太阳能电池的研究进展

太阳能电池研究进展文献综述王娟（乐山师范学院物理与电子信息工程学院乐山614000）摘要：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。并环境污染问题也成了全球十分关注的问题，以往的发电过程都会造成很大的污染，而太阳能电池是利用光电效应直接把光能转化为电能，属于清洁能源。太阳能电池发原料为太阳光照，不仅分布广，更重要的是它源源不断，永远不会枯竭。本文就太阳能电池的研究进展，发展，分类，对未来的展望做一个综述关键字：太阳能；发展过程；太阳能电池分类；新型太阳能电池，研究，前景1引言当电力、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。晶体硅太阳能电池由于其转换效率高、工作稳定性、寿命长、技术发展成熟等优异特性，2012年晶体硅电池已占全球光伏市场约90%的份额。而原材料成本过高一直是制约晶体硅太阳能电池行业大规模运用的一个瓶颈。随着多晶硅产能的扩张和释放，近几年，晶体硅太阳能电池主要原料——多晶硅料的价格有下降的趋势，预期未来多晶硅料价格还将继续下降，原材料价格的下降大大降低了晶体硅太阳能电池的发电成本。随着太阳能光伏发电成本的不断下降，大规模利用太阳能光伏发电将变得更加普遍，从而推动晶体硅太阳能电池产业向广度发展。2太阳能电池原理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。此即太阳能电池发电的基本原理。3太阳能电池发展过程以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光－伏”才出现在英语中。1883年第一块太阳电池由CharlesFritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了1930年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的制造专利。到了1950年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。目前，在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。4太阳能电池分类太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为: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。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。4.1硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。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，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。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉而效率高于非晶硅薄膜电池。其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，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。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。4.2多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓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，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产品。砷化镓GaAsIII-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs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GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池简称CIS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稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。4.3以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。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4.4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1/51/10，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。4.5有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里95%以上是硅基的而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。5新型太阳能电池随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，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，目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为薄膜电池、叠层电池、柔性电池以及新型概念太阳能电池。薄膜电池的出现有力于缩短光生载流子在器件中的扩散距离，降低复合及湮灭的几率，使得在吸光程度大致相当的前提下提高太阳能电池的效率。叠层太阳能电池的性能可以得到叠加。每一个叠层单元由于感光部分的光响应性能不同，可以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得到较好的吸收，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。柔性太阳能电池可以用在平板太阳能电池难以胜任的许多领域。从制备工艺上看，由于该种电池有望实现成卷生产，便于大面积连续生产，降低成本的潜力巨大，另外柔性电池可以进行卷曲折叠，从而方便携带。燃料敏化太阳能电池是一种新型的陶瓷基光化学太阳能电池，1991年，瑞士的Graetzel教授通过钉(II)的联吡啶配合物敏化介孔Ti02薄膜光阳极，获得了7％的光电转换效率，从此开启了染料敏化太阳能电池的新领域。该电池制备工艺十分简单，不需要昂贵又耗能的高温处理和高真空，也不需要高纯原料。因此成本十分低廉，仅为硅基太阳能电池的1／3～1／5。它还具有一些目前硅基电池所不具的特点，比如可以做成透明的或者彩色的，也可以做成柔性的可弯曲电池。目前，器件的光电转换效率已优化至11％以上，超过非晶硅太阳能电池的转换效率6研究热点、难点随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新。新的概念已经开始在光伏技术中显现，从某种意义上讲，预示着光伏技术的发展趋势。光伏器件日趋薄层化、柔性化、叠层化。薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带来好处，同时也使器件的制备更为简便；柔性化使光伏器件更加方便实用，从根本上解决了器件的便携问题；叠层化提高了器件整体上的光能转换效率。根据光伏电池发电成本测算，目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规电源的10倍，且中短期内这一成本无法得到有效的下降，根据IEA和EPIA的研究，2020年前光伏发电成本的下降主要源于产业政策补贴和规模化，2020~2040年间通过技术进步和光伏利用效率的提升，才能与常规电源的峰值成本接轨，而要真正达到取代常规电源的成本，预计在2050年左右才有可能。硅作为半导体产业的重要原料，如今己集中运用到光伏产业中，太阳能级晶体硅发展的历史可谓复杂而曲折。综上所述，我们认为，多晶硅成为整个光伏产业链的瓶颈，其根源在于光伏技术的局限性，晶体硅尽管仍是光伏电池的绝对主流，但技术发展往往会促进这种格局的改变，薄膜电池作为替代性和互补性的产品能否成为另一支主流力量，仍然依赖于技术与规模经济，但可以确定的是，初生的光伏产业必将经历技术结构调整引导产业结构。7前景随着一些大企业在太阳能与建筑一体化方面的成功，行业发展方向也日趋明朗。一是稳固传统的热水器市场，二是不断拓展太阳能与建筑一体化领域，走中高温发展路线，逐步迈进工业领域。在太阳能与建筑一体化方面和中高温研发方面，力诺瑞特最有发言权。在国家住宅产业化基地推广过程中，力诺瑞特三年完成了3400万平方米的推广面积，相当于一个中等城市。在中高温研发领域，力诺瑞特更是先发制人。日前，力诺瑞特与清华大学合作研发的太阳能中温真空管集热器顺利通过中国工程院专家团验收，集热温度达150摄氏度，弥补国际空白，将使太阳能热利用由简单的太阳能热水扩展到更大的太阳能热能应用，使太阳能空调、太阳能采暖、海水淡化、工业动力和农业烘干成为现实。8总结本文简单介绍了一下太阳能电池的发电原理以及太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。太阳能电池产业的持续发展有赖于进一步提高转换效率并减少生产成本，这是摆在我们面前的进一步目标和任务。展望二十一世纪，世界太阳能电池市场必将继续迅猛发展。参考文献[1]毛爱华太阳能电池的研究和发展现状包头钢铁学院报2002年3月第21卷第01期[2]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报第25卷第2期2006年3月[3]周翘宇于洪利太阳能电池的种类及研究现状中国科技成果2006年第10期[4]沈文忠面向下一代光伏产业的硅太阳能电池研究新进展ChineseJournalofNatureVol.32.No.3[5]林红，李鑫，刘忆翥，李建保太阳能电池发展的新概念和新方向稀有金属材料与工程2009年12月