太陽能光電材料概述

太陽能光電材料概述摘要：本文介紹了一些新能源的一些方向，并著重講述了太陽能光電轉(zhuǎn)換材料的一些發(fā)展狀況。并且詳細講述了太陽能材料當(dāng)下的一些科研成果、主要發(fā)展狀況、太陽能材料的制造工藝及各自的瓶頸。關(guān)鍵字：新能源、太陽能、發(fā)電、光電材料、單晶硅、多晶硅、薄膜、納米光電材料一、最佳新能源與其支撐材料我國現(xiàn)在應(yīng)用的能源主要是煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源。這些能源在使用中會排放能夠大量的有害物質(zhì)（二氧化碳、硫、氮氧化合物等），是造成大氣污染和生態(tài)環(huán)境破壞的主要原因。不僅如此在最近的20年里，作為世界上人口最多的中國取得了經(jīng)濟速度的最快增長。隨著收入的增加，中國的消費結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化?，F(xiàn)在人的生活已經(jīng)不再僅僅滿足于溫飽問題，我國的消費與生活觀念也越來越受到了西方文化的影響，在大城市中私人轎車已經(jīng)成為了主要的交通工具。汽車的大量使用勢必要燃燒大量的能源，這樣無可避免的會對環(huán)境造傷害。所以，可再生能源作為常規(guī)化石燃料的一種替代能源，由于其清潔、無污染、可再生，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，受到許多國家的青睞，將其作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。而如今的新能源發(fā)電技術(shù)主要有這么幾種：太陽能、風(fēng)能、海洋能、核聚變能、地?zé)崮堋淠?、生物質(zhì)能。但即使在這些新能源中，他們也有優(yōu)劣之分，或因技術(shù)不完善，或因不那么綠色而有所差異。比如風(fēng)能發(fā)電看似環(huán)保，在實際實踐中卻發(fā)現(xiàn)因為阻擋了海洋向大陸的風(fēng)力，而因此改變了大陸的氣候環(huán)境，而且占用土地面積大，發(fā)電成本高。又如核能不夠穩(wěn)定，萬一泄露或者失去控制，造成的影響和后果是不可逆且不堪設(shè)想的。而我認為其中最有潛能的莫過于太陽能發(fā)電。因為太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊，我國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。在我國廣闊的土地上，有著取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能光熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能的兩個主要途徑。太陽能光熱發(fā)電是利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，將一定的工質(zhì)加熱到較高的溫度，然后通過常規(guī)的熱動發(fā)電機發(fā)電或通過其他發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成電能。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)己基本完成了實驗室探索階段，正處在逐步實現(xiàn)商業(yè)化的過程中。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能通過光伏發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便，而且光伏發(fā)電的效率較高。因此不論產(chǎn)銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景，光伏發(fā)電均優(yōu)于光熱發(fā)電。⑴太陽能光電轉(zhuǎn)換主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子一空穴對，在PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），從而實現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的目的。通常所用的半導(dǎo)體材料是硅、鍺和III—V化合物等。一般對太陽能電池材料有如下要求：要充分利用太陽能輻射，即半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬，否則太陽能輻射利用率太低；有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；適合量產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。目前太陽能電池占主導(dǎo)市場的是單晶硅電池。二多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池也在逐步占領(lǐng)市場，并有可能最終取代單晶硅的主導(dǎo)地位。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，不斷有新材料、新工藝出現(xiàn)，納米光電材料現(xiàn)了太陽能電池的一個新的發(fā)展方向。從太陽能電池的發(fā)展歷史來看，材料研究起決定性的作用，每一種新材料出現(xiàn)，都給太陽能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)，太陽能電池的效率及穩(wěn)定性等將會得到進一步提高。⑵二、太陽能光電材料的種類、開發(fā)和制造技術(shù)2.1單晶硅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)的成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。目前國內(nèi)外生產(chǎn)單晶硅主要采用提拉法和區(qū)熔兩種工藝。通過現(xiàn)代先進的電池工藝，開發(fā)的單晶硅電池可分為平面單晶硅高效電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。為了達到高效率的目的，在平面單晶硅中采用表面積構(gòu)化，用光刻腐蝕工藝制成倒金字塔結(jié)構(gòu)(表面開口尺寸為10X10胛)再進行發(fā)射區(qū)鈍化和分區(qū)摻雜處理。所達到的光電轉(zhuǎn)換效率可達到20%左右。對刻槽埋柵電極單晶硅電池，則利用單晶硅的各向異性，通過化學(xué)腐蝕方法在電池表面形成大小不同的金宇塔錐體，再加上刻槽埋柵電極等措施，也可將轉(zhuǎn)換效率提高到20%左右?，F(xiàn)在單昌硅的電池工藝已近成熟，提高轉(zhuǎn)換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。近期國外有關(guān)單位叉通過表面納米構(gòu)造減反射處理，使單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率已達到23%左右。總的來看單晶硅電池效率有可能還會提高到接近25%左右。但由于單晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝，致使單晶硅電池成本居高不下。因此要大規(guī)模推廣太陽能電池靠單晶硅是不可能。⑶2.2多晶硅薄膜在太陽能電池中，吸收太陽光能量所需的半導(dǎo)體膜的厚度是很薄的。對硅來說，在太陽光譜峰值附近500nm?600nm處，吸收系數(shù)值為104cm-i數(shù)量級，從原理來講幾微米厚度的硅膜，就可以吸收絕大部分的能量。兇此人們研制了多晶硅薄膜材料，以降低硅太陽能電池的成本。在廉價襯底上制備的多晶硅薄膜太陽能電池能實驗室效率已達18%，遠高于非晶硅薄膜太陽能電池的效率。最新研究表明，多晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可接近品體硅太陽能電池，并且具有光電性能穩(wěn)定的特點。日前，多晶硅薄膜太陽能電池研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作主要是：在廉價襯底上高溫沉積、低溫生長和層轉(zhuǎn)移技術(shù)，其中最為成熟的就是第一項技術(shù)——在廉價襯底上高溫沉積。目前所采用的襯底主要有：多晶硅襯底或冶金硅襯底、石墨包sic襯底，陶瓷襯底，石英襯底，玻璃襯底，甚至有人使用不銹鋼襯底。日前所獲得的較好結(jié)果主要有：日本三菱公司在si02襯底上制作的多晶硅薄膜太陽能電池，其效率達16.5%；德國Fraunhofer研究所在石墨和sic陶瓷剌料襯底r的薄膜太陽能電池，效率分別為11%和9.3%。值得注意的是，在這些較好結(jié)果的獲得過程中大都采用了ZMR技術(shù)。的襯底材料的不同，高溫沉積的多晶硅薄膜太陽能電池大致可分為2大類，即低品質(zhì)石豐材料和非硅材料。硅為襯底的最大優(yōu)勢在于：襯底與多晶硅薄膜具有相同的熱膨脹系數(shù)，如果直接在硅襯底上沉積，多晶硅薄膜將體現(xiàn)良好的外延性能。S.Reber等人以顆粒硅帶(SSP)為襯底，采用PECVD，APCVD技術(shù)外延生長活性層，制備的多晶硅薄膜太陽能電池的最高

效率為11.2%。中科院廣州太陽能研究所采用RTCVD技術(shù)直接在SSP襯底上外延生長得到轉(zhuǎn)換效率為6.05%。非硅襯底主要是指一些陶瓷材料，如氧化鋁,sic，氮化硅，Si0等。這些材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)良的耐高溫性能，且價格低廉而被大量研究。氧化鋁襯底因其低廉的價格和成熟的制備工藝而被廣泛研究。氧化鋁襯底的一個缺點是：氧化鋁的熱膨脹系數(shù)約是硅的2倍，因此這種不匹配將不可避免地導(dǎo)致多晶硅薄膜內(nèi)較大的應(yīng)力。sic陶瓷與硅的熱膨脹匹配性良好，因此也被用作襯底材料。⑷2.3納米光電材料光電材料是指能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能等其它能量的一種納米材料，它具有以下特點。光電材料顆粒處于納米尺度范圍內(nèi)時，會顯示出與塊體不同的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，其原因是隨著粒徑的減小而產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于半導(dǎo)體的載流子限制在一個小尺寸的勢阱中，在此條件下，導(dǎo)帶和價帶能帶過渡為分立的能級，因而有效帶隙增大，吸收光譜閾值向短波方向移動，這種效應(yīng)就稱為尺寸量子效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)不僅造成超微粒的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，而且它的電學(xué)性質(zhì)也有明顯的不同，隨著顆粒粒徑的減少，有效帶隙增大，其光生電子與塊體相比具有更負的電位，相應(yīng)地具有更強的還原性，而光生空穴因具有更正的電位而具有更強的氧化性。納米半導(dǎo)體的另一個顯著特性就是表面效應(yīng)，粒子表面原子所占的比例增大。例如，一個5cmCdS粒子約有15%的原子位于粒子表面，當(dāng)表面原子數(shù)增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子決定。表面原子數(shù)的增多，原子配位不滿以及高的表面能，導(dǎo)致了納米微粒表面存在許多缺陷，使這些表面具有很高的活性。因此，納米光蒂娜材料體現(xiàn)出比塊體光電材料更高的光催化活性。⑸以下是納米光電材料制備方法的優(yōu)缺點比較：應(yīng)用舉例制備方法應(yīng)用舉例化學(xué)沉淀法溶膠-凝膠法通過在原料溶液中添加適'與的沉淀劑，化學(xué)沉淀法溶膠-凝膠法通過在原料溶液中添加適'與的沉淀劑，i上原料溶液中的陽離『形成相應(yīng)的沉淀物（沉淀顆粒的大小和形狀由反應(yīng)條件來控制）,然后再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、熱分解等工藝過程而獲得納米粉體的方法.依其沉淀方式可分為：直接沉淀法和均勻沉淀法兩種.以無機鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)物,經(jīng)水解縮聚過程逐漸凝膠化，然后作相應(yīng)的后處理而得到所需的納米粉體，溶液pH值、溶液濃度、反應(yīng)時間和溫度是影響溶膠、凝膠質(zhì)量的主要因素.產(chǎn)物純度較高，工藝簡單，對設(shè)備、技術(shù)要求不太高，化學(xué)計量性較好，生產(chǎn)成本較低，易于工業(yè)放大生產(chǎn).但分散性較差，有團聚，且洗除陰離子較繁雜.可在低溫條件下制備純度高、分散性好、粒徑分布均勻、化學(xué)活性好的納米材料，操作簡單，且不需貴重設(shè)備，有工業(yè)化生產(chǎn)潛力.但原料成本高，在高溫下作熱處理時有團聚.TiO,Dl,32]微乳法山水、油（有機溶劑）、表微乳法山水、油（有機溶劑）、表而活性劑及其助劑組成透明或半透明的，各相同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系.其中水被表面活性劑及其助劑單層包裹形成“微水池”,通過控制“微水池”的尺寸來控制粉體的大小，制備納米物質(zhì).裝置簡單.操作容易,粒子均勻可控等諸多優(yōu)點，但成本費用較高，仍有團聚問題.進入匚業(yè)化生產(chǎn)，目前有一定難度.水熱合成法在密閉體系中，以水為溶劑，在一定溫度和水的自生壓強下，原始混合物進行反應(yīng)的一種合成方法.由于反應(yīng)在高溫、高壓、水熱條件下，反應(yīng)物質(zhì)在水中的物性與化學(xué)反應(yīng)性能發(fā)生了很大變化，而不同于般制備方法.能直接制得結(jié)品完好水熱合成法在密閉體系中，以水為溶劑，在一定溫度和水的自生壓強下，原始混合物進行反應(yīng)的一種合成方法.由于反應(yīng)在高溫、高壓、水熱條件下，反應(yīng)物質(zhì)在水中的物性與化學(xué)反應(yīng)性能發(fā)生了很大變化，而不同于般制備方法.能直接制得結(jié)品完好，原始粒度小、分布均勻，團聚少的納米粉體，制備匚藝相對簡單.無需烙燒處理.但是高溫高壓下的合成設(shè)備較貫，投資較大.Zn(P71激光誘導(dǎo)氣相沉積法具有顆粒小、粒度分布窄、分散性好、純咳高、不團聚等優(yōu)點，但能耗大，粉體回收率低，花費成本高，難以工業(yè)化生產(chǎn).它是利用反應(yīng)氣體分子（或光敏劑分子）對特定波愴激光束的吸收，引起反應(yīng)氣體分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，獲得超細粒激光誘導(dǎo)氣相沉積法具有顆粒小、粒度分布窄、分散性好、純咳高、不團聚等優(yōu)點，但能耗大，粉體回收率低，花費成本高，難以工業(yè)化生產(chǎn).三、總結(jié)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，要盡快使納米品等其他太陽電池材料技術(shù)成熟，達到工業(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)定性等將會得到進一步提高?？傊?，太陽能光伏發(fā)電量在21世紀的能源比例將逐漸加大。隨著太陽電池的價格逐漸降低，在生產(chǎn)和生活中會有更多的太陽能產(chǎn)品被應(yīng)用。（6）參考文獻郝偉，舒雋，張粒子.新能源發(fā)電技術(shù)綜述.華北電力大學(xué)第五屆研究生學(xué)術(shù)交流年會.宋力昕，章俞之.太陽能利