太阳能电池的应用

引言

1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。自此开启了太阳能电池的新纪元。硅系太阳能电池已从单晶，多晶硅发展到非晶硅，从块状发展到薄膜，实现第一代到第二代的的转换。

20世纪后期，各种化合物薄膜电池兴起，呈现欣欣向荣的局面。碲化镉，砷化镓，铜铟镓硒如雨后春笋般地登上舞台。

有机物薄膜电池也不甘寂寞，在沉寂了数年之后也焕发出勃勃生气。

21世纪注定是太阳能利用的新世纪。那么，在诸多太阳能电池中，究竟哪些会脱颖而出，或者说占主导地位呢？

一． 太阳能电池的工作原理

太阳能电池发电原理： 太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生

了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

晶体硅太阳能电池的制作过程： “硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

二．各种太阳能电池的优劣 1．单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是最早实现商业化的一种太阳能电池，商业光电转换效率为16%～20% 。原料硅来源丰富，它的结构和生产工艺已定型, 产品已广泛用于空间和地面。但用作太阳能电池的不是普通的硅，而是99.9999%的高纯硅。硅的提纯工艺复杂, 电耗很大, 在太阳能电池生产总成本中己超过了1/2。另外，目前冶炼的时候多用煤炭作为燃料，且用改良西门子法提纯硅时会产生大量的硅氯化合物，如果处理不当，将会造成很大的污染，这种情形在中国尤其严重。

2．多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池使用的多晶硅材料, 多半是含有大量单晶颗粒的集合体, 或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。因此成本相对单晶硅来说要小，污染也降低了，但随之而来效率也降低了，商业转换效率大概在12%～13% 。

3．无机薄膜太阳能电池

由于高纯多晶硅价格飙升，使得晶体硅电池价格上涨，为薄膜太阳能电池带来了行业机会。薄膜太阳能电池，由于所用材料远远少于块状太阳能电池，所以成本要远低于块状太阳能电池，当然砷化镓太阳能电池除外。

4．多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅薄膜太阳能电池一般采用气相沉积法制备。它所使用的硅远较单晶硅少, 又无效率衰退问题, 并且可以在廉价衬底材料上制备, 其成本远低于单晶硅电池, 而效率高于非晶硅薄膜电池。因此,多晶硅薄膜电池将成为薄膜太阳能中发展速度最快的电池。

5．非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜光伏电池与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同, 硅材料消耗少、电耗低能，一般用辉光放电法、反应

溅射法等制备。它能够在较低的温度下直接沉积在廉价衬底上，有大幅度降低成本的潜力，适合用于建筑光伏一体化以及大型太阳能并网发电系统，但光电转换效率偏低, 国际先进水平为10%左右, 且不够稳定, 常有转换效率衰降的现象。因而非晶硅薄膜电池的发展受到制约。

6．硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池

为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池，以解决硅系材料普遍存在的冶炼硅污染问题。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟镓硒薄膜电池等。

上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代物。 7．砷化镓太阳能电池

GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为太阳光高吸收率的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，特别适合做高温聚光太阳电池。但这种电池制备主要采用MOVPE和LPE技术，因此成本较高。由于镓比较稀缺，砷有毒，此种太阳电池的发展也受到影响。

8．铜铟硒、铜铟镓硒太阳能电池

铜铟硒太阳能电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。它是一种多晶薄膜结构，为直接带隙材料，一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10％以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的太阳能电池。

铜铟镓硒太阳能电池简称CIGS,是在铜铟硒太阳能电池的基础上，以镓取代部分的硒而制成。由于镓的掺入，使得带宽在1.0—1.7eV连续可调，适于太阳光的光电转换,另外，这种电池也不存在光致衰退问题。制备方法主要有共蒸发法和溅射后硒化法。目前最高效率已达到19.9 % ，商业转换效率也达到了13%—15%左右。CIGS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这两类电池的发展又必然受到限制。

无机薄膜电池尽管大大节省了电池材料，但在商业化时也面临了一些难以解决的问题：沉积薄膜的速率慢，薄膜晶粒尺寸小，沉积的温度较高，少数载流子的扩散长度较短。所以虽然电池的薄膜技术已经被人们广泛接受，被认为是最具有潜力的方式，但要真正与块状电池抗衡还有很长的一段路要走。 三． 太阳能电池的市场分析

2007年的太阳能电池产能，结晶硅型具有绝对优势，占整体的近90％。但08年以后该比例将下降，2012年将降至62％左右。而非晶硅（a-Si）型、串联型和CIGS型将分别增至12％、8％和7％。 另外，欧洲和亚洲厂商将涉足此前主要是美国厂商从事的CdTe（碲化镉）型太阳能电池的生产。因此，2012年CdTe型的构成比例将占4.4％。但色素增感型仍将不足1％。上述数据参照了法国调查公司Yole Developpement就560家工厂所做调查的结果。 接下来看一下08年欧洲、美洲、亚洲以及其它地区的产能。美洲的结晶硅型所占比例低于40％，但其它3个地区超过了70％。在产能最大的亚洲，结晶硅型的比例非常高，约为90％。美洲产能虽不及亚洲和欧洲，但各类型的构成比例很有特点。美洲的结晶硅型产能所占比例较低，但a-Si型、CIGS型和CdTe型的比例都很高。 四． 太阳能电池与环境

为更好地了解太阳能带给能源和环境的利与弊，美国罗切斯特理工学院研究小组的科学家日前表示，他们完成了有机太阳能电池的寿命周期等多项评估中的一项。研究结果显示，生产有机太阳能电池所需的总能源比生产普通无机太阳能电池的要少。

太阳能有望捧起石油能源产品的“接力棒”，承担起为人类提供能量的重任。然而，当前的太阳能电池技术存在着某些问题，比如无法产生恒定的能量输出、大规模生产的成本比较昂贵等。此外，关于太阳能产品对环境总体影响的信息也并不完备。

该研究项目的带头人、罗切斯特理工学院可持续性博士项目的博士生安尼克·安克狄尔认为，有机太阳能电池可卷曲且重量轻，有望低成本生产，比主要依靠无机半导体材料生产太阳能电池的技术更具优势。然而，过去关于利用有机材料生产太阳能电池技术对能源和环境影响的评估并不完整，要获得更广泛的分析，还需要更好地评估无机太阳能电池生产和使用的整体影响。

在研究中，安克狄尔和同事通过评估无机太阳能技术的综合寿命，力图计算出有机太阳能电池在材料获取、制造、大规模生产和使用中的总能耗以及对环境的影响。安克狄尔认为，过去对有机太阳能电池技术寿命进行的评估中，没有包括对有机太阳能电池里各种材料的分类计算，即没有计算无机太阳能电池的整体能量偿还，也就是电池使用时产生的能量与生产时所需要的能量之比。 研究人员发现，与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的能量偿还时间更短。研究人员表示，他们获得的数据将帮助设计人员和潜在的生产商更好地把握如何利用和提高有机太阳能电池技术；分析与其他太阳能和替代能源技术相比，有机太阳能电池技术的可行性。

五．太阳能电池面临的主要问题

1．染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）

2． 纳米材料（如何获得制备方法简单、尺寸分布可控的纳米材料？）

3． 电解质及基体材料（为达到商业化的目标 溶液电解质要逐步用固体电解质取代，以提高稳定性和使用寿命）

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