太陽能光伏材料的研究進(jìn)展

太陽能光伏材料的研究進(jìn)展

0太陽能光伏發(fā)電前景廣闊1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)，光可以在不同組件中之間產(chǎn)生電位差，這后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”。1954年,美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池,從此太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)誕生。如今太陽能電池的種類不斷增加,應(yīng)用范圍日益廣闊,市場規(guī)模逐步擴(kuò)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(chǎn)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(jì)劃。此外,美國還推出了“太陽能路燈計(jì)劃”,旨在讓美國一部分城市的路燈都改由太陽能供電,預(yù)計(jì)每盞路燈每年可節(jié)電800kWh。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(shù)及應(yīng)用材料的飛速發(fā)展,光電材料成本不斷下降,光電轉(zhuǎn)換效率逐漸升高,太陽能光伏發(fā)電將會越來越顯現(xiàn)出優(yōu)越性。光伏界專家認(rèn)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:(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)便于工業(yè)化生產(chǎn)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(yīng)用。1太陽能電池si的生產(chǎn)技術(shù)當(dāng)前,太陽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,它被用做人造衛(wèi)星、太陽能汽車的電源以及城市路燈或街頭時(shí)鐘的電源。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%,有可能提高到25%。盡管單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好的特點(diǎn),但由于單晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜,加工工藝繁瑣,致使單晶硅電池成本居高不下,因此依靠單晶硅大規(guī)模推廣太陽能電池是很難的。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,太陽電池生產(chǎn)的原料是半導(dǎo)體工業(yè)的邊角廢料。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。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和半導(dǎo)體工業(yè)復(fù)蘇,來自半導(dǎo)體行業(yè)的邊角廢料已經(jīng)不能滿足光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。為適應(yīng)光伏市場需求的持續(xù)穩(wěn)定增長,太陽能電池企業(yè)不得不以較高的價(jià)格購買半導(dǎo)體級硅來生產(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,多晶硅的需求量會越來越大。在未來幾年中,光伏產(chǎn)業(yè)將以25%~30%的速度增長,預(yù)計(jì)到2010年世界光伏產(chǎn)業(yè)市場需求多晶硅原料4.73t。雖然直接使用傳統(tǒng)氯化提純工藝生產(chǎn)太陽能級硅的技術(shù)成熟,但成本過高,且降低成本的潛力不大,因此不能滿足太陽能電池工業(yè)發(fā)展的需求。原材料短缺問題嚴(yán)重阻礙了太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。多晶硅太陽能電池制備的技術(shù)關(guān)鍵是結(jié)晶工藝,現(xiàn)在幾乎所有制備單晶硅高效電池的技術(shù)都適用于制備多晶硅薄膜電池工藝,多晶硅電池將有可能最終取代單晶硅電池成為光伏市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。非晶硅光電池一般是采用高頻輝光放電技術(shù)使硅烷氣體分解沉積而制成,可在玻璃,不銹鋼板,陶瓷板,柔性塑料上沉積約1μm厚的薄膜。該電池多采用p-in結(jié)構(gòu),易于大面積化,成本低。為提高效率和改善穩(wěn)定性,有時(shí)還制成3層p-in等多層疊層式結(jié)構(gòu),或是插入一些過渡層,其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長,居薄膜電池前幾位。非晶硅光電池小面積的轉(zhuǎn)換效率已提高到14.6%,大面積生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為8%~10%。a-Si非晶硅太陽電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢:(1)材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)椴Ａ?、不銹鋼、塑料等襯底材料的價(jià)格低廉;硅薄膜厚度僅有數(shù)百nm,昂貴的純硅材料用量很少;制作工藝為低溫工藝(100~300℃),生產(chǎn)耗電量小,能量回收時(shí)間短。(2)易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)閍-Si非晶硅太陽電池的核心工藝,適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜;只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)p-in結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu);生產(chǎn)可全流程自動化。(3)品種多,用途廣。a-Si太陽電池易于實(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)展為太陽能電池的主要產(chǎn)品之一,有很好的市場前景。我國硅太陽能光伏材料發(fā)展幾乎與世界光伏材料發(fā)展同時(shí)起步,在很多方面達(dá)到世界先進(jìn)水平,但目前存在硅材料緊缺和成本價(jià)格高的問題。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,近年出現(xiàn)了世界范圍的硅材料短缺,我國硅材料的生產(chǎn)受歐、美、日的技術(shù)要求限制,使其問題更為突出。目前我國每年硅材料缺口大約為3550t,因此,應(yīng)采取有力措施盡快擴(kuò)大硅材料的生產(chǎn)能力,研發(fā)并形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)太陽能級硅的能力。目前晶體硅光伏電池每峰瓦的生產(chǎn)成本為25~30元,成本和售價(jià)均高于國外的同類同質(zhì)產(chǎn)品,在國際市場上的競爭力不強(qiáng)。解決以上問題,一方面要尋求新的硅材料生產(chǎn)工藝,降低硅電池的價(jià)格,另一方面要積極研究新的太陽能材料。2cis光伏材料第二代太陽電池的核心是一種可粘接的薄膜。這種薄膜的優(yōu)勢:一是可以大批量、低成本地生產(chǎn);二是能更好地利用太陽能。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。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)所傳播路線長度的25倍,可大幅度地提高光能的利用效率。另外一個(gè)關(guān)鍵的問題是把太陽電池產(chǎn)生的電能引出來,這不僅要求接觸點(diǎn)要好,使電能的損失減少到最低限度,而且要求接觸點(diǎn)在電池表面所留下的陰影要盡量小,以避免造成光的損失。盡管第二代太陽電池需要解決的技術(shù)細(xì)節(jié)還有許多,但其應(yīng)用已為時(shí)不遠(yuǎn)了。銅銦硒太陽電池(CIS)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的多晶薄膜電池。CIS電池以其廉價(jià)、高效、接近于單晶硅太陽電池的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的空間抗輻射性,已受到全世界光伏工作者普遍關(guān)注,成為本世紀(jì)具有前途的太陽電池之一。目前,銅銦硒太陽電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率接近20%,大面積集成組件的效率超過13%。CIS光伏材料所具有優(yōu)異的性能吸引著世界眾多專家進(jìn)行研究,但由于其工藝重復(fù)性差,高效電池成品率低,因此直到2000年才初步產(chǎn)業(yè)化。CIS薄膜是多元化合物半導(dǎo)體,原子配比以及晶格匹配往往依賴于制作過程中對主要半導(dǎo)體工藝參數(shù)的精密控制。目前,CIS薄膜的基本特性及晶化狀況還沒有完全弄清楚,無法預(yù)測CIS材料性能和器件性能的關(guān)系。CIS膜與Mo襯底附著性較差是電池成品率低的重要因素。世界各國在CIS光伏材料的研究方面已取得一些成果。德國太陽能技術(shù)研究所(簡稱IST)歷經(jīng)10年成功開發(fā)了一種新型薄膜太陽能電池技術(shù),該技術(shù)采用連續(xù)電沉積工藝,制備出在銅箔上形成CuInSe2薄膜太陽能電池的帶卷(簡稱CISCuT),通過特殊的封裝工藝組裝成柔軟的太陽能電池組件。目前,CISCuT電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到9.2%,理論效率高達(dá)30%,由于材料消耗少、工藝簡單,預(yù)期每峰瓦成本最終將低于0.6歐元。德國CISSOLARTECHNIKGMBH發(fā)明的薄型CIS太陽能電池主要由柔軟的金屬承載層、阻隔層和電接觸層組成。阻隔層位于金屬層和電接觸層之間,并不完全覆蓋金屬層,空留區(qū)域用于制作電極。日本NATINSTOFADVIND&TECHNOL發(fā)明了一種低成本,安全耐用的復(fù)合物半導(dǎo)體薄膜作為吸收層,替代原來的稀有金屬材料的CIS電池基,利用太陽光譜頻寬提高轉(zhuǎn)換效率(大約為1.5eV)。窗口層中使用ZnO還能獲得更高效率。華南理工大學(xué)發(fā)明的薄膜太陽電池,依次由襯底、電極、p型銅銦硒層、n型硫化鎘層、p型多晶硅層、n型多晶硅層和電極疊層構(gòu)成,其制備步驟如下:(1)采用磁控濺射加真空硒化退火方法,在襯底上制備p型銅銦硒膜;(2)用真空蒸發(fā)方法在p型CIS膜上生長n型硫化鎘(CdS)層,形成CISCdS復(fù)合結(jié)構(gòu);(3)在CIS/CdS復(fù)合結(jié)構(gòu)上,采用PCVD工藝和金屬誘導(dǎo)固相晶化方法制備p型多晶硅層、n型多晶硅層;(4)成形。納米技術(shù)是一門新型技術(shù)。納米材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu),使其具有不同于常規(guī)材料和單個(gè)分子的性質(zhì)(如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等),從而導(dǎo)致了納米材料的力學(xué)性能、電磁性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能的改變,并使之在電子學(xué)、光學(xué)、化工陶瓷、生物、醫(yī)藥、日化等方面有重要價(jià)值,得到廣泛的應(yīng)用。納米晶太陽電池(NanocrystallineSolarCell)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,通過半導(dǎo)體顆粒使電荷轉(zhuǎn)換效率提高,制備工藝簡單,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。作為一種低成本的太陽電池,在軍事和民用方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值。納米晶太陽電池更展現(xiàn)了太陽電池新的發(fā)展方向。以納米TiO2為主的薄膜太陽電池,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。以瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.Gratzel教授為首的研究小組一直致力于染料敏化TiO2電極,以擴(kuò)展TiO2電極的光響應(yīng)范圍,提高納米TiO2太陽電池的光轉(zhuǎn)換效率。量子阱結(jié)構(gòu)材料已被應(yīng)用于量子阱太陽電池(QWSC),理論計(jì)算表明,QWSC的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到40%。最近有報(bào)道,量子線也在太陽電池中得到了應(yīng)用。美國加利福尼亞柏克利大學(xué)發(fā)明了一種新型的柔性超薄太陽電池,可廣泛應(yīng)用于各種電子儀器,它的基本結(jié)構(gòu)就是將直徑為7nm,長度為60nm的CdSe納米棒放在聚合物薄層中。我國中科院化學(xué)所、物理所、理化所、等離子物理所,北京大學(xué),清華大學(xué),武漢大學(xué),河北科技大學(xué)等,在納米晶太陽電池研究方面做出了突出貢獻(xiàn)。總之,納米材料的飛速發(fā)展,為太陽電池的研究開辟了新的領(lǐng)域。當(dāng)前,太陽電池的開發(fā)應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化;小功率、小面積的太陽電池在一些國家已批量生產(chǎn),并得到廣泛應(yīng)用。人們正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽電池。3最佳材料的確定物理學(xué)家正試圖尋找全新的途徑研制新的太陽能電池,他們設(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)致額外的光電勢能。這樣也許可以提高光子電流,但卻會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。德國科學(xué)家正在進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn),他們在單晶硅中摻入稀土金屬元素鉺(Er)來制造太陽電池,以測試它對轉(zhuǎn)換效率可能產(chǎn)生的影響。理論上講,太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到95%,但實(shí)際上最多也僅能達(dá)到85%。對于研究太陽能的科學(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,哪怕是取得微小的進(jìn)展都是了不起的成果。現(xiàn)在如果用一種單一的太陽電池能達(dá)到30%的轉(zhuǎn)換效率,那也是太陽電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大突破。4光伏發(fā)電采用全聚光材料的生產(chǎn)和利用,其目前發(fā)展現(xiàn)狀迅速目前,太陽電池材料主要以硅材料為主,但是硅材料還面臨著許多問題,因此一方面要尋找更為方便易行的硅材料提純技術(shù)以擴(kuò)大生產(chǎn),另一方面要采用新技術(shù),在獲得同樣電能的基礎(chǔ)上減少硅材料用量。另外,要盡快使CuInSe2或納米晶等其他太陽電池材料技術(shù)成熟,達(dá)到工業(yè)化水平,減輕現(xiàn)有硅材料短缺對太陽能行業(yè)的影響。太陽能材料研究對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展起著決定性的作用。每一新材料的出現(xiàn),都給太陽電池及太陽能光電利用帶來一次變革。隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn),太陽電池的效率及穩(wěn)定性等將會得到進(jìn)一步提高?？傊?太陽能光伏