第七章太陽能電池

1、 太陽能電池技術1、引言2、太陽能電池的工作原理與特點3、太陽能電池的分類4、國外太陽能電池的發(fā)展趨勢5、國內太陽能電池發(fā)展現狀6、當今國內外新型高效太陽能電池技術引言 隨著環(huán)境污染和能源枯竭等問題的日益突出，近年來，世界各國競相實施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生綠色能源，充分利用太陽能資源有利于環(huán)境的改善。 太陽向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.81023 kW，其中20億分之一到達地球大氣層，到達地球大氣層的太陽能有30被大氣層反射，23被大氣層吸收，其余的到達地球表面，功率約為800000億kW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于燃燒500萬噸煤釋放的能

2、量。太陽能資源的優(yōu)缺點及利用方式優(yōu)點：（1）普遍；（2）無害；（3）巨大； （4）長久 。 缺點： （1）分散性；（2）不穩(wěn)定性。 太陽能的利用方式 （1）太陽能的熱利用 所用設備有 平板式太陽能集熱器、真空管集熱器 、箱式太陽灶具等。 （2）太陽能的光電利用 利用太陽能電池將太陽能轉換成電能。 （3）光化學利用。太陽能電池的發(fā)展歷史太陽能電池的發(fā)展歷史 1954 1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用于空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為用于空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為8 8。19731973年世

3、界爆發(fā)石年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關注，近油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關注，近1010幾年來，隨著幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現。一些發(fā)達國家性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電為太陽能電池產業(yè)創(chuàng)

4、造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能池產業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設備業(yè)的發(fā)展。在電池設備業(yè)的發(fā)展。在1997199720062006年的年的1010年中，世界光伏產業(yè)擴大了年中，世界光伏產業(yè)擴大了2020倍，今后倍，今后1010年世界光伏產業(yè)仍以每年年世界光伏產業(yè)仍以每年3030以上的增長速度發(fā)展。以上的增長速度發(fā)展。世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點v1954 美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6v1955 第一個

5、光伏航標燈問世，美國第一個光伏航標燈問世，美國RCA發(fā)明發(fā)明Ga As太陽能電池太陽能電池v1958 太陽能電池首次裝備于美國先鋒太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉換效率為號衛(wèi)星，轉換效率為8。v1959 第一個單晶硅太陽能電池問世。第一個單晶硅太陽能電池問世。v1960 太陽能電池首次實現并網運行。太陽能電池首次實現并網運行。v1974 突破反射絨面技術，硅太陽能電池效率達到突破反射絨面技術，硅太陽能電池效率達到18。v1975 非晶硅及帶硅太陽能電池問世非晶硅及帶硅太陽能電池問世v1978 美國建成美國建成100KW光伏電站光伏電站v1980 單晶硅太陽能電池效率達到單晶硅太陽能電池

6、效率達到20多晶硅為多晶硅為14.5，Ga As為為22.5v1986 美國建成美國建成6.5KW光伏電站光伏電站v1990 德國提出德國提出“2000光伏屋頂計劃光伏屋頂計劃”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太陽能電池問世，效率達太陽能電池問世，效率達32。v1997 美國提出美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽光計新陽光計劃劃”v1998 單晶硅太陽能電池效率達到單晶硅太陽能電池效率達到24.7，荷蘭提出，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃百萬光伏屋頂計劃”v2000 世界太陽能電池總產量達世界太陽能電池總產量達287MW，歐洲計劃，歐

7、洲計劃2010年生產年生產60億瓦光伏億瓦光伏電池電池并網發(fā)電系統(tǒng)及工作原理太陽能電池的結構及工作原理太陽能電池的結構及工作原理 上面是摻有5價元素磷、并依靠大量電子導電的N型半導體。下面是摻有三價元素硼、并依靠空穴導電的P型半導體。界面處即為PN結。N型半導體表面布有很細的金屬柵線，另一面緊貼P型硅。為了減少反射，整個電池表面覆蓋一層透明的減反射模。太陽能電池發(fā)電原理 當太陽光照射到電池表面時，大部分光線穿過減反射膜進入硅電池，其中能量大于禁帶寬度的光子被硅吸收以后激發(fā)出光生載流子，在N區(qū)產生的光生空穴向PN結擴散，并被內電場推向P區(qū)，P區(qū)的光生電子則被推向N區(qū)。因此在被照射的太陽能電池中，

8、N區(qū)積累了大量的電子，而P區(qū)積累了大量的空穴，在PN結兩側出現了光生電動勢。若在兩電極間接上負載，則會有光生電流通過負載，從而能完成了將太陽光能轉換成電能的過程。太陽能電池的特點 太陽能電池具有綠色環(huán)保、沒有運動部件、建設周期短、維護簡單、安全可靠等，同時，太陽能光伏還具有降低溫室氣體和污染物排放、保證能源安全等優(yōu)勢。符合當今世界的環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求和趨勢，它的應用十分廣泛。 評價太陽能電池的指標 1、開路電壓（ ）：當電勢增長到正向電流恰好抵消光致電流時達到穩(wěn)定狀態(tài)，這時的電勢差稱為開路電壓。 2、短路電流 ：當外接負載很低時流過電路的電流等于光致電流，稱為短路電流。 3、填充因子（

9、FF）：電池最大輸出功率與開路電壓與短路電流乘積的比值。實際中為0.6-0.75 。 評價太陽能電池的指標 4、光電轉換效率(IPCE)：單位時間內轉移到外電路的電子數與入射的光子數之比。 5、能量轉換效率 ：太陽能電池的最大功率輸出與入射太陽光的能量 之比。 太陽能電池的分類 太陽能電池根據所使用的材料的不同，可以分為晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池、有機物太陽能電池、納米晶太陽能電池。太陽能電池分類太陽能電池分類按結構按結構分類分類同質結同質結太陽電池太陽電池異質結異質結太陽電池太陽電池肖特基肖特基太陽電池太陽電池按材料按材料分類分類硅太陽硅太陽電池電池敏化納米晶敏化納米晶太陽電池太陽電池有

10、機化合物有機化合物太陽電池太陽電池塑料塑料太陽電池太陽電池無機化合物無機化合物半導體半導體太陽電池太陽電池按光電轉換按光電轉換機理機理傳統(tǒng)傳統(tǒng)太陽電池太陽電池激子激子太陽電池太陽電池種類種類材料材料轉換效率（）轉換效率（） 優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點晶硅太陽能電池單晶硅24.70.5耐用、轉換效率高，技術成熟，壽命長制造能耗高，成本高，工藝復雜多晶硅20.30.5生產成本較低，工藝簡單，適合大規(guī)模生產效率低于單晶硅薄膜太陽能電池非晶硅11.70.4成本低，工藝簡單，在弱光下也可以工作轉換效率偏低，且存在光致衰減問題砷化鎵（GaAs）24.50.5光學帶隙十分理想，較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏

11、感材料價格不菲碲化鎘（CdTe）16.50.5效率較高，成本低廉，穩(wěn)定，易于規(guī)模生產原材料鎘有劇毒銅銦鎵硒（CIGS）19.50.8價格低廉，性能良好，工藝簡單銦和硒比較稀有有機太陽能電池有機物3.00.1有韌性，成本低廉，選擇余地大，加工容易，可制造面積大對光的吸收率低，導致轉換效率低納米晶化學太陽能電池染料敏化TiO210具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學穩(wěn)定性，成本低廉，工藝簡單敏化劑的制備成本高太陽能電池的應用太陽能電池的應用 上世紀上世紀6060年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術術通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過通信衛(wèi)星供電，

12、上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電

13、系統(tǒng)公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結合已經形成產業(yè)化趨勢建筑系統(tǒng)的結合已經形成產業(yè)化趨勢 v用戶太陽能電源用戶太陽能電源1.1.小型電源小型電源10-100W10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等電視、收錄機等 太陽能電源太陽能電源 太陽能逆變器太陽能逆變器2. 3-5KW2. 3-5KW家庭屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)；家庭屋頂并網發(fā)

14、電系統(tǒng)；3.3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉v 交通領域交通領域 如航標燈、交通如航標燈、交通/ /鐵路信號燈、交通警示鐵路信號燈、交通警示/ /標志燈、標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路路燈、高空障礙燈、高速公路/ /鐵路無線電話亭、鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。無人值守道班供電等。v通訊通訊/ /通信領域通信領域 太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/ /通訊通訊/ /尋呼電源系統(tǒng)；農村載波電話光伏系統(tǒng)、小尋呼電源系統(tǒng)；農村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵型通信機、士兵GPSGPS供

15、電等。供電等。v石油、海洋、氣象領域石油、海洋、氣象領域 石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/ /水文觀測設備等水文觀測設備等 風云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池風云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池海洋氣象監(jiān)測標 v家庭燈具電源家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。v光伏電站光伏電站10KW-50MW10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電

16、站、各獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。種大型停車廠充電站等。國外太陽能電池的發(fā)展趨勢(1)晶硅電池追求降低成本與制造能耗新一代多晶硅工藝技術研究空前活躍繼續(xù)向高效化、薄型化和大面積方向進展降低每瓦成本轉換效率越來越高：14%18%20%；硅片面積越來越大：從103mm103mm125mm125mm156mm156mm210mm210mm（目前主流），未來兩年將達到210 mm 210 mm； 硅片越來越?。?00m270m210m180m。100m的厚度正在研發(fā)。（2 )薄膜太陽能電池在未來5年將成為主流 薄膜電池具有安全、可折疊、方便連接、輕巧、抗熱性能好、不易破損

17、等特點。目前，世界上至少有40個國家正在開展低成本、大面積、高效率的薄膜電池的實用化技術研究，先后發(fā)展了非晶硅、碲化鎘、CIS等薄膜電池。 市場預測，近期薄膜電池的需求增長速度將是晶硅電池的兩倍，2013年之前薄膜硅和晶硅電池都在發(fā)展，但2013年后薄膜硅電池將成主流。（3）基于新材料、新結構和新工藝等下一代新型太 陽能電池不斷涌現。國內太陽能電池的發(fā)展現狀 20032007年5年間，世界太陽能電池的平均增長速度為35，而中國太陽能電池年平均增長速度高達150%。2007年中國光伏電池年產量約1GW，占世界的1/4，僅次于日本和歐洲位居全球第三。20062007年，陸續(xù)有10家中國光伏企業(yè)在海

18、外上市。盡管如此，由于面臨越來越激烈的市場競爭和硅材料短缺等問題，中國的太陽能電池行業(yè)存在著嚴重的問題。 我國太陽能產業(yè)的特征 （1）在材料電池片組件應用系統(tǒng)產業(yè)鏈中，呈現明顯的小頭大尾現象，組件及應用系統(tǒng)因其技術門檻和投資門檻低、投資見效快，生產廠家的數量遠多于上游企業(yè)； （2）位于產業(yè)源頭的硅材料嚴重依賴于歐美日等國，應用市場主要依賴于國際市場。硅原料短缺成為制約我國太陽能電池產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。 目前，太陽能電池的性能不斷改進，主要目的是降低生產成本，提高光電轉換效率。作為太陽能電池材料，其中: （1）由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成

19、為市場的主導產品； （2）-族化合物及銅銦鎵硒（CIGS）等屬于稀有元素，盡管轉換效率高，但從材料看，該類電池不可能占據主導地位；CdTe太陽能電池受到主要原料鎘有毒的影響，他的推廣必須搭配龐大的回收體系，目首前廠商投入較少。 CIGS電池的高轉換效率（目前產品轉換效率據各類薄膜電池之首）以及c-Si(含堆棧型電池)的大面積生產優(yōu)勢，則獲得更多廠商積極的追捧，未來也都有市場的發(fā)展空間。（3）染料敏化納米TiO2薄膜太陽能電池的研究已經取得了喜人的成績，但存在敏化劑的制備成本以及液態(tài)電解質的易泄露、電極易腐蝕、電池壽命短等缺陷，使得制備全固態(tài)太陽能電池成為一個必然方向，但目前全固態(tài)太陽能電池的光

20、電轉換效率都不很理想。 納米晶太陽能電池以其高效、低價、無污染、長壽命的巨大優(yōu)勢挑戰(zhàn)未來，迅速成為廣大科學工作者研究的熱點和重點，隨著科技的發(fā)展以及研究的推進，這種太陽能電池應用前景廣闊無限。 制約太陽能電池轉換效率提高的內在因素有 1、材料的光譜特性造成的限制 由于材料各自禁帶寬度的限制，入射到電池材料表面的太陽光只有一部分能被吸收而發(fā)生光電轉換，且只對一種材料對應的峰值波長光子表現出較高的轉換效率。如硅光電池對波長在0.3811m區(qū)域的光子能有效的吸收，在峰值0.8m左右光電轉換效率最大。 2、材料內部載流子的復合造成的限制 產生于P區(qū)或是N區(qū)的電子-空穴對要通過濃度梯度導致的擴散到達結界

21、面處，之后由內建電場把他們分開。只有滿足離PN結的距離小于它們的擴散長度，才有可能對電荷積累產生貢獻。 提高太陽能電池轉換效率的實踐方法（1）通過結構改進和創(chuàng)新來提高轉換效率 非晶硅光學帶隙為1.7eV，對太陽輻射的長波長區(qū)不敏感，而且還存在S-W效應。解決途徑就是制備疊層太陽能電池：它把不同禁帶寬度的材料組合在一起，提高了光譜的響應范圍；電池頂層的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證該層中的光生載流子抽出；底電池產生的光生載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減小。 將電極作成手指狀，以增加入射光的面積。 將表面制成金字塔型的組織結構，并加入抗發(fā)射層，以減少光的反射量。 將電極均作在同一

22、平面，可增加入射光的面積，且易于焊接。 （2）開發(fā)新材料提高轉換效率 有機材料具有柔性好、制作容易、材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢。有機太陽能電池將使太陽能的利用變的便宜與充滿前景。納米材料太陽能電池具有廉價的成本、簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。 （3） 利用全新的構思來提高轉換效率 如果將搜集太陽能和完成光電轉化兩個過程進行分離，分別用一個高效的裝置去完成，將很大程度提高效率。用特殊的“聚光鏡”使吸收效率成很大倍數的增加，以及高效率的轉換器件。當今太陽能電池新技術（1） - 高效三階電池太陽能電池高效三階電池太陽能電池 三結GaAs電池具有很好的高溫特性，在高倍聚光時可獲得很高的輸出功率。以GaInP

23、/GaAs/Ge為主要部件的聚光太陽能電池效率達到40%以上，空間平均效率最高超過30%。2007年8月美國能源部的20倍聚光的的三結GaAs電池轉換效率達42.8%。 （2）高效聚光多結太陽能電池）高效聚光多結太陽能電池 利用菲涅耳透鏡或拋物面反射鏡來聚光，從而獲得高強度的太陽光，實現的主要技術難點是怎樣控制反射鏡來保證一直將太陽光反射到電池板上，還有就是電池板的冷卻技術（隨著溫度的升高太陽能電池的輸出效率會降低）。 據預測，使用三個以上的PN結、并改善材料與設計，將能夠達到58%的理論效率值。 在我國內蒙古鄂爾多斯市建立的建立的聚光光伏電站，采用八面體反射鏡圍成的聚光器或稱“光漏斗”和普通

24、光伏電池構成一個個分立的發(fā)電單元，這種新的聚光曲面和跟蹤方法比傳統(tǒng)聚光效果提高幾倍到幾十倍，并一次性實現了聚光與跟蹤同時進行的設計模式。 (3) 柔性柔性CIGS（銅銦鎵硒）太陽能電池）太陽能電池 這種半導體材料具有轉換率高、不易老化、經久耐用、耐放射線等優(yōu)點。由于十分輕薄，該材料制成的太陽能電池可以彎曲，可應于凹凸的墻面和物體表面。通過在CIGS材料層與基板之間鋪設堿化合物硅酸鹽玻璃層，可以大幅度促進CIGS材料層的能量轉換，轉換率達到17.7%,創(chuàng)造了世界紀錄。 (4) 可聚太陽能的玻璃窗可聚太陽能的玻璃窗 麻省理工學院的科學家按特殊比例混合至少兩種涂料制成一種聚能材料，涂料涂在特殊玻璃窗

25、或塑料嵌板上。這些涂料能一起工作以吸收大范圍的波長，然后以不同波長重新發(fā)射，并通過嵌板傳送給窗邊緣的太陽能電池上。這種可吸收大范圍波長的聚光器能使太陽能電池在每個波長上達到最優(yōu)解，大大減少了光線在傳輸途中的損失，最終由太陽能電池轉化而來的能量可達原來的十倍。 （5）印刷式太陽能電池）印刷式太陽能電池 Nanosolar采用在大氣中將銅銦鎵硒納米粉體直接噴灑于鋁箔之上，制成可彎曲的太陽能電池，藉由印刷制程，將這些粉體依正確的原子比例完整且均勻地沉積于基板上，該電池制備簡單、快速、產量大，所用設備便宜而且容易保養(yǎng)。由于使用了鋁箔作為基板，其導電率大大提高。 Nanosolar稱其實驗室產品轉換率可

26、達16，卻未公布其商業(yè)化產品轉換率，外界人士估計其僅有不到10。另外，銦和硒均屬稀有貴金屬，油墨法涂覆在鋁箔上的涂層是否能夠穩(wěn)定保持25年以及鋁是否比玻璃更好，這些都是應該擔心的問題。 (6) 半導體納米材料太陽能電池半導體納米材料太陽能電池 傳統(tǒng)的太陽能電池中，一個光子只能精確地釋放1個電子，而半導體納米晶體中，一個光子可釋放出2個或2個電子，這就是所謂的“雪崩效應”。釋放出的電子越多 ，太陽能電池的輸出功率越大，它的最大輸出能源效率將能達到44%。使用納米技術的新型太陽能供電系統(tǒng)，可以將回收成本的時間由原來的45年縮短至不超過1年。 同時可以將光電轉換電路印制在塑料薄膜材料上制成太陽能電池片，不僅使生產速度大大提高，而且印制的電路線寬僅有頭發(fā)直徑的十萬分之一，還可以卷曲，以收集更多的太陽能。 納米結構材料是在十億分之一米的尺度上制造的材料。 兩種制造太陽能電池材料的納米技術方法已經顯示出了特別的前景，參雜和量子點敏化都增強了金屬氧化物材料對可見光的吸收，將兩種方法結合起來，整個材料的功能