太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀及高效率實(shí)例

1、太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀及其轉(zhuǎn)換效率的提高及實(shí)例因?yàn)槟茉次C(jī)，環(huán)境問題，清潔的太陽能電池是不錯(cuò)的選擇。一 太陽能電池發(fā)展概況 目前研發(fā)出來的或者正在開發(fā)的太陽能電池有：晶體硅太陽電池， III-V 族太陽電池，硅基薄膜太陽電池， CIGS 太陽電池，染料敏 化電池，納米太陽電池。晶體硅太陽電池的種類： HIT 太陽電池， PERL 太陽電池， OCEO 太陽電池， Pluto 太陽電池。 HIT 太陽電池，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，具 有產(chǎn)能優(yōu)勢； Pluto 太陽電池去除或簡化了 PERL 太陽電池電池的一 些材料和工藝，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化， Pluto 多晶硅太陽電池，材料多晶硅 成本低，轉(zhuǎn)換效率也已經(jīng)實(shí)用。

2、目前產(chǎn)業(yè)化的電池還有，絲網(wǎng)印刷電 池，掩埋柵電池，高效背面點(diǎn)接觸電極電池。III-V 族太陽電池的種類： GaAs 系太陽電池， InP 系太陽電池， 薄膜 III-V 族太陽電池，量子阱 /點(diǎn)太陽電池，多結(jié)太陽電池，熱光伏 電池，分譜太陽電池， III-V 族半導(dǎo)體中間帶太陽電池。制備方法： 液相外延技術(shù)，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，分子束外延技術(shù)。近幾 年，疊層電池效率的迅速提高以及聚光太陽電池技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的 不斷改進(jìn)，使聚光 III-V 族太陽電池系統(tǒng)的成本大大降低。 2009 年德 國已經(jīng)研制出高達(dá)41.4的GaInP/GaInAs/Ge疊層太陽電池。硅基薄膜太陽電池包括非晶硅、 微

3、晶硅薄膜太陽電池， 研發(fā)的種 類有：a-SiC/a-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池，uc-Si薄膜太陽電池，非晶硅/微 晶硅串聯(lián)太陽電池。 制備方法較多， 值得關(guān)注的新方法有熱膨脹等離 子體沉積法，常壓等離子氣相沉積法。產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)：以玻璃襯底 的硅基薄膜太陽電池制備技術(shù)， 非晶硅薄膜的柔性襯底、 卷到卷太陽 電池制備技術(shù)。硅基薄膜太陽電池所需原材料少，可大面積沉積，成 本低，可沉積到柔性襯底上， 柔性襯底的電池可以裝在非平整的建筑 物表面上，但轉(zhuǎn)化效率低，僅 7.5%-8.5%，非晶硅和非晶鍺硅合金電 池的光誘導(dǎo)衰退，是需要解決的問題。CIGS太陽電池研發(fā)的有：柔性金屬CIGS電池、聚合物襯底CIGS

4、 薄膜電池。發(fā)展方向有：無 Cd 緩沖層，其他 I-III-VI 族化合物半導(dǎo) 體材料，疊層電池，聚光電池片，空間應(yīng)用， 4 端子串聯(lián)的高效化。 CIGS系太陽電池以高轉(zhuǎn)換率為特征，市場產(chǎn)品的效率為 10%，研發(fā) 階段為 12%-14%，如果市場產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率能提高到 13%，就能也 現(xiàn)在的鑄造的 Si 模版性能相匹配，進(jìn)而快速實(shí)用化。染料敏化電池有很多優(yōu)點(diǎn)， 比如原材料易得成本低， 但轉(zhuǎn)換效率 有待提高。目前的研究方向有：新型氧化物半導(dǎo)體薄膜光電極，電解 質(zhì)溶液的固體化和擬固體化， 新型高性能增感色素的開發(fā)， 塑料太陽 電池。納米太陽電池的種類很多。1、硅基薄膜太陽電池：pc-Si薄膜太 陽

5、電池， nc-Si 薄膜太陽電池，多結(jié)疊層太陽電池(隧道串接發(fā)，機(jī) 械堆疊法， 有 aSi： H 基疊層太陽電池、 III-V 族化合物疊層太陽電池、 中間帶太陽電池)。 2 納米結(jié)構(gòu)染料敏化電池 (NDSSC)， TiO2 納米晶 粒薄膜 NDSSC， TiO2 準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu) NDSSC， TiO2 納米復(fù)合物膜 層 NDSSC，TiO2 核 -殼納米結(jié)構(gòu) NDSSC，TiO2 量子點(diǎn)敏化納米結(jié)構(gòu) NDSSC，串聯(lián)組合電池結(jié)構(gòu) NDSSC, ZnO纟納米晶粒薄膜 NDSSC, ZnO納米線NDSSC。3、量子結(jié)構(gòu)太陽電池，Si納米線太陽電池，碳 纟米管太陽電池， p-i-n 結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)太陽

6、電池，量子點(diǎn)敏化太陽電池， 基于多激子產(chǎn)生效應(yīng)的量子點(diǎn)太陽電池。 4、聚合物太陽電池，分單 層和多層聚合物太陽電池。 聚合物有機(jī)太陽電池光伏材料： 聚合物電 極材料，電子和空穴傳輸層材料， 活性層材料， 襯底材料， 封裝材料。 聚合物太陽電池制備技術(shù)：真空蒸鍍技術(shù)，旋涂甩膠技術(shù)，噴墨打印 技術(shù)。二 轉(zhuǎn)換效率1、能量損失的原因造成能量損失的有不可回收損失部分和可回收部分。 不可回收部 分：由于材料的光電光譜響應(yīng)和太陽光譜的不匹配產(chǎn)生的， 即白白透 過太陽能電池所用材料而不能產(chǎn)生載流子部分和在表面反射或漫射 的能量損失。是能量損失的最大原因?？梢曰厥盏牟糠郑河晒庾V響應(yīng) 本應(yīng)為有效光， 卻因?yàn)楸砻娣?/p>

7、射而損失的反射損失； 由光吸收生成的 載流子中，太陽能電池的表面或者背面電極由于與環(huán)境復(fù)合造成的表 面復(fù)合損失；光生載流子在半導(dǎo)體的體內(nèi)復(fù)合形成的體內(nèi)復(fù)合損失， 太陽能電池供給給負(fù)荷的電力在電流流動(dòng)時(shí)從電極到半導(dǎo)體容體內(nèi) 的電阻焦耳熱的串聯(lián)電阻損失； 光生載流子由于半導(dǎo)體中的內(nèi)建電場 產(chǎn)生漂移， 所形成的極化電場雖然變成了輸出電力， 但此時(shí)如果超過pn結(jié)的不純物濃度決定的擴(kuò)散電位 Vd，也得不到起始電力，即存在具有最低禁帶寬度的損失，此損失叫做電壓因子損失。2、提高轉(zhuǎn)化效率的方法提高轉(zhuǎn)換效率要采用如下技術(shù)和方法： 盡可能多地減少能量轉(zhuǎn)換 過程中的各項(xiàng)損失， 盡可能多將太陽輻射的能量進(jìn)行收集以及

8、盡可能 地?cái)U(kuò)大半導(dǎo)體中可收集到的光的頻率范圍。高效率化的原理與具體的技術(shù)。（1）入射到材料的光能的有效封閉 無反射（AR）覆蓋（減少表面反射損失） 結(jié)構(gòu)行表面凹凸不平處理（利用漫射增大有效浸透深度） 內(nèi)部界面電極的漫射處理（BSR法）（2）光生載流子的有效收集和光電效果的增大 異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的少數(shù)載流子反射鏡效應(yīng) 漂移型光起電效應(yīng)p-i-n 結(jié)合 分層窗 分層不純物覆蓋（ BSF 法） 超晶格的利用（a-Si/poly-Si等）（3）光生載流子的復(fù)合損失的減少 光生成活性層的膜質(zhì)的改善 pn、pi、in結(jié)合以及異質(zhì)結(jié)界面的復(fù)合引起的減少（4）直接電阻損失的減少（串聯(lián)電阻）透明電極的低電阻對(duì)策點(diǎn)擊開

9、關(guān)的最優(yōu)化 隧道效應(yīng)電極及其最佳配置設(shè)計(jì)（5）電壓因子損失的減少（并聯(lián)電阻） 異質(zhì)結(jié)時(shí)減少少數(shù)載流子的界面復(fù)合 漂移型光起電效應(yīng)的利用其他 BSF 處理等（6）更寬光譜的光能的收集4 端子分層型太陽能電池2 端子分層型太陽能電池 異質(zhì)表面復(fù)合 寬梳狀窗的作用（異質(zhì)結(jié)合、超晶格的利用）9 / 9三 高轉(zhuǎn)換效率光電池的設(shè)計(jì)實(shí)例GaAs疊層太陽電池一、GaAs舉導(dǎo)體材料的特點(diǎn)GaAs是典型的U【V族化合物半導(dǎo)體林料.具有直接能帶館.帶鎮(zhèn)覽度為l.42eV (300K),正好為 高吸收專木陽光的慎因此是很理想的太陽能電池材料填主耍特點(diǎn)：L出3攻系數(shù)融曲血太習(xí)能電池的有源區(qū)承度多選?(Sum左右.就町以

10、吸攻9%的太習(xí)光譜中最 強(qiáng)的部分.2帶隙賈度與太陽光譜匹乙ghae的m度正好位于最隹太陽電池材料所需要的能隙范圍.具有 更高的理論轉(zhuǎn)換效車.3耐髙注GaA&太田能電迪歆率理溫度升裔翠氐比軟緩艮可以工作在更高的溫度范艇4抗輜照性能強(qiáng).GaAs是直接帶隙材料，少數(shù)載流子壽命較短，在離箱幾個(gè)擴(kuò)散度外產(chǎn)生10傷，對(duì) 光電W電逬均無形響.因此，G乩屯太陽能電泣具有校妤的抗輻煦性能5多結(jié)疊層太田電池的材料.由f II1-V族三、川元化合物【GalnP、九(祖nP“ GMnAg等)半導(dǎo)體材 料生長枝術(shù)日益成熟.便電池的設(shè)計(jì)更為靈活.從而大幅度提高太陽電池的效車井降低成本.二疊層太陽能電池的提岀和制備

11、方汪由于太陽光光誥中的能量分布較児現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收算中能童比其能隙值高 的光子.太陽光屮能旦:軟小的光子將透過電池.被背電樣金咼吸收,捋變成熱能;高能光子超出能頤寬 '鴕:多余能則通過光生載汛子叫能量熱澤作用傳給電池材料本身的AM子，使材料本身發(fā)熱這 些能量都不能通過光生載流子傳給金熟變成有效的電能.因此單結(jié)丸;邈電池的理愴竦換效率一股較 低*太I(xiàn)B光光燈可以被分成連険的若干部乩用能帶寬度與這些部分有最好世配的材料壊成也也并按 能陳從大到小時(shí)版序從外向里疊合起熟讓波長最短的光被最外邊的覽隊(duì)材料電池利用，波長較長的光 鮒透射進(jìn)去讓較館隊(duì)材料電池利用，這就有健最大限度地將

12、光能變成電籀這樣囪電池結(jié)構(gòu)就是 疊層電沐可以大大提高其性能和穩(wěn)定性口疊懇太衍能電池的制備可以通過兩種方式得到.一種是札岐埋密上先制備岀兩個(gè)獨(dú)立的太陽能電 池.一人是髙帶土虬一爪則是低帶追的然后把髙帶寶時(shí)血疊在低帶爼的電迪上而；另一用是一依化的 方法.先制務(wù)一個(gè)完整的太陽能電池.再在第一層電池上生長或直接沉枳在第一層電也上而U三GaAs fig太陽能電池單SGaAs電池只能吸收特定光譜的太陽光.其轉(zhuǎn)換效率不高不同蔡帶宜度ft5in-VK材料制備的多 結(jié)血加電池.按禁帶寬度大小疊合，分別選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽光譜的不同予妊可大幅度提髙太陽電 池的光電轉(zhuǎn)換效率口理論計(jì)算表明（AMO光譜和!個(gè)太陽常數(shù)）

13、:雙結(jié)GaA§太田能電池的極限效率為外H 結(jié)血加太站能電池的極隔效率為站”四結(jié)GaA號(hào)太田能電池的極啜姣率為41虬L雙結(jié)GaA§太陽能電池雙結(jié)G&As太陽能電也是由兩種不同蔡帶寬度的材料制成的子電池.通過隧穿結(jié)串接起來収結(jié)電池 主要吸收太田光譜的短波段和長波段1）A1： rGa：s心畝疝計(jì)雙結(jié)太陽能電池在研制單結(jié)GaA£太陽能電池的過程中.深入研STAl-GaAs/GaA啲異質(zhì)結(jié)亂因此研制雙結(jié)太陽能 電池時(shí).首先關(guān)注AlflJ7Gaoi3As/GaAs晶格衛(wèi)配和光譜衛(wèi)配系統(tǒng).兩者的Eg分別1.93eVjL1.42eV.止處 于疊層太陽施電池所需的最佳匹配范

14、19嗣年.CHUNG等用MOCVD技術(shù)生長了AlrGg閔As/GaAw 雙結(jié)疊層太田能電池*其AMO效車達(dá)到23%=研究中發(fā)現(xiàn)生長高質(zhì)fiAlojjAsf非常困難.這是因?yàn)?AI容易氧化對(duì)氣源和系統(tǒng)申的殘留氟非常敏區(qū)導(dǎo)致少子壽命明顯縮短.無注顯著提高太陽能電池的 電流密度桂此外.AL.rGAs電池的抗輻照性能與GaAg電池斥陸,不能有效地増加雙結(jié)太田能電池 的空間應(yīng)用壽氛因此.90年代中朗底對(duì)A1蟲恥M/GaA畧雙結(jié)太陽館電也的研究未取得新的進(jìn)展.2）甌山；屮GaAsiGH雙結(jié)太舊能電池Ga只山出赴另一個(gè)空帯琪與（ki屯晶格叢兀社系線與Ald3<la對(duì)MGaA出:系花比.血曲出6臥呷:界

15、 面復(fù)合速率很低（的為l,5cm/S）>且Ga； d鮭P電池具有與油電池相似的抗輻照性隱故G&血屮血A戒 結(jié)太陽能電池具有更高的性儺和更長的應(yīng)用壽命2三結(jié)GaA汰陽能電池在Ga 5ln艇臥心）雙結(jié)電池的基礎(chǔ)上1993年國外開始研制效率更高的三結(jié)GaO.51nO.5P/GaAs/Ge 疊層太陽能電池996氓乗國光譜實(shí)驗(yàn)室研制的該類電池的A腳最高效事達(dá)到25.7%,小批量生產(chǎn)平均 效率達(dá)到23.8%： 1997年大批量生產(chǎn)平均效率達(dá)到24咖000年攝高效車達(dá)到29%，2002年大批量生產(chǎn)平 均效幸達(dá)6.5%e目前.區(qū)公上從事多結(jié)電池批嚴(yán)的最知名的兩家公司是羌國的禿譜實(shí)監(jiān)室利王mww

16、其年批產(chǎn)能力分別為500 kW和200風(fēng)3屈結(jié)GaAs太田能電池OLSON等發(fā)現(xiàn)，因Ge的帶瞅0.67 eV關(guān)低，使GaAs（k43eVK Ge（h67胡不能構(gòu) 成理想的三結(jié)電;也但Ge可歆根成四結(jié)電池的底電池.故四結(jié)電池的關(guān)鍵遇尋找晶冷叫配的第三結(jié)疊層 成理想時(shí)三結(jié)電池,但Ge可以構(gòu)成四結(jié)電池的底電池故醮電池的總是尋找歸第三結(jié)疊層 電也材料貳直接tSR0J5"L05eV（AM0O）. it算表GaulnojP/GaAGalnNAs Ge四箱電池的效 率可達(dá)4% 90年代來，OLSON等發(fā)現(xiàn)GaJrkNyM尸03硝GaAsWlE略當(dāng)尸3%時(shí).RElOeV. 研制縊三結(jié)電池顯示其躺電般

17、度Jsc=74mAW,班低于醮疊層太離電池所需的理舲 （l6,5mA/cm雖然醪電池的理論效車可達(dá)4%但理想的第三結(jié)材料比今尚未找釦從GaA注諛光太陽能電泡采用觥器是目前空間光伏界的觀Z-.密間聚光陣列具有更高的抗翩性撤更低的費(fèi)用和更 高的效亀并可減少電池批產(chǎn)的賣金投入.多結(jié)G認(rèn)太舊能電池械哥效氛高電壓低電流）和高鑑 特性好等優(yōu)扎而被廣泛用于聚光系統(tǒng).目前高效?2to5ln0t5P/GaAs/Ge聚光電池的撮髙吹第 已達(dá)到34%（AW.5,210太陽常數(shù)）批產(chǎn)效紀(jì)達(dá)蜩（AMI5血TOO太陽常數(shù)）聚光太陽館 電池大部分肝地而絵 空間應(yīng)膈進(jìn)展釀 主要頒是對(duì)日跟蹤機(jī)構(gòu)非常躋 空刪熱棉 困抵目前少部分

18、用于空砒聚光加濰電也軌倍數(shù)均較低成本相應(yīng)較氐GaAs就電池發(fā)屎的 輕是;提髙觥紳換效執(zhí)"0%）和批廬能加年按產(chǎn)XBOOMWh族林成鳳攝高卿娜幼: 改善聚光器性能研制空間實(shí)用的高效絵質(zhì)驀光太陽電池帆板）提高太陽能的利用事*減小太陽電池陣的 改善獻(xiàn)熱系統(tǒng)性能，顯著提高聚光系統(tǒng)效率口未興10年.芙國NASA捋在航天E行器的空閭主電 源中大量使用聚光砌化稼太陽電池匕五、GaAs 2太陽能電池最新進(jìn)展25JC1AM0條件下太引電池效訓(xùn)二電池類型面孤cm2）效 $(%)電池結(jié)構(gòu)多結(jié)疊層電池GalnP/GaAs4:血瞎片疊層雙結(jié)太陽電池GalnP/GaAGe425.5嚴(yán)片疊層雙結(jié)太陽電池GalnP/GaAGe427.0單片疊層三結(jié)太田電植多第疊層畫光電池Galnp/Ga-sC.2526.4雎片疊層雙結(jié)太陽電池GaAiGaSb0.0530.5機(jī)械堆疊太田電池我儀多詰G認(rèn)迪池主輕為空憑應(yīng)用戶研制縱主新噴個(gè)在I：?？臻g電源所和天詡瀟所蛙上海空何電源所的三結(jié)