太陽能電池的種類特點及發(fā)展趨勢

1、太陽能電池的種類特點及發(fā)展趨勢一、 種類按照材料分類Ø 硅太陽能電池：以硅為基體材料（單晶硅、多晶硅、非晶硅）Ø 化合物半導(dǎo)體太陽能電池：由兩種或兩種以上的元素組成具半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池(硫化鎘、砷化稼、碲化鎘、硒銦銅、磷化銦)Ø 有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池：用含有一定數(shù)量的碳碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的電池(分子晶體、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物、高聚物)單晶硅太陽電池特點硅系列太陽能電池中，單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最成熟，高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)成熟的加工工藝基礎(chǔ)上。提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)

2、處理和分區(qū)摻雜工藝。單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本據(jù)高不下，嚴(yán)重影響了其廣泛應(yīng)用。單晶硅太陽能電池的特點是對于大于0.7m的紅外光也有一定的靈敏度。以p型單晶硅為襯底，其上擴(kuò)散n型雜質(zhì)的太陽能電池與n型單晶硅為襯底的太陽能電池相比，其光譜特性的峰值更偏向左邊（短波長一方）。它對從藍(lán)到紫色的短波長（波長小于0.5m）的光有較高的靈敏度，但其制法復(fù)雜，成本高，僅限于空間應(yīng)用。此外，帶狀多晶硅太陽能電池的光譜特性也接近于單晶硅太陽能電池的光譜特性。鑄造多晶硅Ø 結(jié)晶形態(tài)分單晶硅

3、多晶硅非晶硅高純多晶硅薄膜多晶硅帶狀多晶硅區(qū)熔單晶硅直拉單晶硅1. 多晶硅太陽電池特點單晶硅太陽能電池的缺點是制造過程復(fù)雜，制造電池的能耗大。為解決這些問題，用澆鑄法或晶帶法制造的多晶硅太陽能電池的開發(fā)取得了進(jìn)展。在1976年證明用多晶硅材料制作的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已超過10%，對大晶粒的電池，有報道效率可達(dá)20%。這種低成本的多晶硅太陽能電池已經(jīng)大量生產(chǎn)，目前，它在太陽能電池工業(yè)中所占的分額也相當(dāng)大。但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構(gòu)化困難。單晶、多晶與非晶的區(qū)別多晶：短程有序（團(tuán)體有序），成百上千個原子尺度，通常是在微米的量級；非晶：局

4、部有序（個體有序），微觀尺度，幾個原子、分子尺度，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍；單晶：長程有序（整體有序），宏觀尺度，通常包含了整塊固體材料。盡管多晶硅材料由于存在晶粒間界而不利于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高。但因為制備多晶硅材料比制備單晶硅材料要便宜得多，所以研究人員正致力于減少顆粒間界的影響以期得到低成本多晶硅太陽能電池。鑄造多晶硅Ø 結(jié)晶形態(tài)分單晶硅多晶硅非晶硅高純多晶硅薄膜多晶硅帶狀多晶硅區(qū)熔單晶硅直拉單晶硅發(fā)展趨勢晶硅太陽電池向薄片化方向發(fā)展 硅片減薄 硅片是晶硅電池成本構(gòu)成中的主要部分。 降低硅片厚度是結(jié)構(gòu)電池降低成本的重要 技術(shù)方向之一。 迄今為止，多晶硅太陽能電池經(jīng)過不斷

5、的努力，其能量轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池已基本上在同一個數(shù)量級。特別是多晶硅薄膜可以制成方形，在制作太陽能電池組件時面積利用率高。 今后，在如何開發(fā)新技術(shù)以得到低價格的多晶硅材料，如何得到高效率、大面積多晶硅太陽能電池等方面還有許多工作可做。雖然晶體硅太陽能電池被廣泛應(yīng)用，占據(jù)太陽電池的主要市場。但是，晶體硅的禁帶寬度Eg=1.12eV，太陽能光電轉(zhuǎn)換理論效率相對較低；硅材料是間接能帶材料，在可見光范圍內(nèi)，硅的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它太陽能光電材料，如同樣吸收95以上的太陽光，GaAS太陽電池只需要510m，而硅太陽電池在150200m以上，才能有效地吸收太陽能；晶體硅材料需要多次提純，成本較高

6、；硅太陽電池尺寸相對較小，若組成光伏系統(tǒng)，要用數(shù)十個相同的硅太陽電池連接起來，造成系統(tǒng)成本較高。2. 薄膜太陽電池（非晶硅）非晶硅太陽電池硅基薄膜太陽電池有機(jī)電池Ø 薄膜太陽能電池砷化稼薄膜太陽電池CdTe薄膜太陽電池CuInSe薄膜太陽電池化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池染料敏化太陽電池多晶硅太陽電池特點具有重量輕、工藝簡單、成本低和耗能少等優(yōu)點。太陽能電力如果要與傳統(tǒng)電力進(jìn)行競爭，其價格必須要不斷地降低，而這對單晶硅太陽能電池而言是很難的，只有薄膜電池，特別是下面要介紹的非晶硅太陽能電池最有希望。因而它在整個半導(dǎo)體太陽能電池領(lǐng)域中的地位正在不斷上升。同晶體硅太陽電池相比，非晶硅太陽能電池

7、的優(yōu)點1非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。2非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。材料和制造工藝成本低、設(shè)備簡單；而且非晶硅薄膜厚度僅有數(shù)千埃，不足晶體硅太陽電池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉積溫度為100300ºC。由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題。因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，如不銹鋼、塑料甚至廉價的玻璃襯底。易于形成大規(guī)模的生產(chǎn)能力，這是因為非晶硅適合制

8、作特大面積、無結(jié)構(gòu)缺陷的薄膜，生產(chǎn)可全流程自動化，顯著提高勞動生產(chǎn)率。（最大1100mm*1250mm單結(jié)晶非晶硅太陽電池）多品種和多用途，不同于晶體硅，在制備非晶硅薄膜時，只要改變原材料的氣相成分或氣體流量，便可使非晶硅薄膜改性，制備出新型的太陽電池結(jié)構(gòu)；并且根據(jù)器件功率、輸出電壓和輸出電流的要求，可以自由設(shè)計制造，方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。易實現(xiàn)柔性電池，非晶硅可以制備在柔性的襯底上，而且其硅原子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能特殊，因此，它可以制備成輕型、柔性太陽電池，易于與建筑集成。制備非晶硅太陽能電池能耗少，約100千瓦小時，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短得多。非晶硅太陽能電池的缺點與晶

9、體硅相比，非晶硅薄膜太陽電池的效率相對較低，在實驗室中電池的穩(wěn)定最高光電轉(zhuǎn)換效率只有13左右。在實際生產(chǎn)線中，非晶硅薄膜太陽電池的效率也不超過10； 非晶硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率在太陽光的長期照射下有一定的衰減，到目前為止仍然未根本解決。所以，非晶硅薄膜太陽電池主要應(yīng)用于計算器、手表、玩具等小功耗器件中。發(fā)展趨勢作為非常有希望的低成本太陽能電池，開發(fā)新結(jié)構(gòu)，提高效率和穩(wěn)定性，將會使非晶硅太陽能電池在民用及獨立電源系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。多晶硅薄膜太陽能電池：特點多晶硅電池既具有晶體電池的特點，又具有非晶硅電池成本低，設(shè)備簡單且可以大規(guī)模制備等優(yōu)點。多晶硅薄膜與非晶硅一樣，具有低成本、大面積和制

10、備簡單的優(yōu)勢。它的襯底便宜，硅材料用量少，而且沒有光衰減問題，結(jié)合了晶體硅和非晶硅材料的優(yōu)點，但是，由于晶粒較小等原因，其太陽能光電轉(zhuǎn)換效率依然較低，到現(xiàn)在為止，尚未有大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。多晶硅薄膜主要分為兩類：一類是晶粒較大，完全由多晶硅顆粒組成；另一類是由部分晶化、晶粒細(xì)小的多晶硅鑲嵌在非晶硅中組成。發(fā)展趨勢在多晶硅薄膜研發(fā)中，目前人們非常關(guān)注：如何在廉價的襯底上，能夠高速、高質(zhì)量地生長多晶硅薄膜；多晶硅薄膜的制備溫度要盡量低，以便選用低價優(yōu)質(zhì)的襯底材料；多晶硅薄膜電學(xué)性能的高可控性和高重復(fù)性。因此多晶硅薄膜被認(rèn)為是理想的新一代的太陽能光電材料著重研究的問題：Ø 大面積、大晶粒薄膜的

11、生長技術(shù)Ø 進(jìn)一步提高薄膜的生長速率Ø 薄膜的缺陷控制技術(shù)Ø 優(yōu)質(zhì)、價廉襯底材料的研發(fā)Ø 電池優(yōu)良設(shè)計、表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)的研究化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池：（第7個PPT）3、GaAs太陽電池化合物半導(dǎo)體材料大多是直接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)較高，因此，僅需要數(shù)微米厚的材料就可以制備成高效率的太陽電池。而且，化合物半導(dǎo)體材料的禁帶寬度一般較大，其太陽電池的抗輻射性能明顯高于硅太陽電池。由于其生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、能耗大、生產(chǎn)周期長，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，難以與硅太陽電池相比，所以僅用于部分不計成本的空間太陽電池上。Ø 與太陽光譜匹配良好，具有高的光電

12、轉(zhuǎn)換效率，是很好的高效太陽電池材料。Ø 由于禁帶寬度相對較大，可在較高溫度下工作。Ø GaAs材料對可見光的光吸收系數(shù)高，使大部分的可見光在材料表面2m以內(nèi)就被吸收，電池可采用薄層結(jié)構(gòu)，相對節(jié)約材料。Ø 高能粒子輻射產(chǎn)生的缺陷對GaAs中的光生電子空穴復(fù)合的影響較小，因此電池的抗輻射能力較強(qiáng)。Ø 較高的電子遷移率使得在相同的摻雜濃度下，材料的電阻率比Si的電阻率小，因此由電池體電阻引起的功率損耗較小。Ø p-n結(jié)自建電場較高，因此光照下太陽電池的開路電壓較高。ØGaAs太陽電池發(fā)展趨勢GaAs疊層電池的設(shè)計，關(guān)鍵是調(diào)節(jié)各子電池材料的帶

13、隙、各個異質(zhì)結(jié)之間的帶隙匹配及各子電池的厚度，使各子電池之間的電流匹配，盡可能大的吸收和轉(zhuǎn)換太陽光譜的不同子域，以獲得最大的能量輸出，從而大大提高電池的轉(zhuǎn)換效率。 優(yōu)化GaAs疊層電池的結(jié)構(gòu)仍然是研究的重點，為更好的提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，在疊層電池設(shè)計中采用聚光技術(shù)成為開發(fā)的新熱點。GaAs疊層太陽能電池由于制造成本較高，尚未大量進(jìn)入地面應(yīng)用市場，目前主要應(yīng)用于空間電源系統(tǒng)。但由于其具有超高轉(zhuǎn)換效率、強(qiáng)抗輻照性等獨特性能，因此隨著制備工藝的進(jìn)步和聚光技術(shù)及跟蹤系統(tǒng)技術(shù)的成熟，相信其地面應(yīng)用前景更加美好。5、CuInSe2太陽電池薄膜材料是另一種重要的太陽能光電材料，它屬于I-III-VI族，

14、這種薄膜材料的光吸收系數(shù)較大。 CuInSe2的禁帶寬度為1.02eV，太陽電池光電轉(zhuǎn)換理論效率在2530左右，而且只需要12m厚的薄膜就可以吸收99以上的太陽光，從而可以大大降低太陽電池的成本，因此，它是一種具有良好發(fā)展前景的太陽電池。 目前，在實驗室中CuInSe2太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過19，在國際上也已經(jīng)投入了商業(yè)化生產(chǎn)。 由于CIS（CIGS）薄膜材料是多元組成的，元素配比敏感，多元晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與多層界面匹配困難； 材料制備的精度要求、重復(fù)性要求和穩(wěn)定性要求很高，因此，材料的制備技術(shù)難度高； 最大的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素 ，這也潛藏著一個成本的問題。C

15、dS薄膜作為窗口層具有很多優(yōu)點，但也有其弱點，如對人體有害、污染環(huán)境等CuInS2由于具有良好的性質(zhì)，被認(rèn)為是一種非常有前途的太陽電池材料，但是它仍處在研究階段，沒有規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，主要問題包括：如何開發(fā)最佳的沉積技術(shù)、生產(chǎn)工藝，以降低成本，適應(yīng)大規(guī)模、低成本生產(chǎn)；如何理解CuInS2薄膜生長機(jī)理及缺陷作用，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。4、CdTe太陽電池除-化合物半導(dǎo)體材料和太陽電池以外，-化合物半導(dǎo)體材料在太陽能光電轉(zhuǎn)換方面也得到了廣泛的關(guān)注，其中CdTe、CuInSe2(CuInS)材料和電池是其中的典型。 CdTe多晶薄膜的禁帶寬度為1.45eV，太陽電池光電轉(zhuǎn)換理論效率在30左右，是一種

16、高效、穩(wěn)定且相對低成本的薄膜太陽電池材料，而且CdTe太陽電池結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，是近年來國內(nèi)外太陽電池研究的熱點之一。 目前，在實驗室中CdTe太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過16，在國際上也已經(jīng)小規(guī)模生產(chǎn)。缺點 在常溫下CdTe是相對穩(wěn)定和無毒的，但是Cd和Te是有毒的，在實際工藝制備CdTe薄膜時，并非所有的Cd2+都會沉積成薄膜，也會隨著廢氣、廢水等排出 制備CdS薄膜時，多采用化學(xué)浴方法，溶液中存在大量的Cd2+ 地球上的Cd和Te資源十分有限，特別是稀有元素，這也潛藏著一個成本的問題CdTe太陽能電池在具備上述許多有利于競爭的因素下，在2002年其全球市占率僅0.42，20

17、00年時全球交貨量也不及70MW，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過10，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點： 模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的 53。 碲天然運藏量有限，其總量勢必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。 鎘的毒性，使人們無法放心的 接受此種光電池。6、有機(jī)太陽電池優(yōu)點 化學(xué)可變性大，原料來源廣泛； 有多種途徑，可改變和提高材料光譜吸收能力、擴(kuò)展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力； 加工容易可大面積成膜，可采用旋轉(zhuǎn)法流延法成膜，可進(jìn)行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用L.B膜技術(shù)可在分子水平控制膜的厚度； 易進(jìn)行物理改性如采用高能離

18、子注入摻雜或輻照處理以提高載流子的傳導(dǎo)能力，減小電阻損耗提高短路電流； 電池制作可多樣化； 價格便宜，有機(jī)染料高分子半導(dǎo)體等的合成工藝比較簡單，如酞菁類染料早已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。缺陷及原因 與無機(jī)硅太陽能電池相比，在轉(zhuǎn)換效率、光譜響應(yīng)范圍、電池的穩(wěn)定性方面，有機(jī)太陽能電池還有待提高。各種研究表明，決定光電效率的基本損失機(jī)制主要有： 半導(dǎo)體表面和前電極的光反射； 禁帶越寬沒有吸收的光傳播越大； 由高能光子在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生的電子和空穴的能量驅(qū)散； 光電子和光空穴在光電池的光照面和體內(nèi)的復(fù)合； 有機(jī)染料的高電阻和低的載流子遷移率。展望(1) 優(yōu)化電池表面結(jié)構(gòu)，將電池表面反射的光重新集聚進(jìn)入電池；(2) 使用抗反射鍍膜俘獲光子和制造多結(jié)多禁帶結(jié)構(gòu)電池捕獲寬波長的光子從而獲得合理的光子吸收效率；(3) 使用低電阻率和小覆蓋面的金屬