硅基太陽能電池的發(fā)展及應(yīng)用.doc

1、.。 硅基太陽能電池的發(fā)展及應(yīng)用 摘要：太陽能電池是緩解環(huán)境危機和能源危機一條新的出路，本文介紹了硅基太陽能電池的原理，綜述了硅基太陽電池的優(yōu)點與不足，以及硅基太陽能電池和其他太陽能電池的橫向比較，硅基太陽能電池在光伏產(chǎn)業(yè)中的地位，并展望了發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景等。 關(guān)鍵詞：硅基 太陽能電池 轉(zhuǎn)換效率 1引言 二十一世紀以來，全球經(jīng)濟增長所引發(fā)的能源消耗達到了空前的程度。傳統(tǒng)的化石能源是人類賴以生存的保障，可是如今化石能源不僅在滿足人類日常生活需要方面捉襟見肘,而且其燃燒所排放的溫室氣體更是全球變暖的罪魁禍首。隨著如今全球人口突破70億，能源的需求也在過去30年間增加了一倍。特別是電力能源從上世紀

2、開始，在總能源需求中的比重增長迅速。中國政府己宣布了其在哥本哈根協(xié)議下得承諾，至2020年全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40% -45%，非化石能源占一次能源消費的比重提高至少15%左右【6】. 目前太陽能電池主要有以下幾種：硅太陽能電池，聚光太陽能電池，無機化合物薄膜太陽能電池,有機化合物薄膜太陽能電池，納米晶薄膜太陽能電池,疊層薄膜太陽能電池等，其材料主要包括產(chǎn)生光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料,薄膜襯底材料，減反射膜材料等【5】. (圖1:太陽能電池的種類) 太陽電池的基本工作原理是：在被太陽電池吸收的光子中，那些能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，可以使得半導(dǎo)體中原子的價電子受到激發(fā)

3、，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會產(chǎn)生光生電子左穴對,也稱光生載流子。這樣形成的光生載流子由于熱運動,向各個方向遷移.光生載流子在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離,光生電子被推進n區(qū)，光生空穴被推進p區(qū)。因此,在p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生了正、負電荷的積累，形成與內(nèi)建電場相反的光生電場。這個電場除了一部分要抵消內(nèi)建電場以外,還使p型層帶正電，n型層帶負電,因此產(chǎn)生了光生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏）. 圖1典型的晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)圖【6】 由于太陽能能源有如此優(yōu)越的特性,因此，大力發(fā)展可再生能源成為了當今世界的熱門研究領(lǐng)域，從長遠角度來看，在各種可再生能源技術(shù)光伏發(fā)電自20世紀90年代后半期進

4、入了快速發(fā)展時期，最近10年和最近5年的太陽電池的年均增長率都達到了爆發(fā)性的水平。我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界光伏市場的拉動下快速發(fā)展起來。2007年我國太陽電池產(chǎn)量達到了1088 MW，占世界總產(chǎn)量的27。2，超過了日本(920 MW)和歐洲（1062.8 MW)，成為世界太陽電池的第一大生產(chǎn)國。到了2010年中國光伏電池產(chǎn)量己超過全球總產(chǎn)量的50%，目前己有數(shù)十家公司在海外上市，行業(yè)年產(chǎn)值超過3000億人民幣。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)具有可持續(xù)發(fā)展的特點；最豐富的資源來源（太陽）和最潔凈的發(fā)電過程【4】。 由于太陽電池研究涉及的學(xué)術(shù)與技術(shù)內(nèi)容過于廣泛,而且據(jù)近幾年市場數(shù)據(jù)分析,硅基太陽能電池占

5、太陽能電池總產(chǎn)量的98，故本文只對當前生產(chǎn)化主要的硅基太陽能電池材料進行論述。 2 硅基太陽能電池的原理與特點 根據(jù)硅片厚度的不同,可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池兩大類。本文主要論述以下幾種硅基太陽能電池的基本原理:單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池，多晶硅薄膜太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池,微晶硅薄膜太陽能電池。 晶體硅的發(fā)電過程大致如下：P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型 硅，形成P-N結(jié),當光線照射到硅晶體的表面時，一 部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子， 使電子發(fā)生躍遷,成為自由電子,在PN結(jié)兩側(cè)聚 集，產(chǎn)生電位差.當外部接通電路時，在該電壓的作 用下，將有電流流過外部

6、電路產(chǎn)生一定的輸出功率。2.1 單晶硅太陽能電池硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。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)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池.提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝.在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平.該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化,制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合通過改進了的電鍍過程

7、增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，是大值可達233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為1944%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm X 2cm）轉(zhuǎn)換效率達到19。79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm)轉(zhuǎn)換效率達8.6%。2。1。1 單晶硅的優(yōu)點和不足 單晶硅太陽能電池轉(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)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然其轉(zhuǎn)換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復(fù)雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用

8、率低，致使單晶硅成本價格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。2。2多晶硅太陽能電池 目前，太陽能使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶硅顆粒的集合體，或用廢棄單晶硅材料和冶金基硅材料熔化澆筑而成,其工藝過程是選擇電阻率為100300cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸液混合進行適當?shù)母g，然后用離子水沖洗呈中性，并烘干，用石英坩堝裝好許多硅料,加入適當硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)下加以熔化，熔化后保持約20min,然后注入石墨鑄模中，慢慢冷

9、卻后即基硅錠，然后切片加工成太陽能電池片，即多晶硅太陽能電池。2。2.1 多晶硅太陽能電池的優(yōu)點和不足 它的成本和單晶硅差不多，其轉(zhuǎn)換約為12左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到了大量發(fā)展。2。3 多晶硅薄膜太陽能電池通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350450m的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多.為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池.為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采

10、用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD)和等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD）工藝。此外,液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池【3】。2.3.1多晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)缺點 多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備,其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池,因此,多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。2。4 非晶硅薄膜太陽能電池 非晶態(tài)硅，其原子結(jié)構(gòu)不像晶體硅那樣排列得有規(guī)則,而是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。非晶硅屬于直接帶系材料，對陽光吸收系數(shù)高,只需要1 ùm厚的薄膜就可

11、以吸收80的陽光。非晶硅薄膜太陽能電池于1976年問世，非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。由于硅原料不足和價格上漲，促進了高效使用硅的技術(shù)和非晶硅薄膜系太陽能電池的開發(fā)。非晶硅薄膜電池低廉的成本彌補了其在光電轉(zhuǎn)換效率上的不足，未來將在光伏發(fā)電上占據(jù)越來越重要的位置.但是由于非晶硅缺陷較多，制備的太陽能電池效率偏低，且其效率還會隨著光照衰減，導(dǎo)致非晶硅薄膜太陽能電池的應(yīng)用受到限制。目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向是與微晶硅結(jié)合,生成非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點,而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度，目前單結(jié)非晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率為17

12、 。4【3】. 2。4。1 非晶硅薄膜太陽能電池優(yōu)點與缺陷非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比,具有重量輕、工藝簡單、成本低、耗能少和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，因此受到人們重視,并得到迅速的發(fā)展.非晶硅薄膜太陽能電池首先實現(xiàn)商品化，也是目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的薄膜電池. 雖然非晶硅薄膜太陽能電池得到了廣泛的研究和應(yīng)用.但是，依然存在著很多問題需要去解決：y光學(xué)禁帶寬度為1。7 eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域吸收不敏感，限制了其光電轉(zhuǎn)換效率；(2）光電轉(zhuǎn)換效率隨著光照時間的增長而衰弱，即所謂的光致衰退(S W）【2】效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定；（3)制備過程中，非晶硅的沉積速率較低，影響了

13、非晶硅薄膜太陽能電池的商業(yè)化生產(chǎn)；（4)電池組件的后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問題；(5)在薄膜沉積過程中存在大量的負面雜質(zhì)，如Oz , Nz和C等，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。2。5 微晶硅薄膜太陽能電池 微晶硅薄膜可采用與非晶硅兼容的技術(shù)制備,鑒于非晶硅良好的短波響應(yīng)特性和微晶硅良好的長波響應(yīng)特性,常用微晶硅作底電池，形成非晶硅/微晶硅疊層結(jié)構(gòu)，可大幅度提高轉(zhuǎn)換效率。通過諸多實驗室的努力，微晶硅電池自1994年被報道以來，轉(zhuǎn)換效率得到明顯的提高.目前，單結(jié)微晶硅電池的效率已超過10%，微晶硅薄膜的制備方法有:基于高氫氣稀釋比，高功率密度的PECVI技術(shù);用氫等離子體退火處理a Si：H

14、薄膜;電子回旋共振擔CR)等離子體淀積技術(shù)；用熱絲法(VV1J或Cat)技術(shù)【1】。2。5。1 微晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)勢與不足 微晶硅薄膜太陽能電池具有過渡層結(jié)構(gòu)，幾乎沒有s-w效應(yīng)，穩(wěn)定性好，可拓展太陽光譜范圍,使其轉(zhuǎn)換效率高，具有與非晶硅材料相同的低溫工藝、工藝簡單、便于大面積生產(chǎn)的優(yōu)點，主要存在的問題就是其生長速率較低的問題，不利于降低制造成本。這將成為今后重點的研究方向。3 主流太陽能電池材料的比較單晶硅太陽能電池是開發(fā)得最早、使用最廣泛的一種太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型,產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)和其它方面單晶硅太陽能電池是由高質(zhì)量的單晶硅材料制成的.目前，商用晶體硅光伏產(chǎn)品的

15、光轉(zhuǎn)化率約為20%左右。由于單品硅材料的制作成木昂貴,而半導(dǎo)體薄膜太陽能電池材料只需幾微米厚就能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料,非晶硅薄膜太陽能電池是用非晶硅半導(dǎo)體材料制備的一種薄膜電池。非晶硅薄膜太陽能電池可以用玻璃、特種塑料、陶瓷、不銹鋼等為襯底。多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上作為太陽電池的激活層。納米Ti0：半導(dǎo)體的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.納米Ti0:半導(dǎo)體用做太陽能電池材料的原理與硅半導(dǎo)體相同。但TiO:是寬禁帶(3。2eV）半導(dǎo)體化合物，應(yīng)用于太陽能電池只有波長較短的太陽光（ 387nm） 才能被吸收.而這部分紫外線(300-400nm）只占到達地面

16、上的太陽光能的46% ，太陽能利用率很低.提高太陽能吸收效率的途徑是縮短Tin:半導(dǎo)體的禁帶寬度使其吸收光譜向可見光擴展，可以通過金屬離子摻雜、非金屬離子注人、半導(dǎo)體復(fù)合以及染料敏化等幾個方法來縮短Ti0：的禁帶寬度。個人收集整理,勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途從20世紀70年代起開始探索一些具有大共扼結(jié)構(gòu)的有機化合物或金屬配合物用做太陽能電池材料與無機半導(dǎo)體太陽能電池相比，有機材料制備太陽能電池具有制造面積大、制作簡單、廉價、并且可以在可卷曲折疊的襯底上制備具有柔性的太陽能電池等優(yōu)點。有機太陽能電池材料主要是一些具有大共扼結(jié)構(gòu)的有機小分子花類化合物、有機染料分子、富勒烯及其衍

17、生物等。有機小分子化合物的主要優(yōu)勢是制備和表征比較簡單，化學(xué)結(jié)構(gòu)很容易修飾，可以根據(jù)需要進行設(shè)計和改變官能團. 過渡金屬配合物是一類新型的光電材料化合物，它可以兼有過渡金屬離子的變價特性和有機分子結(jié)構(gòu)的多樣性,這類化合物的特點是過渡金屬離子被有機配體所環(huán)繞,有機配體易于進行分子設(shè)計和分子裁剪，而過渡金屬離子的d軌道或漱道上具有未成對電子,能形成特有的光電性質(zhì)。目前用做太陽電池材料的金屬配合物主要有菁類化合物和具有共扼結(jié)構(gòu)的聯(lián)毗啶過渡金屬配合物。 染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized Soar Cells， DSSCs).以半導(dǎo)體Ti02薄膜為光陽極，并引入了染料敏化劑，使電池效率達

18、到7.1，這種電池的出現(xiàn)為太陽能電池的發(fā)展帶來了新方法，它將帶有發(fā)色團的染料分子引人到半導(dǎo)體中，大大增強了半導(dǎo)體TiO,捕獲太陽光的能力。由于現(xiàn)在對界面電荷的分離機理還不是很明確，當電荷分離形成之后就會發(fā)生電荷的遷移電子移向正極而空穴移向負極,從而在兩極間形成一定的電勢，但在電荷的遷移過程中，也伴隨著電荷的重新結(jié)合(重合）.電荷重合浪費了界面電荷分離所儲存的電勢能，極大地降低光電轉(zhuǎn)化的效率.目前染料敏化太陽能電池材料還存在光電轉(zhuǎn)換率低，或是電池材料的壽命短。因此尋找光轉(zhuǎn)換效率高壽命長的光敏染料是染料敏化太陽能電池材料研究的重要方向。4 硅基太陽能電池的發(fā)展和應(yīng)用前景4.1硅基的發(fā)展歷程 硅基太

19、陽能電池的發(fā)展可劃分為三個階段(如圖1所示），每一階段效率的提升都是因為新技術(shù)的引入。 圖1電池效率發(fā)展路程圖1954年貝爾實驗室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15。1972年到1985年是第二個發(fā)展階段,背電場電池（BSF）技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù),電池效率提高到17，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進電池性能提高其光電轉(zhuǎn)

20、換效率：表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達24。4鈍化發(fā)射極和背面點接觸（PERL）電池。目前相當多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實驗室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當中來。目前已經(jīng)有多家國內(nèi)外公司對外宣稱到2008年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達到18%，多晶將超過17%。4。2 硅基太陽能電池的應(yīng)用前景目前，硅基電池已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、通信、軍事、航火等領(lǐng)域.還包括家用電器以及公用設(shè)施。硅基電池的應(yīng)用主要可分為3種類型：并網(wǎng)型、離網(wǎng)和家用電器產(chǎn)品。 4.2。1 并網(wǎng) 進入21紀以來,全球太陽

21、能光伏并網(wǎng)發(fā)電年度并網(wǎng)容址增長了44.1倍.從2000年的28 7MW遞增至2008年的29。85MW,年均增長率達60.99，同比2007年增長了72.65。全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)累積總里增長10.5倍,從2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增長率為35.6%。世界各國都在樓宇和家居屋頂應(yīng)用了太陽能電池,所發(fā)的電大都可以并網(wǎng).4. 2.2離網(wǎng)應(yīng)用 與井網(wǎng)發(fā)電相比，離網(wǎng)發(fā)電具有靈活等特點,特點，始終占據(jù)著重的市場份領(lǐng),如用于通信聯(lián)絡(luò)中繼站的供電、邊遠山區(qū)小功率的生活用電等場合。在不少偏遠地區(qū)如遠離城市的農(nóng)場、山區(qū)、葡萄園采用離網(wǎng)方式發(fā)電，如水泵的供電系統(tǒng).功率可高達441

22、。3KW。4.2.3 家用電器應(yīng)用 太陽能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進行，所以它適合于各家各戶分散進行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上.太陽電池日益成為家用電器的"能源心臟”。 1. 太陽能電話。以太陽能作能源的無線電話已在英國一家無線電公司問世。它利用頂端上裝的太陽能接收板，可以不斷給電池充電.使用者的聲音通過無線電波輸入附近的電話交換機，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去.巴黎伏德瓦特公司制作的太陽能收費公用電話，耗電量極低，只要在陽光下充電幾小時，便足夠使用10多天。 2。 太陽能冰箱。法國的太陽能冰箱以甲醇為制冰劑，每24小時可制冰10公斤,保鮮30公斤食物。印度研制出一

23、種倉庫用的大型太陽能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在2，可冷藏500公斤食品，每天還可制出25公斤冰來。 3. 太陽能空調(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置,當天氣晴朗時，全部動力都由陽光供給,多云或陰天時才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動完成，用它可使一間18平方米的居室室溫保持在20左右,并較一般空調(diào)器節(jié)約電費60以上. 4. 太陽能電視機。芬蘭研制的太陽能電視機只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽光的窗臺上,晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12伏的電視機使用3至4小時。印度研制的太陽能電視機，其能源吸收系統(tǒng)只要每天工作4小時，即使連續(xù)3天無太陽,也能正常接收信號播放節(jié)目. 5. 太陽能照相機。日本制作的世界上第一架太陽能照相機,重量僅有475克，機內(nèi)裝有先進的太陽能電池系統(tǒng)，其蓄電池可連續(xù)使用4年.美國一家公司生產(chǎn)了一種新型的135照相機