化学物理太阳能电池

华中师范大学《化学物理》课程论文论文题目太阳能电池姓名学号袁生2012213815专业班级物理学一班课程编号83824101授课教师祝志宏完成时间2015年1月5日太阳能电池摘要：本文主要从太阳能电池的简介、发展历史、原理及种类、产业面临的瓶颈、产业的发展等方面来介绍太阳能电池，最后得出结论。关键词：太阳能电池简介发展历史瓶颈发展纳米晶一、简介太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。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实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。二、发展历史环境的污染与能源（资源）的短缺是人类在21世纪面临的最大挑战,太阳能电池的出现好比一道新的曙光成为破解上述2大难题的最佳方案。1839年法国科学家贝克勒尔发现的“光伏效应”为太阳能电池的问世奠定了理论基础,1854年美国贝尔研究所首先研制成功了第一块实用型的单晶太阳能电池,当时的效率仅为6%。1958年美国先锋1号人造卫星首先使用太阳能电池为电源。20世纪60年代至80年代,由于能源危机的影响,太阳能的发展步入了一个新的高潮,此时单晶硅太阳能电池效率已达20%。20世纪90年代至今,太阳能电池已广泛地被各国政府推广使用。1997年,德国和美国先后推出了各自的“太阳能屋顶计划”,同年日本和欧盟也提出至2010年底将分别生产37亿、43亿WP（太阳能电池峰值功率）的光伏电池。三、原理及种类光热电转换方式：利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质（蒸汽）的势能和动能,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程;后一个过程是热电转换过程,与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,其投资估计至少要比普通火电站高5~10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均每千瓦的投资为2000~2500美元。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。光电直接转换方式：该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件。当许多个电池串联或并联起来,就可以成为较大输出功率的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其他电源无法比拟的。对太阳能电池材料的要求：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。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也越来越显示出诱人的前景。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌(Zn3p2）等。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、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。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%（截止2011，为18%）。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作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%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池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，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。多晶体薄膜多晶体薄膜电池硫化镉、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（GaAs）III-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）适合光电转换，不存在光致衰退问题，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稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。有机聚合物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，成本低等优势，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，还有待于进一步研究探索。纳米晶纳米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20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。有机薄膜有机薄膜太阳能电池，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。染料敏化染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。塑料电池塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。四、太阳能电池产业的瓶颈世界太阳能电池产业已初具规模,1994年~2003年的十年内平均年增长率达30%,2003年全球生产太阳能电池的总产能为742MW,其中日本约为364MW,差不多占了一半。2003年太阳能电池产能按厂商排名为:日本夏普(Sharp)198MW、美国壳牌(ShellSolar)77MW、日本京瓷(Kyocera)72MW和美国BPSolar70MW,这4家公司的生产总量就占了全球的一半多,可见太阳能电池产业尚未走出垄断境地。目前,太阳能电池的推广应用主要还是靠政府投资和政策扶持,日本通过政府补助部分经费,推广个人住宅太阳能发电系统(3kW~4kW),1994年~1998年累计住宅17084套,装机容量约64MW。而阻碍太阳能电池推广应用的瓶颈还是成本太高,虽然日本个人住宅太阳能发电系统(3kW)每套的价格从1994年的600万日元降到1998年的300万日元,现在约为210万日元(折合人民币16.4万元),即使按这个价格计算,考虑其使用寿命和日照时数,发电成本也还是远高于目前的市电价格,因此太阳能电池的推广应用仍寄希望于电池价格的进一步降低。太阳能发电系统的价格包括太阳能电池组件、蓄电池、转换电路及安装费用,而太阳能电池组件又包括太阳能电池单元和封装。太阳能电池单元的价格约占整个太阳能发电系统的一半,因此,太阳能发电系统的价格主要取决于太阳能电池单元的材料和制造成本。太阳能电池作为一种商品,要想在市场上受欢迎就必须有较高的性价比,也就是说太阳能电池单元的材料和制造成本以及制造过程中能源的消耗都要达到市场和消费者可接受的程度。五、太阳能电池产业的发展为了降低太阳能电池单元的制造成本,首先,要减少材料消耗。结晶型太阳能电池用厚度为0�3mm~0�5mm的单晶或多晶硅片,进一步减薄受到强度的限制。而薄膜型太阳能电池可用廉价的玻璃基片或柔性材料作基片,吸收层厚度为微米级;其次,要减少制造过程中的能耗。单晶硅或多晶硅太阳能电池的制造要用1000°C高温扩散和850°C烧结烘烤,电阻加热炉需消耗大量电力,非晶硅太阳能电池用等离子体薄膜工艺只要300°C左右的温度,CuInGaSe薄膜太阳能电池制造时的能耗仅等于其一年的发电量;第三,要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性。转换效率高则单位时间内的发电量多,在使用环境下性能稳定则使用寿命长,累计发电量多;第四,要减少生产线设备投资,降低太阳能电池产业的进入门槛,这就要求对电池材料、结构、生产工艺进行改进,用国产设备替代进口设备;第五,要扩大生产规模和采用更大面积的基片。生产规模越大平均成本就越低,但扩大生产模又受到市场订单的制约,订单多少反过来又取决于电池价格。此外,使用大面积基片可大幅度降低成本是被硅器件生产所证明了的。六、结论太阳能电池产业的蓬勃发展,给困扰人类社会物质文明可持续发展的能源危机和环境污染问题的解决带来了曙光。但成本和价格是摆在我们面前的拦路虎,太阳能电池产业的继续发展有赖于进一步提高转换效率,并降低生产成本及减少生产过程中的能耗,而这一目标的实现将寄希望于新型CuInGaSe薄膜太阳能电池的开发,以及在电池结构方面的创新。参考文献：[1]滨川圭弘能源环境学[M]北京:科学出版社,2003.[2]滨川圭弘光电子学[M]北京:科学出版社,2002.[3]章诗,王小平,王丽军.薄膜太阳能电池的研究进展[J].材料导报:综述篇,2010,24(5):126-131.[4]赵书利,叶烽,朱刚.太阳能电池技术应用与发展[J].船电技术,2010,30(4):47-50.