第七章太阳能电池

1、 太阳能电池技术1、引言2、太阳能电池的工作原理与特点3、太阳能电池的分类4、国外太阳能电池的发展趋势5、国内太阳能电池发展现状6、当今国内外新型高效太阳能电池技术引言 随着环境污染和能源枯竭等问题的日益突出，近年来，世界各国竞相实施可持续发展的能源政策。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生绿色能源，充分利用太阳能资源有利于环境的改善。 太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.81023 kW，其中20亿分之一到达地球大气层，到达地球大气层的太阳能有30被大气层反射，23被大气层吸收，其余的到达地球表面，功率约为800000亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的能

2、量。太阳能资源的优缺点及利用方式优点：（1）普遍；（2）无害；（3）巨大； （4）长久 。 缺点： （1）分散性；（2）不稳定性。 太阳能的利用方式 （1）太阳能的热利用 所用设备有 平板式太阳能集热器、真空管集热器 、箱式太阳灶具等。 （2）太阳能的光电利用 利用太阳能电池将太阳能转换成电能。 （3）光化学利用。太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史 1954 1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8 8。19731973年世

3、界爆发石年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近1010几年来，随着几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电为太阳能电池产业创

4、造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。在电池设备业的发展。在1997199720062006年的年的1010年中，世界光伏产业扩大了年中，世界光伏产业扩大了2020倍，今后倍，今后1010年世界光伏产业仍以每年年世界光伏产业仍以每年3030以上的增长速度发展。以上的增长速度发展。世界太阳能电池发展的主要节点世界太阳能电池发展的主要节点v1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6v1955 第一个

5、光伏航标灯问世，美国第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明发明Ga As太阳能电池太阳能电池v1958 太阳能电池首次装备于美国先锋太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为号卫星，转换效率为8。v1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。第一个单晶硅太阳能电池问世。v1960 太阳能电池首次实现并网运行。太阳能电池首次实现并网运行。v1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。v1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世非晶硅及带硅太阳能电池问世v1978 美国建成美国建成100KW光伏电站光伏电站v1980 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池

6、效率达到20多晶硅为多晶硅为14.5，Ga As为为22.5v1986 美国建成美国建成6.5KW光伏电站光伏电站v1990 德国提出德国提出“2000光伏屋顶计划光伏屋顶计划”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达太阳能电池问世，效率达32。v1997 美国提出美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计新阳光计划划”v1998 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出，荷兰提出“百万光伏屋顶计划百万光伏屋顶计划”v2000 世界太阳能电池总产量达世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划，欧

7、洲计划2010年生产年生产60亿瓦光伏亿瓦光伏电池电池并网发电系统及工作原理太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构及工作原理 上面是掺有5价元素磷、并依靠大量电子导电的N型半导体。下面是掺有三价元素硼、并依靠空穴导电的P型半导体。界面处即为PN结。N型半导体表面布有很细的金属栅线，另一面紧贴P型硅。为了减少反射，整个电池表面覆盖一层透明的减反射模。太阳能电池发电原理 当太阳光照射到电池表面时，大部分光线穿过减反射膜进入硅电池，其中能量大于禁带宽度的光子被硅吸收以后激发出光生载流子，在N区产生的光生空穴向PN结扩散，并被内电场推向P区，P区的光生电子则被推向N区。因此在被照射的太阳能电池中，

8、N区积累了大量的电子，而P区积累了大量的空穴，在PN结两侧出现了光生电动势。若在两电极间接上负载，则会有光生电流通过负载，从而能完成了将太阳光能转换成电能的过程。太阳能电池的特点 太阳能电池具有绿色环保、没有运动部件、建设周期短、维护简单、安全可靠等，同时，太阳能光伏还具有降低温室气体和污染物排放、保证能源安全等优势。符合当今世界的环境保护和可持续发展的要求和趋势，它的应用十分广泛。 评价太阳能电池的指标 1、开路电压（ ）：当电势增长到正向电流恰好抵消光致电流时达到稳定状态，这时的电势差称为开路电压。 2、短路电流 ：当外接负载很低时流过电路的电流等于光致电流，称为短路电流。 3、填充因子（

9、FF）：电池最大输出功率与开路电压与短路电流乘积的比值。实际中为0.6-0.75 。 评价太阳能电池的指标 4、光电转换效率(IPCE)：单位时间内转移到外电路的电子数与入射的光子数之比。 5、能量转换效率 ：太阳能电池的最大功率输出与入射太阳光的能量 之比。 太阳能电池的分类 太阳能电池根据所使用的材料的不同，可以分为晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、有机物太阳能电池、纳米晶太阳能电池。太阳能电池分类太阳能电池分类按结构按结构分类分类同质结同质结太阳电池太阳电池异质结异质结太阳电池太阳电池肖特基肖特基太阳电池太阳电池按材料按材料分类分类硅太阳硅太阳电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶太阳电池太阳电池有

10、机化合物有机化合物太阳电池太阳电池塑料塑料太阳电池太阳电池无机化合物无机化合物半导体半导体太阳电池太阳电池按光电转换按光电转换机理机理传统传统太阳电池太阳电池激子激子太阳电池太阳电池种类种类材料材料转换效率（）转换效率（） 优点优点 缺点缺点晶硅太阳能电池单晶硅24.70.5耐用、转换效率高，技术成熟，寿命长制造能耗高，成本高，工艺复杂多晶硅20.30.5生产成本较低，工艺简单，适合大规模生产效率低于单晶硅薄膜太阳能电池非晶硅11.70.4成本低，工艺简单，在弱光下也可以工作转换效率偏低，且存在光致衰减问题砷化镓（GaAs）24.50.5光学带隙十分理想，较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏

11、感材料价格不菲碲化镉（CdTe）16.50.5效率较高，成本低廉，稳定，易于规模生产原材料镉有剧毒铜铟镓硒（CIGS）19.50.8价格低廉，性能良好，工艺简单铟和硒比较稀有有机太阳能电池有机物3.00.1有韧性，成本低廉，选择余地大，加工容易，可制造面积大对光的吸收率低，导致转换效率低纳米晶化学太阳能电池染料敏化TiO210具有较高的热稳定性和光化学稳定性，成本低廉，工艺简单敏化剂的制备成本高太阳能电池的应用太阳能电池的应用 上世纪上世纪6060年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过通信卫星供电，

12、上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电

13、系统公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势建筑系统的结合已经形成产业化趋势 v用户太阳能电源用户太阳能电源1.1.小型电源小型电源10-100W10-100W不等，用于边远无电地区如高原、不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等电视、收录机等 太阳能电源太阳能电源 太阳能逆变器太阳能逆变器2. 3-5KW2. 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发

14、电系统；3.3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉v 交通领域交通领域 如航标灯、交通如航标灯、交通/ /铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示/ /标志灯、标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路路灯、高空障碍灯、高速公路/ /铁路无线电话亭、铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。无人值守道班供电等。v通讯通讯/ /通信领域通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/ /通讯通讯/ /寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵型通信机、士兵GPSGPS供

15、电等。供电等。v石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/ /水文观测设备等水文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池海洋气象监测标 v家庭灯具电源家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。黑光灯、割胶灯、节能灯等。v光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电

16、站、各独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。种大型停车厂充电站等。国外太阳能电池的发展趋势(1)晶硅电池追求降低成本与制造能耗新一代多晶硅工艺技术研究空前活跃继续向高效化、薄型化和大面积方向进展降低每瓦成本转换效率越来越高：14%18%20%；硅片面积越来越大：从103mm103mm125mm125mm156mm156mm210mm210mm（目前主流），未来两年将达到210 mm 210 mm； 硅片越来越薄：300m270m210m180m。100m的厚度正在研发。（2 )薄膜太阳能电池在未来5年将成为主流 薄膜电池具有安全、可折叠、方便连接、轻巧、抗热性能好、不易破损

17、等特点。目前，世界上至少有40个国家正在开展低成本、大面积、高效率的薄膜电池的实用化技术研究，先后发展了非晶硅、碲化镉、CIS等薄膜电池。 市场预测，近期薄膜电池的需求增长速度将是晶硅电池的两倍，2013年之前薄膜硅和晶硅电池都在发展，但2013年后薄膜硅电池将成主流。（3）基于新材料、新结构和新工艺等下一代新型太 阳能电池不断涌现。国内太阳能电池的发展现状 20032007年5年间，世界太阳能电池的平均增长速度为35，而中国太阳能电池年平均增长速度高达150%。2007年中国光伏电池年产量约1GW，占世界的1/4，仅次于日本和欧洲位居全球第三。20062007年，陆续有10家中国光伏企业在海

18、外上市。尽管如此，由于面临越来越激烈的市场竞争和硅材料短缺等问题，中国的太阳能电池行业存在着严重的问题。 我国太阳能产业的特征 （1）在材料电池片组件应用系统产业链中，呈现明显的小头大尾现象，组件及应用系统因其技术门槛和投资门槛低、投资见效快，生产厂家的数量远多于上游企业； （2）位于产业源头的硅材料严重依赖于欧美日等国，应用市场主要依赖于国际市场。硅原料短缺成为制约我国太阳能电池产业发展的主要瓶颈。 目前，太阳能电池的性能不断改进，主要目的是降低生产成本，提高光电转换效率。作为太阳能电池材料，其中: （1）由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成

19、为市场的主导产品； （2）-族化合物及铜铟镓硒（CIGS）等属于稀有元素，尽管转换效率高，但从材料看，该类电池不可能占据主导地位；CdTe太阳能电池受到主要原料镉有毒的影响，他的推广必须搭配庞大的回收体系，目首前厂商投入较少。 CIGS电池的高转换效率（目前产品转换效率据各类薄膜电池之首）以及c-Si(含堆栈型电池)的大面积生产优势，则获得更多厂商积极的追捧，未来也都有市场的发展空间。（3）染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究已经取得了喜人的成绩，但存在敏化剂的制备成本以及液态电解质的易泄露、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷，使得制备全固态太阳能电池成为一个必然方向，但目前全固态太阳能电池的光

20、电转换效率都不很理想。 纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染、长寿命的巨大优势挑战未来，迅速成为广大科学工作者研究的热点和重点，随着科技的发展以及研究的推进，这种太阳能电池应用前景广阔无限。 制约太阳能电池转换效率提高的内在因素有 1、材料的光谱特性造成的限制 由于材料各自禁带宽度的限制，入射到电池材料表面的太阳光只有一部分能被吸收而发生光电转换，且只对一种材料对应的峰值波长光子表现出较高的转换效率。如硅光电池对波长在0.3811m区域的光子能有效的吸收，在峰值0.8m左右光电转换效率最大。 2、材料内部载流子的复合造成的限制 产生于P区或是N区的电子-空穴对要通过浓度梯度导致的扩散到达结界

21、面处，之后由内建电场把他们分开。只有满足离PN结的距离小于它们的扩散长度，才有可能对电荷积累产生贡献。 提高太阳能电池转换效率的实践方法（1）通过结构改进和创新来提高转换效率 非晶硅光学带隙为1.7eV，对太阳辐射的长波长区不敏感，而且还存在S-W效应。解决途径就是制备叠层太阳能电池：它把不同禁带宽度的材料组合在一起，提高了光谱的响应范围；电池顶层的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证该层中的光生载流子抽出；底电池产生的光生载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小。 将电极作成手指状，以增加入射光的面积。 将表面制成金字塔型的组织结构，并加入抗发射层，以减少光的反射量。 将电极均作在同一

22、平面，可增加入射光的面积，且易于焊接。 （2）开发新材料提高转换效率 有机材料具有柔性好、制作容易、材料来源广泛，成本低等优势。有机太阳能电池将使太阳能的利用变的便宜与充满前景。纳米材料太阳能电池具有廉价的成本、简单的工艺及稳定的性能。 （3） 利用全新的构思来提高转换效率 如果将搜集太阳能和完成光电转化两个过程进行分离，分别用一个高效的装置去完成，将很大程度提高效率。用特殊的“聚光镜”使吸收效率成很大倍数的增加，以及高效率的转换器件。当今太阳能电池新技术（1） - 高效三阶电池太阳能电池高效三阶电池太阳能电池 三结GaAs电池具有很好的高温特性，在高倍聚光时可获得很高的输出功率。以GaInP

23、/GaAs/Ge为主要部件的聚光太阳能电池效率达到40%以上，空间平均效率最高超过30%。2007年8月美国能源部的20倍聚光的的三结GaAs电池转换效率达42.8%。 （2）高效聚光多结太阳能电池）高效聚光多结太阳能电池 利用菲涅耳透镜或抛物面反射镜来聚光，从而获得高强度的太阳光，实现的主要技术难点是怎样控制反射镜来保证一直将太阳光反射到电池板上，还有就是电池板的冷却技术（随着温度的升高太阳能电池的输出效率会降低）。 据预测，使用三个以上的PN结、并改善材料与设计，将能够达到58%的理论效率值。 在我国内蒙古鄂尔多斯市建立的建立的聚光光伏电站，采用八面体反射镜围成的聚光器或称“光漏斗”和普通

24、光伏电池构成一个个分立的发电单元，这种新的聚光曲面和跟踪方法比传统聚光效果提高几倍到几十倍，并一次性实现了聚光与跟踪同时进行的设计模式。 (3) 柔性柔性CIGS（铜铟镓硒）太阳能电池）太阳能电池 这种半导体材料具有转换率高、不易老化、经久耐用、耐放射线等优点。由于十分轻薄，该材料制成的太阳能电池可以弯曲，可应于凹凸的墙面和物体表面。通过在CIGS材料层与基板之间铺设碱化合物硅酸盐玻璃层，可以大幅度促进CIGS材料层的能量转换，转换率达到17.7%,创造了世界纪录。 (4) 可聚太阳能的玻璃窗可聚太阳能的玻璃窗 麻省理工学院的科学家按特殊比例混合至少两种涂料制成一种聚能材料，涂料涂在特殊玻璃窗

25、或塑料嵌板上。这些涂料能一起工作以吸收大范围的波长，然后以不同波长重新发射，并通过嵌板传送给窗边缘的太阳能电池上。这种可吸收大范围波长的聚光器能使太阳能电池在每个波长上达到最优解，大大减少了光线在传输途中的损失，最终由太阳能电池转化而来的能量可达原来的十倍。 （5）印刷式太阳能电池）印刷式太阳能电池 Nanosolar采用在大气中将铜铟镓硒纳米粉体直接喷洒于铝箔之上，制成可弯曲的太阳能电池，藉由印刷制程，将这些粉体依正确的原子比例完整且均匀地沉积于基板上，该电池制备简单、快速、产量大，所用设备便宜而且容易保养。由于使用了铝箔作为基板，其导电率大大提高。 Nanosolar称其实验室产品转换率可

26、达16，却未公布其商业化产品转换率，外界人士估计其仅有不到10。另外，铟和硒均属稀有贵金属，油墨法涂覆在铝箔上的涂层是否能够稳定保持25年以及铝是否比玻璃更好，这些都是应该担心的问题。 (6) 半导体纳米材料太阳能电池半导体纳米材料太阳能电池 传统的太阳能电池中，一个光子只能精确地释放1个电子，而半导体纳米晶体中，一个光子可释放出2个或2个电子，这就是所谓的“雪崩效应”。释放出的电子越多 ，太阳能电池的输出功率越大，它的最大输出能源效率将能达到44%。使用纳米技术的新型太阳能供电系统，可以将回收成本的时间由原来的45年缩短至不超过1年。 同时可以将光电转换电路印制在塑料薄膜材料上制成太阳能电池片，不仅使生产速度大大提高，而且印制的电路线宽仅有头发直径的十万分之一，还可以卷曲，以收集更多的太阳能。 纳米结构材料是在十亿分之一米的尺度上制造的材料。 两种制造太阳能电池材料的纳米技术方法已经显示出了特别的前景，参杂和量子点敏化都增强了金属氧化物材料对可见光的吸收，将两种方法结合起来，整个材料的功能