化學(xué)物理太陽能電池

1、 華中師范大學(xué)化學(xué)物理課程論文論文題目 太陽能電池 姓名學(xué)號 袁生 2012213815 專業(yè)班級 物理學(xué)一班 課程編號 83824101 授課教師 祝志宏 完成時間 2015 年 1 月 5 日 太陽能電池摘 要：本文主要從太陽能電池的簡介、發(fā)展歷史、原理及種類、產(chǎn)業(yè)面臨的瓶頸、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等方面來介紹太陽能電池，最后得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：太陽能電池 簡介 發(fā)展歷史 瓶頸 發(fā)展 納米晶 一、簡介 太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，pho

2、to光，voltaics伏特，縮寫為PV），簡稱光伏。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的實施太陽能電池則還處于萌芽階段。 二、發(fā)展歷史 環(huán)境的污染與能源（資源）的短缺是人類在21 世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn), 太陽能電池的出現(xiàn)好比一道新的曙光成為破解上述2 大難題的最佳方案。1839 年法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的“光伏效應(yīng)”為太陽能電池的問世奠定了理論基礎(chǔ), 1854年美國貝爾研究所首先研制成功了第一塊實用型的單晶太陽能電池, 當(dāng)時的效率僅為6% 。1958 年美國先鋒1 號人造衛(wèi)星首先使用太陽能電池為電源。20

3、 世紀(jì)60 年代至80 年代, 由于能源危機的影響, 太陽能的發(fā)展步入了一個新的高潮, 此時單晶硅太陽能電池效率已達(dá)20% 。20 世紀(jì)90 年代至今, 太陽能電池已廣泛地被各國政府推廣使用。1997 年, 德國和美國先后推出了各自的“太陽能屋頂計劃”, 同年日本和歐盟也提出至2010 年底將分別生產(chǎn)37 億、43 億WP（太陽能電池峰值功率）的光伏電池。 三、原理及種類 光熱電轉(zhuǎn)換方式：利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電, 一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)（蒸汽）的勢能和動能, 再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉(zhuǎn)換過程; 后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程, 與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的

4、缺點是效率很低而成本很高, 其投資估計至少要比普通火電站高5 10 倍。一座1 000 MW 的太陽能熱電站需要投資20 25 億美元, 平均每千瓦的投資為2 000 2 500 美元。因此, 目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合, 而大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算, 還不能與普通的火電站或核電站相競爭。 光電直接轉(zhuǎn)換方式：該方式是利用光電效應(yīng), 將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能, 光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來, 就可以成為較大輸出功率的太陽能電池方陣。太陽能電池是一種大有前途的新型電源, 具有永久性、清潔性和

5、靈活性三大優(yōu)點。太陽能電池壽命長, 只要太陽存在, 太陽能電池就可以一次投資而長期使用; 與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比, 太陽能電池不會引起環(huán)境污染; 太陽能電池可以大中小并舉,大到百萬千瓦的中型電站, 小到只供一戶用的太陽能電池組, 這是其他電源無法比擬的。 對太陽能電池材料的要求：對太陽能電池材料一般的要求有:(1)半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬。(2)要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。(3)材料本身對環(huán)境不造成污染。(4)材料便于工業(yè)化生產(chǎn), 且材料性能穩(wěn)定。 基于以上幾個方面考慮, 硅是最理想的太陽能電池材料, 這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 以其他材料為

6、基礎(chǔ)的太陽能電池也越來越顯示出誘人的前景。 太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、V族（GaAs,InP等）、族（Cds系）和磷化鋅 (Zn 3 p 2 ）等。 太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中

7、居主導(dǎo)地位。 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%（截止2011，為18%）。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%（截止2011，為17%）。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場

8、上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 多晶體薄膜 多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的

9、吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 有機聚合物 以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池

10、的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。 納米晶 納米晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10壽命能達(dá)到20年以上。此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，不久的將來會逐步走上市場。 有機薄膜 有機薄膜太陽能電池，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機材料制成的。 染料敏化 染料敏化太陽

11、能電池，是將一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射，生成自由電子和空穴。自由電子被TiO2吸收，從電極流出進(jìn)入外電路，再經(jīng)過用電器，流入電解液，最后回到色素。染料敏化太陽能電池的制造成本很低，這使它具有很強的競爭力。它的能量轉(zhuǎn)換效率為12%左右。 塑料電池 塑料太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，其成本低廉、環(huán)保。但塑料太陽能電池尚不成熟，預(yù)計在未來5年到10年，基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術(shù)將走向成熟并大規(guī)模投入使用。 四、太陽能電池產(chǎn)業(yè)的瓶頸 世界太陽能電池產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模, 1994年 2003 年的十年內(nèi)平均

12、年增長率達(dá)30%,2003 年全球生產(chǎn)太陽能電池的總產(chǎn)能為742 MW, 其中日本約為364 MW, 差不多占了一半。2003 年太陽能電池產(chǎn)能按廠商排名為: 日本夏普( Sharp) 198 MW、美國殼牌(Shell Solar ) 77 MW、日本京瓷( Kyocera )72 MW和美國BP Solar 70 MW, 這4 家公司的生產(chǎn)總量就占了全球的一半多, 可見太陽能電池產(chǎn)業(yè)尚未走出壟斷境地。目前, 太陽能電池的推廣應(yīng)用主要還是靠政府投資和政策扶持, 日本通過政府補助部分經(jīng)費, 推廣個人住宅太陽能發(fā)電系統(tǒng)( 3 kW 4 kW) ,1994 年 1998 年累計住宅17 084 套

13、, 裝機容量約64 MW。而阻礙太陽能電池推廣應(yīng)用的瓶頸還是成本太高,雖然日本個人住宅太陽能發(fā)電系統(tǒng)( 3 kW) 每套的價格從1994年的600 萬日元降到1998 年的300 萬日元, 現(xiàn)在約為210 萬日元( 折合人民幣16.4 萬元) , 即使按這個價格計算, 考慮其使用壽命和日照時數(shù), 發(fā)電成本也還是遠(yuǎn)高于目前的市電價格, 因此太陽能電池的推廣應(yīng)用仍寄希望于電池價格的進(jìn)一步降低。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格包括太陽能電池組件、蓄電池、轉(zhuǎn)換電路及安裝費用, 而太陽能電池組件又包括太陽能電池單元和封裝。太陽能電池單元的價格約占整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一半, 因此, 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格主要取決于太陽

14、能電池單元的材料和制造成本。太陽能電池作為一種商品, 要想在市場上受歡迎就必須有較高的性價比, 也就是說太陽能電池單元的材料和制造成本以及制造過程中能源的消耗都要達(dá)到市場和消費者可接受的程度。 五、太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 為了降低太陽能電池單元的制造成本,首先, 要減少材料消耗。結(jié)晶型太陽能電池用厚度為0􀀁3 mm 0􀀁5 mm 的單晶或多晶硅片, 進(jìn)一步減薄受到強度的限制。而薄膜型太陽能電池可用廉價的玻璃基片或柔性材料作基片, 吸收層厚度為微米級; 其次, 要減少制造過程中的能耗。單晶硅或多晶硅太陽能電池的制造要用1 000°C高溫擴散和850&#

15、176;C燒結(jié)烘烤, 電阻加熱爐需消耗大量電力, 非晶硅太陽能電池用等離子體薄膜工藝只要300 °C左右的溫度, CuInGaSe 薄膜太陽能電池制造時的能耗僅等于其一年的發(fā)電量; 第三, 要提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電特性的長期穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換效率高則單位時間內(nèi)的發(fā)電量多, 在使用環(huán)境下性能穩(wěn)定則使用壽命長, 累計發(fā)電量多; 第四, 要減少生產(chǎn)線設(shè)備投資, 降低太陽能電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)入門檻, 這就要求對電池材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn), 用國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備; 第五, 要擴大生產(chǎn)規(guī)模和采用更大面積的基片。生產(chǎn)規(guī)模越大平均成本就越低, 但擴大生產(chǎn)模又受到市場訂單的制約, 訂單多少反過來又取決于電池價格。此外, 使用大面積基片可大幅度降低成本是被硅器件生產(chǎn)所證明了的。 六、結(jié)論 太陽能電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展, 給困擾人類社會物質(zhì)文明可持續(xù)發(fā)展的能源危機和環(huán)境污染問題的解決帶來了曙光。但成本和價格是擺在我們面前的攔路虎, 太陽能電池產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展有賴于進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率,并降低生產(chǎn)成本及減少生