太陽能電池發(fā)展現狀綜述綜述

1、電子技術查新訓練文獻綜述報告題 目太陽能電池發(fā)展現狀綜述學 號 3110433019班級微電111學生周雷指導教師揚揚我/上字2012年太陽能電池發(fā)展現狀綜述摘 要：隨著現代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，太陽能作為理 想的可再生能源受到了許多國家的重視。由于不可再生能源的減少和環(huán)境污染的雙重 壓力，使得光伏產業(yè)迅猛發(fā)展；太陽電池的發(fā)展也日新月異。本文主要敘述了現階段 多晶硅太陽電池、單晶硅太陽電池、薄膜太陽電池、GaAs太陽電池及燃料敏化學電池的現狀研究及發(fā)展趨勢，以及對未來太陽電池發(fā)展方向的預測，認為今后太陽電池發(fā) 展趨勢為層疊太陽電池。關鍵詞：多晶太陽電池；單晶硅太陽電池

2、；薄膜太陽電池；GaAs太陽電池；層疊太陽電池。Solar cell and its current situation ofresearch and outlookAbstract : With the development of modern industry, the global energy crisis and atmospheric pollution problem increasingly, solar energy as the ideal renewable energy by many national attention. Due to energy reducti

3、on and environmental pollution, make double pressures of photovoltaic industry rapid development; Solar cell development also changing. This paper mainly describes the present polycrystalline silicon solar battery, monocrystalline silicon solar battery, thin film solar cells and GaAs solar cell and

4、fuel sensitive situation of chemical battery research and development trends, as well as to the future direction of the solar forecast that future development trends of the solar sun cascade battery.Key Words : Polycrystalline solar cells; monocrystalline silicon solar cells; thin film solar cells;

5、GaAs solar cells; cascade solar cell1引言光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差.這是在1839年法國科學家貝爾克雷發(fā)現的，這種現象后來被稱為“光生伏打效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池.從此太陽能轉換為電能的實用 光伏發(fā)電技術誕生。如今太陽能電池的種類不斷增加。應用范圍日益廣闊.市場規(guī)模 逐步擴大，太陽能電池的研究在歐洲。美洲，亞洲大規(guī)模展開。近幾年。全世界太陽 能電池的生產量平均每年增長近40%,美國和日本相繼出臺了太陽能研究開發(fā)計劃。此外，美國還推出了 “太陽能路燈計劃”。旨在讓美國一部分城市的路

6、燈都改由太陽能供電，預計每盞路燈每年可節(jié)電800 kWh 。太陽能光伏發(fā)電是能源利用不可逆的潮流。隨著光伏技術及應用材料的飛速發(fā)展光電材料成本不斷下降。光電轉換效率逐漸升高，太陽能光伏發(fā)電將會越來越顯現出優(yōu)越性。光伏界專家認為。到2010 年太陽能光伏發(fā)電成本將降低到可與常規(guī)能源競爭的程度。制作太陽電池的材料要滿足如下要求：半導體材料的禁帶不能太寬；要有較 高的光電轉換效率；材料本身對環(huán)境不造成污染；便于工業(yè)化生產且性能穩(wěn)定。 符合以上條件的太陽能光伏材料被不斷地開發(fā)和應用。2. 太陽能電池發(fā)展2.1 晶體硅太陽電池晶體硅太陽電池是PV(Photovoltaic) 市場上的主導產品，優(yōu)點是技術

7、、工藝最成熟， 電池轉換效率高，性能穩(wěn)定，是過去 20 多年太陽電池研究、開發(fā)和生產主體材料缺點是生產成本高. 在硅電池研究中人們探索各種各樣的電池結構和技術來改進電池性能，進一步提高效率. 如發(fā)射極鈍化、背面局部擴散、激光刻槽埋柵和雙層減反射膜等，高效電池在這些實驗和理論基礎上發(fā)展起來的。本節(jié)主要介紹單晶硅太陽電池與多晶硅太陽電池。2.1.1 單晶硅太陽電池單晶硅太陽電池制備和加工工藝：一般以高純度單晶硅棒為原料，有些也用半導體碎片或半導體單晶硅的頭尾料，經過復拉制成太陽電池專用單晶硅棒。在電弧中用炭還原石英砂制成純度約為99%冶金及半導體硅，然后將它在流化床反應器中進行化學反應，達到電子及

8、半導體硅要求。將硅棒切成厚度約300um 硅片做為太陽電池原料片，通過在硅片上摻和擴散，硅片上形成了pn 結，然后采用絲網印刷法，將銀漿印在硅片上做成刪線，經過燒結，同時制成背電極，并在有刪線的面上涂減反射膜，這樣，單晶硅電池片就制成了。經檢驗后的單體片按需要規(guī)格組裝成太陽電池組件(太陽電池板)，用串聯(lián)和并聯(lián)方法構成一定輸出開路電壓和短路電流1。2.1.2 多晶硅太陽電池目前，太陽能電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是：選擇電阻率為100300Q - cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經破碎，再用 1: 5的氫氟酸和硝酸混合

9、液進 行適當的腐蝕，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加人適量硼硅，放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后再保溫約20min,然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片 加工成方形太陽電池片，可提高材制利用率和方便組裝。多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉換效率約12 左右， 稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，因此得到快速的發(fā)展。2.2 薄膜太陽電池目前薄膜太陽能電池按材料可分為硅薄膜型、化合物半導體薄膜型和有機薄膜型。本節(jié)主要介紹了非晶硅薄膜電池與多晶硅薄膜電池。2.2

10、.1 非晶硅薄膜電池非晶硅有較高的光吸收系數。特別是在0.30.75仙m的可見光波段，它的吸收系數比單晶硅高出一個數量級，對太陽輻射的吸收效率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（約lm?）就能吸收90%有用的太陽能。與單晶硅與多晶硅材料相比，非晶態(tài)硅的原子在空間排列上失去了長程有序性，但其組成原子也不是完全雜亂無章地分布。由于受到化學鍵，特別是共價鍵的束縛，在幾個原子的微小范圍內，非晶態(tài)與晶體的硅具有非常相似的結構特征。由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備中晶體與襯底間的晶格失配問題。因而非晶硅薄膜幾乎可以淀積在任何襯底上，包括玻璃襯底，易于實現大面積化。2.2.2 多晶硅

11、薄膜電池多晶硅材料是許多單晶顆粒（顆粒直徑為數微米至數毫米）的集合體，各單晶粒的大小、晶體取向彼此各不相同。盡管多晶硅存在晶粒間界，不利于太陽能電池轉換 效率的提高。但因制備多晶硅材料比制備單晶硅材料要便宜得多，研究人員正致力于減少晶粒間界的影響以期得到低成本多晶硅太陽能電池。多晶Si 薄膜電池是兼具單晶Si 和多晶 Si 電池的高轉換效率和長壽命以及非晶Si 薄膜電池的材料制備工藝相對簡化等優(yōu)點的新一代電池。在不太遙遠的將來，多晶Si 薄膜電池技術可望使太陽電池組件的成本降低至1美元左右，從而使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競爭。因此，近些年來，多晶Si 薄膜材料和相關的電池工藝方面的工作

12、引起了人們極大的關注。2.3 GaAs 太陽電池2.3.1 GaAs 基單結太陽電池由于太陽光譜的能量分布較寬，而半導體材料的帶隙Eg 都是確定的，因此只能吸收其中能量比其禁帶寬度值高的光子，太陽光中能量小的光子則透過電池被背面電極金屬吸收轉化成熱能，而高能光子超出禁帶寬度的多余能量，通過光生載流子的能量熱釋作用傳遞給電池材料本身使其發(fā)熱。這些能量最終都沒有變成有效電能，因此對于單結太陽能電池，即使是晶體材料制成的，理論最高轉換效率也只有25左右。單結GaAs電池只能吸收特定光譜的太陽光，實驗室實現的轉換效率最高25. 8%,高于晶體硅的232 。2.3.2 GaAs 基多結太陽電池采用不同禁

13、帶寬度的III V族材料制備的多結疊層 GaAs太陽能電池，通過禁帶 寬度由大到小組合，使得這些III V族材料可以分別吸收和轉換太陽光譜中不同波長 的光，能大幅提高太陽能電池的轉換效率，更多地將太陽能轉變成電能。疊層太陽能 電池可以外延生長技術制備，在具有一定結晶取向的襯底上延伸并按一定晶體學方向 生長薄膜，每層薄膜都稱為外延層。在襯底上逐層生長各級子電池，最終得到多結疊層結構電池。目前主要采用的有金屬氣相外延（MOCVD）口分子束外延（MBE）等外延生長技術 3 。2.4 染料敏化電池1991 年 , 瑞士洛桑高等工業(yè)學院的Michael Gr? tzel 教授領導的研究小組將納晶多孔薄膜

14、引入染料敏化太陽能電池（DSCs） 中 , 使得這種電池的光電轉換效率有了大幅度的提高, 逐漸成為最有希望得到應用的新型太陽能電池之一。相比于硅基太陽電池DSC1池以其低廉的成本、簡單的工藝和相對較高的光電轉換效率而引起了全世界的廣泛關注 , 并迅速掀起了研究熱潮。染料敏化電池主要包括三個部分：附了染料的多孔光陽極、電解質和對電極。染料吸收光子后發(fā)生電子躍遷, 光生電子快速注入到半導體的導帶并經過集流體進入外電路而流向對電極。失去電子的染料分子成為正離子, 被還原態(tài)的電解質還原再生。還原態(tài)的電解質本身被氧化, 擴散到對電極, 與外電路流入的電子復合, 這樣就完成了一個循環(huán)。在DS(fe池中，光

15、能被直接轉換成了電能，而電池內部并沒有發(fā)生凈的化學變化。太陽能光電轉換率的卡諾上限是95%4 ，遠高于標準太陽能電池的理論上限33%，表明太陽能電池的性能還有很大發(fā)展空間。Martin Green 認為， 第三代太陽電池必須具有如下條件：薄膜化，轉換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還處在概念和簡單的試驗研究5 。已經提出的主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽能電池是太陽能電池發(fā)展的一個重要方向。染料敏化疊層太陽能電池由兩個光電池組成，前面的電池吸收太陽光中的高能紫外和藍光，利用納米晶金屬氧化物薄膜來產生電子- 空穴對。波長在綠光到紅光之間的光被 Gr

16、tzel 敏化二氧化鈦電池吸收11 ， 這兩個電池連接起來提供電壓。染料敏化太陽能電池的能量轉換效率主要與敏化劑吸收太陽光譜的能力有關，為了提高光譜效應，在電池的兩個不同層上用不同的敏化劑染料12 。馬廷麗、苗青青8 制作了一種疊層式染料敏化太陽能電池。其特征在于，頂部的太陽能電池與底部的太陽能電池的光陽極分別吸附具有相同結構或不同結構，不同光譜響應范圍且有互補性質的染料13 ；兩個太陽能電池的光陽極結構為在基板上載有一層導電膜和半導體薄膜及染料，對向電極為帶有導電性的基板，在兩個電極之間介入電解質。這一新型疊層式染料敏化太陽能電池有光電轉換效率高、價格低、制備工藝簡單并且易于大規(guī)模生產的特點

17、。解決現有太陽能電池效率低、成本高，制備工藝復雜的問題。用該發(fā)明的技術手法制造的染料敏化太陽能電池可用做太陽能發(fā)電和太陽能制氫系統(tǒng)15 。3. 太陽能電研究太陽能電池發(fā)展經歷了三個階段。以硅片為基礎的“第一代”太陽能電池其技術發(fā)展已經成熟，但單晶硅純度要求在99.999 ， 生產成本太高使得人們不惜犧牲電池轉換率為代價開發(fā)薄膜太陽能電池。第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池。薄膜技術所需材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實現大面積電池的生產，可有效降低成本。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池， 其中以多晶硅為材料的太陽能電池最優(yōu)。3.1 層疊太陽能電池太陽

18、光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來6 ，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄禁帶寬度材料電池利用， 這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結構的電池就是疊層太陽能電池。3.2 層疊太陽能電池系列3.2.1 多元化合物層疊太陽能電池多元化合物太陽能電池指不是用單一元素半導體材料制成的太陽能電池7 。 現在各國研究的多元化合物太陽能電池品種繁多，但絕大多數尚未工業(yè)化生產。半導體化合物GaAs, CdTe, Cu（In, Ga）Se 2（CIGS）的禁帶寬度接近于光伏電池所要求

19、的最佳禁帶寬 度，它們具有高的光電轉化效率，又有較低的制作成本，可以用來制造薄膜疊層太陽能電池 8 。3.2.2 非晶硅層疊太陽能電池在硅系列電池中，非晶硅（a-Si ）對陽光的吸收系數最高，活性層只需要1 m厚9 ，材料的需求大大減少。但是也有不少缺點：隨光照時間增加效率反而衰退；禁帶寬度為 1.7 eV ，對長波區(qū)域不敏感。研究證實，疊層太陽能電池可有效提高非晶硅的穩(wěn)定性，使室外陽光下照射1 年的效率衰退率從單結的25%35%下降到20%以下10 。3.2.3 化合物半導體太陽能電池 化合物半導體電池由于禁帶寬度、晶格常數等分布廣泛，同時又具有光吸收系數高、適合于薄膜化、耐放射性損傷、溫度

20、特性優(yōu)良、適合于聚光工作等優(yōu)點，通過各種半導體的組合有可能實現波長響應的寬帶域化，從而得到更高的效率16。如單結電池片的轉換效率有望達 2628 ,二結、三結電池片分別有可能達35 9/5、43的超高效率 17 。由于化合物半導體太陽能電池由于高性能導致的高價格，曾被認為很難作為地面電力使用的太陽能電池而實用化，但隨著研究開發(fā)的進步，由 III V族化合物構成的多結結構太陽能電池和聚光型太陽能電池亦引人注目.(1)CIS/CIGSI膜太陽能電池。與硅太陽能電池相比，CIS電池成本低、轉換效率高、穩(wěn)定性高，但由于制作工藝重復性差，高效電池的成品率低等原因，故至今未能實現批量生產。為限制CIS的禁

21、帶寬度，引人Ga形成穩(wěn)定的P型半導體Cu(In , Ga)Sez(CIGS),通過調整Gat量可調制CIGS?隙18。目前，制備CIS/CIGS勺主要技術 有濺射法、蒸鍍法、電沉積、化學水浴沉積、化學氣相沉積、分子束外延、噴射熱解、氣相轉移法及快速凝固技術等。CIS和CIGS®膜太陽能電池經過2臂年的發(fā)展，小面積電池的效率超過了碲化鎘和非晶硅電池，逼近2O。日本昭和殼牌石油公司的3 450cm2組件轉換效率達13. 4。美國NRE采用真空蒸鍍法制備的CIS和CIGSt陽能電池光電轉 換效率 分別達15 O 和 19 5；施成營1 婦等以不銹鋼為襯底，用共蒸發(fā)三步法制備Cu(In ,

22、Ga)Se剛膜太陽能電池，已達9. 39的轉換效率19。研究表明，CIGSI膜太 陽能電池吸收層厚度減薄至 0. 7m影響其性能，這將減少稀有金屬的用量，有助于降 低成本，提高生產力的發(fā)展。CdTe是能隙為1. 46 eV的直接禁帶半導體，接近太陽能電池需要的最優(yōu)化能隙(1 . 4eV),吸收系數約為10 cm,，故1. 5 m厚的CdTe!膜就足夠吸收光，因此 CdTe 薄膜太陽能電池成本低，已成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對象。目前較成熟的制備方法有近空間升華法、絲網印刷法、濺射法、元素氣相化合法、電化學沉積法、真空蒸發(fā)法等。提高CdTefc陽能電池轉換效率的有效途徑之一是適當減薄C

23、dSS口層，但相反嚴重影響電池性能，解決途徑是在窗口層和透明導電膜之間加一層高阻本征SnOZt膜。用ZnTe/ZnTe： CU乍為復合層、Au#為CdTefc陽能電池的背電極的小面 積 (0 502 cm ) 電池效率已達l3 38 20 。為提高其光電轉換效率，降低成本以適應大規(guī)模生產的技術開發(fā)。宋慧瑾等12研究了用Ni替代AU乍為CdTet陽能電池的背電極， 比較了 Ni、Ni/Au、Au/ Ni及Au背電極對電池性能的影響，結果表明轉換效率平均增長4。李愿杰等1在研究CdSXCdT井層太陽能電池的基礎上，提出了 CdSXCdTeft 層太陽能電池的設計思路并已獲成功，效率可達8. 16

24、(0. 071 cm)。理論計算表明，CdTet膜太陽能電池的轉換效率達 27 ,雖實驗室小面積CdTet膜太陽能電池的轉換效 率達16 5 ，但與理論轉換效率還有差距。(3)GaAs是典型的IIl-V族化合物半導體材料，具有直接能帶隙，帶隙寬度為1. 42eV(3O0K),是很理想的太陽能電池材料。GaAst陽能電池具有光電轉換效率高、耐高溫性能好、抗輻射能力強等優(yōu)點，被公認為新一代高性能長壽命空間主電源。上?？諉栯娫此娜YInGaP/ InGaAs/ Ge*陽能電池已在空間得到應用，最高效率為28. O(AMO)達國際先進水平。目前，Gain/GaA數結疊層太陽能電池的光轉換效率也已達2

25、5. 7(AM0t譜效率)21。在空間，電池會受到各種能量、通量的質子及電子照 射，引起性能衰降，影響電源系統(tǒng)，因此有必要研究其抗輻射性能1 。以砷化鎵太陽能電池為主要部件的聚光太陽能電池，以其高效率、高溫性能好等特點被認為是最有發(fā)展前途和最具商用價值的新一代光伏技術， 理論計算表明(AMOK1和1個太陽常數)， 雙結、三結、四結GaAst陽能電池的極BM效率分別為 3C%、38 9/6、41，但目前GaAs 太陽能電池普遍采用液相外延工藝，制造成本高，尚不能進入民用市場。3.3 總結以 III-V 族化合物及CIS 等稀有元素制備的太陽能電池，盡管所制成的電池轉換效率很高，但從材料來源和環(huán)境

26、問題來看，這類太陽能電池將來不可能占據主導地位。高轉換效率和降低成本是太陽能電池制備中要考慮的兩個主要因素，目前的非晶硅系疊層太陽能電池，要想把效率提高很多是很困難的，而且非晶硅系疊層太陽能電池對材料純度要求較高，價格貴，很大程度上限制了其工業(yè)化推廣。有機染料有天然與人工之分。天然染料可以直接從植物中提取, 來源廣泛, 分離提純相對容易, 如花青素、香豆素及其衍生物等。還可以通過對這些天然染料進行修飾來提高其吸光強度和范圍, 改善其穩(wěn)定性。目前, 越來越多的有機染料被設計、合成出來一系列的有機染料引起了廣泛關注和研究。參考文獻1 汪建軍，劉金霞，太陽能電池及材料研究和發(fā)展現狀J. 浙江萬里學院

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