光伏材料的发展前景

光伏材料的发展前景[摘要]光伏材料作为新能源的一种，在目前转化率暂且还不是很高的情况下，仍然具备很高的利用价值。目前，科技领先国正大力研发新型材料来提高光伏转化率。在目前环境问题越来越突出的情况下，光伏材料无疑是一种很好的替代材料。但是，研究过程也遇到过许多问题，包括光伏材料自身也有着许多使用限制，但是总的来说，研发升级光伏材料是有重要意义的，本文就光伏材料的发展前景进行探讨，希望能得到一些启示和预示。[关键词]光伏材料；发展前景[Abstract]Photovoltaicmaterialsasakindofnewenergy,atthecurrentconversionrateisnotveryhigh,stillhasveryhighuseAtpresent,scienceandtechnologyleadingcountriesarevigorouslydevelopingnewmaterialstoimprovethephotovoltaicconversionrate.Undertheconditionofthecurrentenvironmentalproblemsmoreandmoreprominent,photovoltaicmaterialisundoubtedlyagoodalternative.However,theresearchprocessalsoencounteredmanyproblems,includingphotovoltaicmaterialitselfalsohasuserestrictions,butoverall,theresearchanddevelopmenttoupgradephotovoltaicmaterialwasofgreatsignificance,thispaperdiscussestheprospectsofthedevelopmentofphotovoltaicmaterials,hopetogetsomeenlightenmentandpredicted.[Keywords]Photovoltaicmaterials;Prospectsfordevelopment绪论[研究背景]光伏产业是一个创造神的产业，有传奇也有英雄，然而，随着全球金融危机的渗透，以及国内产业自身等多方面因素的影响，整个光伏产业，无论是上游的多晶硅，还是下游组件厂，无一例外地经历了断崖式下滑。虽然近期多晶硅价格出现了反弹回暖迹象，但专业人士分析，国内光伏产业的发展依旧迷雾重重。PHOTON咨询公司指出，太阳能市场以十分强劲的态势增长，并将持续保持，2005~2010年的年均增长率超过50%，但是多晶硅供应商的市场机遇受到价格、供应和需求巨大变化的影响。后危机时代太阳能模块设施增长的强劲复苏致使多晶硅市场吃紧。按照PHOTON咨询公司的2010年年度太阳能市场报告，在现行政策和经济环境下，预计多晶硅供应在2010~2014年的年均增长率为16%，将达到2014年29万吨/年。能力增长主要受到主要生产商的扩能所驱动，这些生产商包括美国Hemlock半导体公司、OCI公司和瓦克化学公司。分析指出，光伏部门受刺激政策的拉动，正在扩能之中，预计多晶硅供应的年均增长率可望达43%，将使其能力达到2014年近50万吨。[研究思路]从光伏材料的原理开始研究，通过比较一代代的材料变化，总结规律和经验，推出光伏材料的发展前景。一、什么是光伏材料光伏材料【solarcellmaterials】是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。二、光伏材料的工作原理“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年，法国科学家贝克勒尔(A．E．Becqure1)首先发现了“光生伏打效应(PhotovoltaicEffect)”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池(SolarCel1)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图1所示。PN结两侧因多数载流子(N区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形宽度很窄的空间电荷区w，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子(N区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，如图la、b所示，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子一空穴对，其中的光生非平衡少数载流子(即N区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子)可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场EPV一当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。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。光能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化，从而产生电动势和电流。光电转换材料是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料，主要用于制作太阳电池。太阳电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。而太阳电池主要原料有：晶体硅电池：多晶硅电池：多晶硅(polycrystallinesilicon)及单晶硅电池：单晶硅(monocrystallinesilicon)。而多晶硅和单晶硅的原料都是多晶硅料(polysilicon),经过提拉（形成单晶硅）铸锭（形成多晶硅）。另外的薄膜电池和第三代电池，大部分都是依靠不同的化学品进行层层的沉积合成，最后得到电池。三、光伏材料研究现状第一代光伏发电材料：当前，太阳能光伏电池材料主要有晶体硅材料，晶体硅包括单晶硅，多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料，高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工工艺基础上。目前，单晶硅电池工艺已近成熟，提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在光照充足的最佳角度，单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20%～24%。多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料，多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%，明显不如单晶硅。为适应光伏市场需求的持续稳定增长，太阳能电池企业不得不以较高的价格购买半导体级硅来生产光伏电池，这无疑增加了光伏产业的成本，制约了光伏产业的发展。随着光伏产业的进一步发展，多晶硅的需求量会越来越大。非晶硅太阳电池具有独特的优势：材料和制造工艺成本低、易于形成大规模生产能力。a-Si太阳电池易于实现集成化。各种功率、输出电压、输出电流的器件都可以设计制造出来，可以较方便地生产适合不同需求的多种产品。a-Si太阳电池光吸收系数高、暗电导量低，适合制作手表电池、计算器电池等低功耗电源；a-Si膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的“大电池”；a-Si太阳电池的制造方法灵活多样，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。非晶硅电池将发展为太阳能电池的主要产品之一，有很好的市场前景。第二代光伏发电材料：第二代太阳电池的核心是一种可粘接的薄膜。这种薄膜的优势：一是可以大批量、低成本地生产；二是能更好地利用太阳能。该薄膜的表面呈绒面结构，在显微镜下观察，如同锉刀表面一般，粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。当阳光照在这种薄膜上，光线斜射入电池内，经过各斜面不同角度的折射后，光线又会从电池板的背面反射回表面，大部分光线还能再次从表面反射回电池内，如此多次反复，使光线在电池内的传播路线大大加长。实验证明，光在这种电池内的传播路线是在表面光滑的电池体内所传播路线长度的25倍，可大幅度地提高光能的利用效率。以纳米TiO2为主的薄膜太阳电池，因其工作原理独特，生产成本低廉而引起了世界广泛关注。纳米晶太阳电池（NanocrystallineSolarCell）采用的是无机-有机复合体系，有效地把纳米技术与太阳电池结合。首先采用无机纳米粒子制备多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修饰有机染料分子或无机半导体粒子作为光敏剂，光敏剂吸收入射光后产生电子—空穴对，通过半导体颗粒使电荷转换效率提高，制备工艺简单，其制作成本仅为单晶硅电池的1/5，具有明显的价格优势。作为一种低成本的太阳电池，在军事和民用方面具有很大的应用价值。纳米晶太阳电池更展现了太阳电池新的发展方向。第三代光伏发电材料：物理学家正试图寻找全新的途径研制新的太阳能电池，他们设想在单晶硅中掺入一些杂质，有意形成晶体内的缺陷，以利用这些缺陷导致额外的光电势能。这样也许可以提高光子电流，但却会丢失一部分开路电压，因此要应用全新的材料。从理论研究看，在阳光集中辐照时，利用希泽光电效应可能达到的光电转换效率的极限值为63.2%，但只有使用理想的材料才能达到。若使晶体结构中形成的缺陷能准确无误地出现在所需要的地方，实际上也很难做到。德国科学家正在进行这方面的实验，他们在单晶硅中掺入稀土金属元素铒（Er）来制造太阳电池，以测试它对转换效率可能产生的影响。理论上讲，太阳电池的最高转换效率可以达到95%，但实际上最多也仅能达到85%。对于研究太阳能的科学家们来说，能够在现今已取得的光电转换效率最好纪录（24.8%）的基础上，哪怕是取得小的进展都是了不起的成果。现在如果用一种单一的太阳电池能达到30%的转换效率，那也是太阳电池技术发展的一个重大突破。四、光伏材料的发展前景现今市场上的太阳能电池模块有95%以硅为原材料，其中有60%为多晶硅，30%为单晶硅，预计这一现状还将持续一段时间。对未来太阳能发电系统的发展而言，如何降低电池模块的成本是关键，是因为它占据了发电系统成本的60%，而模块成本中的20%取决于硅原材料成本，所以，如果保持如今的趋势发展下去，则原材料硅的短缺终将成为制约太阳能发展的瓶颈。预计未来发展的方向可能集中在以下几个方面：改善原有的制备工艺并开发新工艺，提高硅原料的产量目前有研究报道了一些新的工艺方法：熔融析出法（VaportoLiquidDeposition，VLD）和熔硅提纯法（MoltenSiliconRefinement）。在VLD法中，将三氯氢硅（SiHCl3）和氢气（H2）一起注入1500℃的石墨管中，形成硅熔融沉积，沉积速度比传统西门子方法快错误!未找到引用源。。未来的研究将开发更多新工艺，提高硅的产量。开发新材料和新技术，降低硅的使用量通过重新评估材料技术并使用新的电池技术以提高能源效率，从而尽可能降低单位能量所消耗的硅，同时通过扩展设备和引入新的制备工艺来努力提高生产能力。第3代高效光伏电池具有潜在前景第1代晶体硅太阳电池对材料的需求限制了成本降低的潜力，长期以来人们一直试图用薄膜太阳电池取代第1代电池，然而，薄膜太阳电池的转换效率是要解决的主要问题，此外，薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须要达到大规模应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究等方面来看，太阳电池的光电转换效率还可以有很大提高，薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。第3代光伏电池主要是要解决电池能量的损失问题，第3代电池的理论概念及其工艺方法成为了太阳能电池研究领域的最前沿问题，若第3代光伏电池能够获得成功，将会对整个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡献。五，总结通过对光伏材料发电原理的探究，了解了光伏发电过程中的一些发电材料的运用，光伏材料一代代的进步，无不让人感到欣喜。值得一提的是，日前的全国能源工作会议上，提出了2013年新增光伏发电装机容量10GW，并重申大力发展分布式光伏发电。可见国家对