光伏材料的發(fā)展及應(yīng)用.doc

光伏材料的發(fā)展及應(yīng)用摘 要：太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是集半導(dǎo)體材料、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、蓄電池技術(shù)及電力工程技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)是當(dāng)今新能源發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文介紹了光伏發(fā)電技術(shù)的相關(guān)概念，綜述了該領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池材料；光伏發(fā)電材料0 引言 隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，以石油、天然氣和煤炭等為主的化石能源正逐步消耗，能源危機(jī)成為世界各國(guó)共同面臨的課題。與此同時(shí)，化石能源造成的環(huán)境污染和生態(tài)失衡等一系列問題也成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至威脅人類生存的嚴(yán)重障礙。新能源應(yīng)用正成為全球的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能資源是最豐富的可再生能源之一， 它分布廣泛，可再生，不污染環(huán)境，是國(guó)際上公認(rèn)的理想替代能源。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能直接應(yīng)用的一種形式。作為一種環(huán)境友好并能有效提高生活標(biāo)準(zhǔn)的新型發(fā)電方式，光伏發(fā)電技術(shù)正在全球范圍內(nèi)逐步得到應(yīng)用。1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理及運(yùn)用材料1.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理 “光伏發(fā)電”是將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾(AEBecqure1)首先發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic Effect)”。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池(Solar Cel1)直到一個(gè)多世紀(jì)后的1954年才在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。20世紀(jì)70年代中后期開始，光伏電池技術(shù)不斷完善，成本不斷降低，帶動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。光伏發(fā)電原理如圖1所示。PN結(jié)兩側(cè)因多數(shù)載流子(N 區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴)向?qū)Ψ降臄U(kuò)散而形寬度很窄的空間電荷區(qū)w，建立自建電場(chǎng)Ei。它對(duì)兩邊多數(shù)載流子是勢(shì)壘，阻擋其繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散；但它對(duì)兩邊的少數(shù)載流子(N 區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子)卻有牽引作用，能把它們迅速拉到對(duì)方區(qū)域。穩(wěn)定平衡時(shí)，少數(shù)載流子極少，難以構(gòu)成電流和輸出電能。但是，如圖la、b所示，光伏電池受到太陽(yáng)光子的沖擊，在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對(duì)，其中的光生非平衡少數(shù)載流子(即N 區(qū)中的非平衡空穴和P區(qū)中的非平衡電子)可以被內(nèi)建電場(chǎng)Ei牽引到對(duì)方區(qū)域，然后在光伏電池中的PN結(jié)中產(chǎn)生光生電場(chǎng)EPV一當(dāng)接通外電路時(shí)，即可流出電流，輸出電能。當(dāng)把眾多這樣小的太陽(yáng)能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會(huì)在太陽(yáng)能的作用下輸出功率足夠大的電能。1 (a)光子注入 (b)光生電場(chǎng)的形成圖1 光伏發(fā)電原理1.2光伏發(fā)電運(yùn)用到的材料 光能使半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流。光電轉(zhuǎn)換材料是通過光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的材料， 主要用于制作太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池對(duì)光電轉(zhuǎn)換材料的要求是轉(zhuǎn)換效率高、能制成大面積的器件，以便更好地吸收太陽(yáng)光。而太陽(yáng)電池主要原料有：晶體硅電池：多晶硅電池：多晶硅(polycrystalline silicon)及單晶硅電池：?jiǎn)尉Ч?monocrystalline silicon)。而多晶硅和單晶硅的原料都是多晶硅料(polysilicon),經(jīng)過提拉（形成單晶硅）鑄錠（形成多晶硅）。另外的薄膜電池和第三代電池，大部分都是依靠不同的化學(xué)品進(jìn)行層層的沉積合成，最后得到電池。2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電材料的研究現(xiàn)狀2.1 第一代光伏發(fā)電材料 當(dāng)前，太陽(yáng)能光伏電池材料主要有晶體硅材料，晶體硅包括單晶硅，多晶硅和非晶硅。單晶硅是目前普遍使用的光伏發(fā)電材料，高效單晶硅電池的生產(chǎn)建立在高質(zhì)量單晶硅材料和成熟的加工工藝基礎(chǔ)上。目前，單晶硅電池工藝已近成熟，提高其光電轉(zhuǎn)換效率主要靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在光照充足的最佳角度，單晶硅電池的光電總轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 20%24%。多晶硅原料是半導(dǎo)體工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)共同的上游原材料，多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá) 18.6%，明顯不如單晶硅。為適應(yīng)光伏市場(chǎng)需求的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，太陽(yáng)能電池企業(yè)不得不以較高的價(jià)格購(gòu)買半導(dǎo)體級(jí)硅來生產(chǎn)光伏電池，這無疑增加了光伏產(chǎn)業(yè)的成本，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，多晶硅的需求量會(huì)越來越大。非晶硅太陽(yáng)電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：材料和制造工藝成本低、易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。a-Si 太陽(yáng)電池易于實(shí)現(xiàn)集成化。各種功率、輸出電壓、輸出電流的器件都可以設(shè)計(jì)制造出來，可以較方便地生產(chǎn)適合不同需求的多種產(chǎn)品。a-Si 太陽(yáng)電池光吸收系數(shù)高、暗電導(dǎo)量低，適合制作手表電池、計(jì)算器電池等低功耗電源；a-Si 膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的“大電池”；a-Si 太陽(yáng)電池的制造方法靈活多樣，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。非晶硅電池將發(fā)展為太陽(yáng)能電池的主要產(chǎn)品之一，有很好的市場(chǎng)前景。22.2 第二代光伏發(fā)電材料 第二代太陽(yáng)電池的核心是一種可粘接的薄膜。這種薄膜的優(yōu)勢(shì)：一是可以大批量、低成本地生產(chǎn)；二是能更好地利用太陽(yáng)能。該薄膜的表面呈絨面結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下觀察，如同銼刀表面一般，粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。當(dāng)陽(yáng)光照在這種薄膜上，光線斜射入電池內(nèi)，經(jīng)過各斜面不同角度的折射后，光線又會(huì)從電池板的背面反射回表面，大部分光線還能再次從表面反射回電池內(nèi)，如此多次反復(fù)，使光線在電池內(nèi)的傳播路線大大加長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，光在這種電池內(nèi)的傳播路線是在表面光滑的電池體內(nèi)所傳播路線長(zhǎng)度的 25倍，可大幅度地提高光能的利用效率。以納米TiO2為主的薄膜太陽(yáng)電池，因其工作原理獨(dú)特，生產(chǎn)成本低廉而引起了世界廣泛關(guān)注。納米晶太陽(yáng)電池（Nanocrystalline SolarCell）采用的是無機(jī)-有機(jī)復(fù)合體系，有效地把納米技術(shù)與太陽(yáng)電池結(jié)合。首先采用無機(jī)納米粒子制備多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修飾有機(jī)染料分子或無機(jī)半導(dǎo)體粒子作為光敏劑，光敏劑吸收入射光后產(chǎn)生電子空穴對(duì)，通過半導(dǎo)體顆粒使電荷轉(zhuǎn)換效率提高，制備工藝簡(jiǎn)單，其制作成本僅為單晶硅電池的1/5，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。作為一種低成本的太陽(yáng)電池，在軍事和民用方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值。納米晶太陽(yáng)電池更展現(xiàn)了太陽(yáng)電池新的發(fā)展方向。32.3第三代光伏發(fā)電材料 物理學(xué)家正試圖尋找全新的途徑研制新的太陽(yáng)能電池，他們?cè)O(shè)想在單晶硅中摻入一些雜質(zhì)，有意形成晶體內(nèi)的缺陷， 以利用這些缺陷導(dǎo)致額外的光電勢(shì)能。這樣也許可以提高光子電流，但卻會(huì)丟失一部分開路電壓，因此要應(yīng)用全新的材料。從理論研究看，在陽(yáng)光集中輻照時(shí)，利用希澤光電效應(yīng)可能達(dá)到的光電轉(zhuǎn)換效率的極限值為63.2%，但只有使用理想的材料才能達(dá)到。若使晶體結(jié)構(gòu)中形成的缺陷能準(zhǔn)確無誤地出現(xiàn)在所需要的地方，實(shí)際上也很難做到。德國(guó)科學(xué)家正在進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)，他們?cè)趩尉Ч柚袚饺胂⊥两饘僭劂s（Er）來制造太陽(yáng)電池，以測(cè)試它對(duì)轉(zhuǎn)換效率可能產(chǎn)生的影響。理論上講，太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到95%，但實(shí)際上最多也僅能達(dá)到85%。對(duì)于研究太陽(yáng)能的科學(xué)家們來說， 能夠在現(xiàn)今已取得的光電轉(zhuǎn)換效率最好紀(jì)錄（24.8%）的基礎(chǔ)上，哪怕是取得小的進(jìn)展都是了不起的成果。現(xiàn)在如果用一種單一的太陽(yáng)電池能達(dá)到30%的轉(zhuǎn)換效率，那也是太陽(yáng)電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大突破。3 光伏發(fā)電電池材料的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)今市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池模塊有95%以硅為原材料，其中有60%為多晶硅，30%為單晶硅，預(yù)計(jì)這一現(xiàn)狀還將持續(xù)一段時(shí)間。對(duì)未來太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展而言，如何降低電池模塊的成本是關(guān)鍵，是因?yàn)樗紦?jù)了發(fā)電系統(tǒng)成本的60%，而模塊成本中的20%取決于硅原材料成本，所以，如果保持如今的趨勢(shì)發(fā)展下去，則原材料硅的短缺終將成為制約太陽(yáng)能發(fā)展的瓶頸。3.1改善原有的制備工藝并開發(fā)新工藝，提高硅原料的產(chǎn)量 目前有研究報(bào)道了一些新的工藝方法：熔融析出法（Vapor to Liquid Deposition，VLD）和熔硅提純法（Molten Silicon Refinement）。在VLD法中，將三氯氫硅（SiHCl3）和氫氣（H2）一起注入1500 的石墨管中，形成硅熔融沉積，沉積速度比傳統(tǒng)西門子方法快10。未來的研究將開發(fā)更多新工藝，提高硅的產(chǎn)量。43.2開發(fā)新材料和新技術(shù)，降低硅的使用量 通過重新評(píng)估材料技術(shù)并使用新的電池技術(shù)以提高能源效率，從而盡可能降低單位能量所消耗的硅，同時(shí)通過擴(kuò)展設(shè)備和引入新的制備工藝來努力提高生產(chǎn)能力。3.3第3代高效光伏電池具有潛在前景 第1代晶體硅太陽(yáng)電池對(duì)材料的需求限制了成本降低的潛力，長(zhǎng)期以來人們一直試圖用薄膜太陽(yáng)電池取代第1代電池，然而，薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率是要解決的主要問題，此外，薄膜電池的性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本也必須要達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的要求。目前從材料、工藝與理論研究等方面來看，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率還可以有很大提高，薄膜電池的發(fā)展也還有充足的發(fā)展空間。第3代光伏電池主要是要解決電池能量的損失問題，第3代電池的理論概念及其工藝方法成為了太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域的最前沿問題，若第3代光伏電池能夠獲得成功，將會(huì)對(duì)整個(gè)太陽(yáng)電池領(lǐng)域的發(fā)展起到里程碑式的貢獻(xiàn)。54 結(jié)論通過了解光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換原理，我了解了光伏發(fā)電過程中的一些發(fā)電材料的運(yùn)用。知道了光伏電池板是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的基本核心部件。同時(shí)，從第一代的最后以硅片為基礎(chǔ)的材料，到第二代基于薄膜技術(shù)的光電材料，再到第三代高轉(zhuǎn)換效率的薄膜光伏電池，無不展示了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程。最后圍繞提高光電轉(zhuǎn)換效率以及降低電池材料的成本兩大光伏發(fā)電材料研究熱點(diǎn)敘述了未來光伏電池材料的發(fā)展趨勢(shì)的主流方向。新興綠色能源的應(yīng)用是當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢(shì)，在新近的SNEC第六屆國(guó)際太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)及光伏工程展覽會(huì)上，我們更是看到了光伏發(fā)電技術(shù)的重大突破。我們相信科技創(chuàng)造未來，生活因此而改變。參 考 文 獻(xiàn)1 昌金銘 國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電的新進(jìn)展,2007. 2 任新兵 太陽(yáng)能光伏發(fā)電工程技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社,20123 黃寶圣 太陽(yáng)能電池的新進(jìn)展J 化學(xué)教育，2002 5 趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉英，等 太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用M科學(xué)出版社，2005The development and application of the photovoltaic materialAbstract: solar photovoltaic power generation technology is set for the semiconductor material, power electronic technology, modern control technology, battery technology and power engineering technology in an integrated technology is the new energy field a hot topic in the research area. This paper introduces the concepts of photovoltaic power generation technology, this