材料技术在发展太阳能电池的关键作用

1、材料技术在开展太阳能电池的关键作用论文导读：本文将就太阳能电池的材料研究现状以及开展趋势进行讨论。提出了第三代太阳能电池的概念。环保理念，材料技术在开展太阳能电池的关键作用。关键词：环保理念，太阳能电池，第三代太阳能电池1文明的危机环境破坏是始于农业畜牧文明的形成，在农牧文明上形成了城市文明，进一步推进了环境的破坏。古代文明繁荣的地区美索不达亚、埃及、印度全都彻底地破坏了环境。发表论文，环保理念。古代中国的小麦文明在黄河流域产生时，生长着高大的树木，极其茂密的森林。随着文明程度的提高，逐渐地由采集转变为农耕，由狩猎转变为畜牧，森林作为木材砍伐，木材又制造出各种用具。虽然农耕文明的诞生维持了几千

2、年的文明，但农耕不知不觉消灭了森林，使土地变成了不毛之地，结果彻底的破坏了环境。而这种文明的开展图式一直延续到现在，污染了河流，污染了空气。使得现在的黄土高原变成了寸草不生的一片肃杀的景象。看到黄河流域发祥地的荒凉情景，不经让人不寒而栗，这是文明带来的后果吗？这种加速环境恶化的做法，兴旺国家的呼声最大。一方面是批评的声音，认为兴旺国家不应该购置第三世界国家的原材料。而另一方面是不断限制开展中国家的能源消费。这些做法固然可以防止森林被消灭。发表论文，环保理念。但实际上，兴旺国家在开展过程中其实不断地破坏环境，如美国原先更广阔的原始森林，现在都开垦出来畜牧。欧洲的英国、德国都砍伐了森林，变为农场或

3、牧地。当开始注意到文明的开展伴随着环境的破坏时，兴旺国家已经没有森林了。因此，空洞地要求不去开发第三世界的森林资源并不能够解决环境的问题【1】。除了限制砍伐和消灭森林，兴旺国家更应该用现在所拥有的土地来植树造林！同时，开展中国家希望今后经济上富裕起来，而兴旺国家却自私的将共存、循环之类的概念强加于他们。京瓷株式会社创始人稻盛和夫认为，兴旺国家必须主动付出牺牲，如开展中国家开始有限地使用石油资源，就必须减少兴旺国家的能源消费量，以取得消费的平衡。但当美国、日本、西欧等兴旺国家把每人能源消费量减少一半，也不能使得中国和印度人均消费额增加到现代兴旺国家的一半。因此，我们现在所处的是非常严重的状态。环

4、境的破坏问题是人类的最重大的问题。近代对自然的观念是：自然是人的奴隶。在笛卡尔，培根的思想中，人越是了解自然，就越能驱使自然。进入20世纪后，由于科学技术的开展，反把自然当作奴隶了，这是现代人的文明。对于环境，重要的是一边竞争一边共存。人类没有任何竞争而同其他万物众生共存，就会否认社会的开展。我们需要在现实根底上重新建立新的文明。在靠采集狩猎生活的远古时代，人类和自然协调共存。随能源消费文明的诞生和开展，森林减少、沙漠化等问题越来越严重。另外身处孤岛或穷乡僻壤的人们，很难得到电的恩惠，无法过上现代化的便利生活。人类怎么才能不影响环境而实现社会的可持续开展呢？其答案，就是太阳能发电。它必将成为人

5、类生活必不可少的能源，这成为全世界的共识，正以全球规模不断在城市、森林、沙漠以及等待新能源的人们之中普及开来。太阳电池的本钱取决于太阳电池的组件、电力的存储与转换，电池组件的支持与架设、土地与场地及设备的费用等，在所有的这些费用中，材料费用是最大的支出，占总本钱的60-80%，因此，从太阳电池产业的开展上看，可以从以下几个方面来改良：首先，要减少材料消耗；其次，要减少制造过程中的能耗；第三，要减少生产线设备投资，降低太阳电池产业的入门槛。本文将就太阳能电池的材料研究现状以及开展趋势进行讨论。2. 太阳能电池的材料研究现状及其进展太阳每年投射到地面上的辐射能高达约1千瓦时，相当于1.3亿吨标准煤

6、。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6万多年。可以说它是取之不尽，用之不竭;的能源。光伏发电系统主要由太阳电池板组件、控制器和逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、无噪声、无污染、不受地域限制、安装维护简便、规模大小随意【2】。更诱人的是在太阳能与建筑一体化的过程中的亲合力。太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材【3】。发表论文，环保理念。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。发表论文，环保理念。但

7、目前，太阳能电池还只太阳光谱中的可见光和近红外区域进行吸收和，能量转化率只有15%左右。光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为无电地区居民生活生产提供电力、微波中继电源、以及移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；三是并网发电，这在兴旺国家已经大面积推广实施。自20世纪80年代以来，我国太阳能电池产业化得到迅速开展，全球光伏市场每年以30%40%的速度持续高速增长。2005年全球太阳电池产量为1727MW,比2004年增长了44%,日本占总产量的46%,欧洲占总产量的28%。2005年全球兴建新的太阳电池制造厂的投

8、资超过了10亿美元【4】。我国政府已将可再生能源的开发利用作为国家能源战略的重点之一，将可再生能源定位为战略替代能源;。2006年?中华人民共和国可再生能源法?的实施促进了可再生能源的开发资源。2021 年北京奥运场馆外墙贴光伏电池，周围80%-90%的路灯和洗浴热水我国太阳能光伏发电的将会转向并网发电系统而且大规模开展沙漠电城市屋顶发电系统。太阳电池产业化已经列为十一五产业规划重点，?可再生能长期规划?中提出：到2021年，我国太阳能光电总容量将到达40万kW，2021年到达220万kW。新政策将促进我国太阳能光伏发电的开展，使太阳能光伏发电量上升到一个新平台。太阳能电池中最重要，最关键的组

9、成局部就是半导体材料层，它与太阳能电池的转换效率有重要的联系。根据材料的种类和状态的不同，太阳电池按结晶状态可为结晶系和非结晶系两大类，前者又分为单结晶型和多结晶型；按材料分为硅薄膜型、化合物半导薄膜型和有机聚合物薄膜型。第一代单晶硅太阳电池效率高,但高纯硅工艺复杂且本钱高。非晶硅薄膜太阳电池制备工艺相对简单，易实现自动化生产，已在1980年开始实现产业化生产，但非晶硅薄膜太阳电池存在光致衰减效应，因而阻碍了它的进一步开展。多晶硅薄膜太阳电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料本钱低可大面积制备的优点，且无光致衰减效应，因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。另外，CIGS薄膜作为一种

10、性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一，其光电转化效率高,性能稳定而且不会发生光致衰减效应。2.1 晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池是光伏市场上的主导产品，其优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料。 其缺点是生产本钱高。人们探索各种各样的电池结构和技术来改良电池性能，进一步提高效率. 如发射极钝化、反面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等。2.2 硅基薄膜太阳电池多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太阳电池大幅度降低太阳电池价格。非晶硅是硅和氢约10%的一种合金，非晶硅的光吸收系数大，因而薄膜厚度可以大大降低；其次

11、，非晶硅薄膜太阳电池的制造工艺简单，沉积温度低约200，可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产本钱低，便于工业化大规模生产。其缺点是由于非晶硅禁带宽度为1.7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，且其效率会随着光照时间的延续而衰减即光致衰退，使电池性能不稳定；另外沉积速率低，后续加工困难，沉积过程中存在大量的杂质，影响薄膜的质量和电池的稳定性。多晶硅薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。发表论文，环保理念。它在长波段具有高光敏性,对可见光能有效吸收,且具有与晶体硅一样的光照稳定性,因此被公认为高效、低耗的最理想的光伏器件材料。其产量占硅太阳能电池的50%左右，

12、使太阳能的主要产品之一，澳大利亚新南威尔大学采用热交换发生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池，转换效率到达19.8%，日本京都陶瓷公司研制的15cm*15cm 的多晶硅太阳能电池转换效率到达17%。但由于对多晶硅薄膜材料的研究还不够深入，膜生长技术还在探索，以及薄膜多晶式在原理上的研究还在探讨阶段，致使多晶硅薄膜电池还处于开发阶段。2.3 化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池主要有铜铟硒CIS和铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等，直接带隙材料，带隙宽度在1-1.6eV之间，具有大范围太阳光谱响应特性。所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大局部，是具有极大开展潜力的太阳能电池材料。GaAs太

13、阳能电池目前转化效率超过40%，但GaAs材料非常昂贵且As有毒，所以限制了大面积推广。CIS电池中所需薄膜厚度很小约2m，吸收率高达105/cm。CIS中的In用Ga替代，使得半导体的禁带宽度可以在1.04-1.65eV变化，CIS和CIGS电池晶体结构和化学键稳定，尚未发现光致衰退效应，因而其使用寿命更长。廉价、高效、性能稳定和较强的抗辐射能力得到各国 重视，成为最有前途新一代太阳电池，非常有希望在未来十年大规模应用。日本壳牌石油公司已经完成技术开发,并准备建设10-20MW级生产线，日本本田公司、美国Shell Solar公司、德国的Wurthsolar公司也开始开展产业化路线。但其缺点

14、是Se、In都是稀有元素，材料来源受到一定限制。CdTe电池的带隙1.5eV,光谱响应与太阳光谱十分吻合，性能稳定，光吸收系数极大，厚度为1m的薄膜，足以吸收大于CdTe禁带能量的辐射能量的99%，是理想化合物半导体材料，理论效率为30%【5】，是公认的高效廉价薄膜电池材料。缺点是Cd有毒，会对环境产生污染。因此，CdTe电池适合在空间等特殊环境。2.4 染料敏化 TiO2纳米薄膜太阳电池1991年瑞士Gratzel教授以纳米多孔TiO2为半导体电极，以Ru络合物作敏化染料，并选用I2-/I3-氧化复原电解质，开展了一种新型的染料敏化TiO2 纳米薄膜太阳电池DSC。DSC具有理论转换效率高，

15、透明性高，廉价本钱和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10%以上【6】。缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响。染料敏化TiO2纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视。发表论文，环保理念。目前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点。2.5 第三代太阳能电池新南威尔士大学队太阳能电池中能量损失机理进行了研究，他们发现造成太阳电池的能量损失主要是热损失。光生载流子对很快将能带多余的能量以热的形式损失掉；另一主要的能量损失是由电子-空穴对的重新结合引起的；还有一局部能量损失是由PN结和接触电压损失引起的。为减少热损失，设法让通过太阳能电池的光子能量刚刚大于能带能量，

16、使得光子的能量激发出的光生载流子没有多余的能量可以损失;为减少电子-空穴结合所造成的损失，设法延长光生载流子的寿命，消除不必要的缺陷;减小PN结的接触电压损失，可聚集太阳光，加大光子密度的方法来实现。基于以上分析，提出了第三代太阳能电池的概念。第三代太阳能电池主要有前后重叠电池、多能带电池、热太阳能电池、热载流子电池、和冲击离子化太阳能电池或量子点电池等。表一太阳能电池的开展Table 1 Three generations of solar cells 开展阶段 材料类型 光电转换效率 特征 第一代太阳能电池 单晶硅 15%-24.7%UNSW 光、电、力学性能均匀，造价高，工艺成熟，商品化

17、 多晶硅 12-20% 铸锭成型，性能稳定，本钱较低，产业化程度高 第二代太阳能电池 薄膜技术 非晶硅a-Si 6%-16.6% 吸收系数较高，节省硅材料。但存在光致衰退效应 多晶硅(poly-Si) 10%-11% 良好的长波吸收特性 铜铟(镓)硒CIS/CIGS 11%-19.2% 廉价、高效、稳定、电池良品率低，未产业化 碲化镉CdTe 16.5% 高校、稳定、廉价，镉为有毒物质 砷化镓GaAs 25.7%-30% 高温下有较高的光电转化效率，用作航天系统 染料敏化 11% 效率低、不稳定、廉价 有机聚合物 2%以下 本钱低、可弯曲、面积大、毒性小、实验阶段 第三代太阳能电池 叠层、多带

18、隙、碰撞离化、热载流子、热光伏 50%以上 实验阶段 3 太阳能电池材料的关键问题3.1 硅原料制造太阳能电池材料的禁带宽度应在1.1eV-1.7eV之间，以1.5eV左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率，材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产。开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低本钱。太阳光能转换过程中的损失主要在热损失，以及电子与空穴的复合，再就是pn结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善。据理论预测，其转换效率可到达40%以上【4】。现有的太阳能市场中，高纯度的太阳能级硅是必有可少的一个因素，硅材料供给量短缺或过分

19、的供不应求的问题已经成为影响太阳能行业各个产业链的瓶颈;。长期以来，太阳能电池制造商都在购置IC制造商的边角废料;，即利用硅锭的末端局部，有缺陷的以及其他的废料。这种方式一直运作良好到太阳能电池产业开始以每年20%的速度增长。硅材料供给的严重缺乏制约了电池与组件制造商扩产容量，无法满足全球光伏市场需求。这一状况阻碍了行业增长与经济规模的扩大，使市场不能为消费者提供较低的产品。这种严重的形式，甚至使太阳能安装商无法保证最根本的组件需求量。作为太阳能电池材料的硅的供给日益紧张,业界对有助于降低本钱的硅用量削减技术也加大了开发力度。减少硅用量的方法包括:将硅底板厚度减小、减小与硅底板厚度差不多的切割

20、损失、减少单晶硅与非晶质硅界面生成过和碳等杂质的技术、制作面积大而薄的非晶质硅薄膜层的技术、为减少电池外表反射制作凸凹均匀电池外表的技术。京瓷开发出可将硅底板厚度减小30%左右的技术以及可将硅用量减少至目前1/5的球状硅太阳能电池;的开发方案。Clean Venture 21 等数家公司也在开发球状硅太阳能电池。3.2 薄膜技术及原料随着硅能源的紧缺,薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜,可以有效地解决能源短缺问题。但是薄膜光伏电池不仅存在块状光伏电池产业化开展中遇到的普遍问题，还存在着现有薄膜技术无法到达以下要求：沉积薄膜的速率在每分钟1m以上；沉积的温度在600以下；薄膜的厚度在10m以下；

21、成长的晶粒大小在1m以下；少数载子的扩散长度超过10m。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。但是目前为止仍然没有任何一种技术可以进入产业化。另外,由材料来源看,由于III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备,即使它们所制备的太阳能电池转换效率很高,将来也不可能占据主导地位。而其他薄膜类电池还处于探索阶段,短时间内不可能替代硅系太阳能电池。3.3 第三代太阳能电池的开展根据理论计算，太阳的热动力学转换效率限为93%，如果无限增加电池层数目，电池的理论效率可达86.8%。当突破单结器件的概念，集合堆垛电池具有不同的能带间隙，可以运用低维纳微结构材料，超晶格、多层

22、膜，及量子阱、量子线、量子点的特殊性能，以及半导体的杂质工程和能带工程，人工制造出高效、低价、使用的光伏材料及器件。根本原理是设法使光子的能量刚好高于电池能带，当光子通过使用多层电池时，每层电池的能带都不同，最高能带的电池位于最高位置，往下能带依此减小。随着能带降低，被吸收的光子能量可以得到很好的过滤，能量高的光子被能带高的电池吸收，能量低些的光子被能带低的电池吸收有效地提高了太阳能电池的效率。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有纳米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会拥有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。参考文献：1稻盛和夫，梅原猛，回归哲学-探求资本主义的新