的带隙， 使电池的开路电压得到提高， 因此， 近年来 CIGS 反而比 CIS 更受关注。为此，本文中描述的 CIGS 和 CIS 将具有同等意义。单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不可撼动的地位， 作为硅太阳电池， 只是它诸多的重要应用之一。 与硅系太阳电池在材料性质上有所不同的是： CIGS 属于化合物半导体范畴。固体物理学的单晶硅金刚石型晶体结构和 CIGS黄铜矿在化合物半导体系列太阳电池家族中，某些成员也有不凡表现，如砷化镓 (GaAs)太阳电池，其最高的光电转换效率使其他类型的太阳电池难以望其项背。 然而， 其高昂的制备成本使其只能应用于高层次的不计工本的特殊场合， 如太空、 军事领域。 在各领风骚的太阳电池阵容中， CIGS 太阳电池以其特性方面的闪光点脱颖而出。CIGS 薄膜太阳电池的性能特点：（ 1）多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料用来制备 CIGS太阳电池的材料是多晶态。 一般多晶材料的制备难度和成本都低于单晶材料， 这一点对产业化和民用化具有重要意义。 理论和试验结果都证实，制备 CIGS 电池器件工艺中，对成分配比的离散相对有较大的宽容度，对材料纯度和制备温度的要求也低于常规晶态的半导体工艺。 这为工业化制备的良品率和制备成本的优化提供了较大的空间。（ 2 ）相对较高的光利用特质用半导体专业语言来讲， CIGS 是一种直接带隙材料，对可见光的吸收系数高达 105(cm-1)，优于其他电池材料。对比图 2中的各种薄膜电池材料吸收系数的曲线，可知 CIGS 材料的吸收系数最高。 CIGS 薄膜电池的吸收层仅需 1～ 2mm 厚，就可将阳光全部吸收利用。因此， CIGS 最适合做薄膜太阳电池，其电池厚度薄且材料用量少，大大降低了对原材料的消耗，减轻了 In 等稀有元素的资源压力。几种电池材料吸收系数曲线（ 3 ）光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首目前太阳电池家族中，尚存在几种不同材料类型的薄膜电池。如硅基薄膜电池、 碲化镉薄膜电池等。 但值得提出的是， 在所有类型的薄膜太阳电池中， CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率在理论上和实际上都是最高的， 迄今实验室最高效率已超过 20%，仍没封顶。（ 4 ）电池发电稳定性好电池的稳定性是描述电池使用价值的另一个非常重要的指标， 尤其对电站来讲， 是首要指标， 同时也直接影响到电池的能量回收水平及使用寿命的长短。 有试验证明， CIGS 薄膜电池组件在户外条件下使用，历时三年之久，性能没有衰减，并非每种太阳电池都能有这种出色的表现。CIGS 薄膜电池效率户外使用稳定性试验统计（ 5 ）弱光发电性能好弱光发电性能不容忽视。太阳的光强有四季、早晚、阴晴的变化。因此，我们不仅要重视太阳电池在强光下的峰值发电能力， 更要关注一天或一年时段中的累计发电量， 即追究太阳电池的弱光发电能力。 正是在这一指标上， 与不同类型太阳电池相比， CIGS 太阳电池有着突出的表现。在晨昏时节、阴天冬季，仍具有相当的发电能力。（ 6 ）抗辐照能力强CIGS 材料的 Cu 迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力，这就保证了 CIGS 太阳电池在强辐射下的良好反应。如同摆擂台一样，将几种太阳电池置于 1MeV 电子辐照下，结果显示，大多数电池输出功率明显衰退时， CIS(CIS在此可代表 CIGS)电池却无任何衰减。 在领取用作空间电源的通行证的竞争中， CIGS 太阳电池顺利过关。各类太阳电池抗辐照比（ 7 ）外观漂亮CIGS薄膜太阳电池组件因其黑亮沉穆的色泽备受赞叹 (因其极高的吸收系数 )。无论作为屋顶或幕墙， CIGS 薄膜电池无疑是功能建筑一体化的最佳选择，作为发电功能与装饰效果的完美组合， CIGS 独具风格。（ 8 ）带隙可依性能要求调节带隙可依性能要求调节， 这为高性能的叠层电池奠定了基础。 CIGS材料晶型为黄铜矿结构。通过调节材料的成分及其配比， CIGS 有多种结构。例如不掺 Ga 的 CIS 三元化合物材料做成的太阳电池， 其材料的半导体禁带宽度是 1.04eV； 如用适量的 Ga 取代 In，成为四元化合物 (CIGS)，其禁带宽度可在 1.04～ 1.67eV范围内连续调整。 优点： 可根据与太阳光谱匹配的要求来调整最佳带隙 (1.5eV)； 容许材料成分配比有一定的偏差和漂移， 而不丧失器件的光伏性能。 尤其在产业化工程中，可提高工艺条件的宽容度和良品率的保证。（ 9 ）可做柔性电池CIGS 材料的光吸收系数最高，吸收层可做得很薄。实际上 CIGS薄膜电池各层叠加起的总厚度 <4mm，具有充分的柔软性。沉积在金属箔或高分子塑料薄膜上，就成为可折叠、弯曲的柔性电池。柔性电池用途更加广泛与方便，可用于帐篷、屋顶、探测气球及各种异型表面，尤其适合便携和随机使用。在同样的发电能力下， CIGS 薄膜电池重量最轻。 CIGS 薄膜太阳电池具有上述优势，足可以骄人的姿态跻身于太阳电池的强手之林。 自其现身来， 就受到各国科研机构的重视，甚至是工业界。如受日本专司汽车制造的丰田公司的青睐。虽然 CIGS 薄膜太阳电池产业化较晚，大面积能力尚在开发。2.3 硅基薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池是除 CdTe和 CIGS之外，产业化发展得最早、产量占薄膜电池份额最高的薄膜电池门类。图 1为世界电池产量逐年增长的情况。从下图可知， 薄膜电池在各类电池中的份额虽然不高， 但增长速率明显， 其中硅基薄膜电池在薄膜电池中的份额最高，到 2010年硅基薄膜电池已超过 1GW，达到 1159MW。究其原因， 除具有薄膜电池共有的特征外， 更为重要的是硅材料资源丰富， 是地壳表层内固态元素中丰度最高的元素， 作为未来能源所需原材料的来源将不受限制；其次，硅基薄膜并非全新的材料，在现有对晶体硅电池认识的基础上，由于属同类材料， 有很多源于晶体硅电池较为成熟的概念、 工艺可以借鉴， 有利于硅基薄膜电池技术的迅速提升； 此外， 更为重要的是硅的无毒性， 使其电池成品无需任何防护即可直接使用，具有安全性。3、聚光太阳能系统（ CPV ) 第三代 CPV 发电方式正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效的 CPV 系统发电。 与前两代电池相比， CPV 采用多结的 III-V 族化合物电池， 具有大光谱吸收、高转换效率等优点； 而且所需的电池面积不大， 以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。CPV 系统具有转换率优势和耐高温性能。硅电池的理论转换效率大概为23%，单结的砷化镓电池理论转换效率可达 27%，多结的 III-V 族电池对光谱进行了更全面的吸收，其理论转换率可超过 50%。即使考虑到聚光和追踪所产生的误差损失，目前的 CPV 系统转换效率可达 25%，高于目前市售晶硅电池 17%左右的转换效率。此外， GaAs 系电池的高温衰减性能强于硅系电池，更适合应用于日照强烈的荒漠地区。CPV 将长期与晶硅、薄膜电池共存。 CPV 由于系统的复杂性，较适用于大型的光伏发电电站， 可采用统一的追日控制方式和冷却系统。 而晶硅和薄膜电池更适用于较小型的家用和商用发电系统，长期来看， CPV 并不会完全取代晶硅和薄膜电池的市场，正如薄膜电池不会完全取代晶硅电池。参考文献[1] 薛俊明 , 麦耀华 , 赵 颖 , 张德坤 ,韩建超 , 侯国付 , 朱 锋 , 张晓丹 , 耿新华 薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究 . 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