低成本高性能可见光响应型太阳能电池项目合作可行性研究分析报告

低成本高性能可见光响应型太阳能电池项目合作可行性报告目录

第一章太阳能电池的现状及发展趋势1

1.1太阳能电池的发展历程1

1.2太阳能电池的分类2

1.2.1硅系太阳能电池2

1.2.2化合物半导体太阳能电池4

1.2.3染料敏化纳米晶化学太阳能电池4

1.3太阳能电池发展的瓶颈5

1.4太阳能电池的发展趋势6

第二章国内太阳能电池的研究现状8

第三章低成本高性能可见光响应型太阳能电池10

3.1可见光响应型太阳能电池研究的重大意义10

3.2可见光响应型太阳能电池的结构10

3.3可见光响应型太阳能电池的制备技术11

3.4关键技术的创新11

第四章可见光响应型太阳能电池的研发计划12

4.1现有研究进展12

4.2研究工作基础和条件12

4.3课题组介绍15

4.4下一步研究计划15

第五章可见光响应型太阳能电池的市场前景18

5.1太阳能电池发展的市场环境18

5.1.1丰富的太阳能资源18

5.1.2严峻的能源与环保形势20

5.1.3可再生能源法实施带来巨大机遇22

5.2太阳能电池的市场现状22

5.2.1不愁销路的产品22

5.2.2需求强劲的国外市场23

5.2.3起步阶段的国内市场25

5.2.4高额的利润回报25

5.2.5太阳能电池上市公司受到热烈追捧26

5.3太阳能电池的市场预测27

5.4可见光响应型太阳能电池的市场前景28

5.4.1太阳能电池的消费结构28

5.4.2晶硅太阳能电池发展的隐忧30

5.4.3可见光响应型太阳能电池的竞争优势31

5.4.4可见光响应型太阳能电池的市场份额及盈利预测31

第六章国内外太阳能电池生产现状32

6.1世界太阳能电池的产能及其分布32

6.2国内主要生产企业及其规模34

第七章可见光响应型太阳能电池的产业化策略38附：图表目录

图1从石英砂到晶硅太阳能电池的工艺流程3

图2晶硅系太阳能电池产业结构5

图3可见光响应型太阳能电池的结构10

图4我国太阳能资源分布图18

图5全球太阳能电池实际产量（需求量）预测23

图6全球1992年～2004年累计安装的太阳能发电系统24

图7SolarWorld股价走势图26

图8Tokuyama股价走势图27

图9各种能源形式发电成本30表1我国各种太阳能电池实验室研究的最高效率8

表2中国能源消费结构20

表3全球太阳能行业发展预测28

表4我国近年与将来的光伏发电市场消费结构29

表5多晶硅原料成本构成30

表6世界十大太阳能电池厂商2003~2005年排名与产量32

表7太阳能电池产量地区分布33

表81999-2004年各类太阳能电池产量百分比33

表9我国太阳能电池的主要生产企业及其产能37第一章太阳能电池的现状及发展趋势

1.1太阳能电池的发展历程

自从公元1800年意大利人伏特发明第一个电池后，人类的生活就注定要与“电”结下密不可分的关系。1879年美国人爱迪生发明电灯，不仅点亮了黑暗的夜晚，更照亮了人类光明璀璨的历史文明。电的产生方式有很多种，包括：石油、瓦斯、煤、铀、……等。但是这些能源的储量有限，在人类高度的开发利用下，终有消耗殆尽的一天。因此，世界各国无不积极地研发新的替代能源，太阳能电池就是一种最佳的选择。

太阳能电池又称光电池，光生伏打电池。是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。工作原理是基于半导体P-N结的光生伏打效应。当电池表面受到光照时，在电池内部产生的光生电子－空穴对扩散到P-N结并受结电场影响而分开，电子移向N区，空穴移向P区，这样在P区和N区之间产生了光生电动势，当外电路连接起来时就有电流通过。目前太阳能电池已经在电力、通讯、电子产品及交通运输等方面，占有举足轻重的地位，尤其在太空及部分偏远地区，更是扮演无可取代的角色。

第一个太阳能电池是在1954年由美国贝尔实验室（BellLab.）所制造出来的，当时是希望能替偏远地区的通讯系统提供电源。不过由于效率太低（只有6％），而且造价太高（357美元／瓦），因而缺乏商业上的价值。

就在此时，开创人类历史的另一项计划——太空计划也正如火如荼地进行着，而因为太阳能电池具有不可取代的重要性，使得太阳能电池得以找到另一片发展的天空。从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，太阳能电池就肩负着太空飞行任务中一项重要的任务，一直到1969年美国人登陆月球，太阳能电池的发展可以说达到顛峰。

可是因为太阳能电池高昂的造价，使得太阳能电池的应用范围受到限制。1970年代初，由于中东战争，石油禁运，工业国家的石油供应中断造成能源危机，迫使人们不得不再度重视太阳能电池应用于电力系统的可行性。在20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。

1990年以后，人们开始将太阳能电池发电与民生用电结合，于是“与市电并联型太阳能电池发电系统”（grid-connectedphotovoltaicsystem）开始推广。此即把太阳能电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连结，如此就可以从这两种方式取得电力，除了可以减少尖峰用电的负荷外，剩余的电力还可储存或是回售给电力公司。

到目前，太阳能电池已经发展到第三代。第一代太阳能电池主要是基于硅晶片，采用单晶硅和多晶硅及GaAs材料制作。其技术已发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位。要真正达到大规模利用太阳能电池的目标，降低材料的成本就成为降低光伏电池成本的主要手段。以至于使得人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜电池。第二代太阳能电池是基于薄膜技术的一种太阳能电池。构成薄膜太阳能电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及铜铟硒，其中以多晶硅薄膜太阳能电池性能最优。第三代太阳能电池是21世纪以来的主要发展方向，主要本着以提高光电转换效率和降低生产成本为根本目标进行研发。目前投入应用的主要有叠层太阳能电池、纳米太阳能电池、玻璃窗式太阳能电池等结构。

1.2太阳能电池的分类

按应用可将太阳能电池分为空间用太阳能电池与地面用太阳能电池。地面用太阳能电池又可分为电源用太阳能电池与消费电子产品用太阳能电池。对每种太阳能电池的技术经济要求不同。空间用太阳能电池要求耐辐射、转换率高、单位电能所需的重量小；地面电源用太阳能电池要求发电成本低、转换效率高；消费电子用太阳能电池则要求薄而小、可靠性高等。

根据所用材料的不同，太阳能电池主要可分为硅系太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和染料敏化纳米晶化学太阳能电池。下面主要按这种分类来介绍太阳能电池。

1.2.1硅系太阳能电池

单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是开发最早、发展最快的一类太阳能电池，目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最大已达到24.7%，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持。代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰ShellSolar,西班牙Isofoton,印度Microsol等厂家。

高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率；通过以上制得的电池转换效率超过23%，最大值可达23.3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单晶硅太阳能电池转换效率为19.44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm×2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm×5cm）转换效率达8.6%。

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料（空间太阳能电池用硅材料纯度≥9N，地面太阳能电池用硅材料纯度6~8N），其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低，目前商业化电池的效率仅为14%左右。实验室最高效率达到20.3%，为德国研究机构获得。具有代表性的商品有Q-Cell,Motech,Suntech等公司生产的产品。

人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区熔再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.2％。我国光电发展技术中心的陈哲良教授采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。

从石英砂制备单晶硅和多晶硅太阳能电池的工艺流程如下图所示。

图1从石英砂到晶硅太阳能电池的工艺流程

非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池的优势是硅资源消耗少、生产成本低，近年来发展迅速。目前非晶硅单结电池的最高效率已可达到14.6%左右，大量生产的可达到8%～10%左右。叠层电池的最高效率可达到21.0%。比较代表性的非晶硅电池生产厂家有德国RWESchottSolar，日本Kenaka和美国UnitedSolar。

由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳能电池可以做得很薄，通常硅膜厚度仅为1-2μm，是单晶硅或多晶硅电池厚度（0.5mm左右）的1/500，所以制作非晶硅电池资源消耗少。

非晶硅太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷（SiH4）气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低（200℃左右），因此制作时能量消耗少，成本比较低，且这种方法适于大规模生产，单片电池面积可以做得很大（例如0.5m×1.0m），整齐美观。非晶硅电池的另一特点是对蓝光响应好，在一般的荧光灯下也能工作，因此被广泛用作电子计算器和手掌电脑的电源，估计全世界使用量达到每月1千万片左右。

非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，往往在单纯的非晶硅p-n结构中存在缺陷，隧道电流占主导地位，无法制备太阳能电池。因此要在p层与n层之间加入较厚的本征层i，以扼制其隧道电流，所以非晶硅太阳能电池一般具有pin结构。如果制成pin/pin/pin的多层结构便形成叠层结构，在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和改善稳定性方面，叠层太阳能电池是一个重要的发展方向。

非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有光疲劳效应（StaeblerWronski效应），故非晶硅太阳能电池经过长期工作稳定性存在问题。近10年来经努力研究，虽有所改善，但尚未彻底解决问题，故作为电力电源，尚未大量推广。非晶硅太阳能电池的研究，现在主要着重于改善非晶硅膜本身性质，以减少缺陷密度，精确设计电池结构和控制各层厚度，改善各层之间的界面状态，以求得高效率和高稳定性。

1.2.2化合物半导体太阳能电池

化合物半导体太阳能电池突破了由硅原料-硅锭-硅片-太阳能电池的工艺路线，采用直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，发展了薄膜太阳能技术，这适应了太阳能电池的高效率、低成本、大规模生产化发展的要求。

目前，化合物半导体薄膜太阳能电池的主要类型有CdS系太阳能电池、CdTe系太阳能电池、CuInSe2系列太阳能电池、CdS/CuInSe2太阳能电池、GaAs系列太阳能电池和InP系列太阳能电池。上述电池中，尽管CdS、CdTe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。

GaAs及CuInSe2系列薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响。

除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2％，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7％。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb，所得到的电池效率达到31.1％。

铜铟硒CuInSe2简称CIS。CIS材料的能降为1.leV，适于太阳光的光电转换，另外，CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。

CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的CIS。CIS薄膜电池从80年代最初8％的转换效率发展到目前的15％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池，其光电转换效率为15.3％（面积1cm2）。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.l％的CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。

CIS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，这类电池的发展又必然受到限制。

1.2.3染料敏化纳米晶化学太阳能电池

受到绿色植物光合作用的启发，纳米晶材料太阳能电池于20世纪90年代诞生。有人称这种纳米晶太阳能电池为“人造树叶”，也有人称其为分子电子器件。目前纳米晶太阳能电池的光电转换效率为7~8%，使用寿命可达15年以上，加上它的成本仅为硅太阳能电池10%~20%，纳米晶太阳能电池引起了全世界的关注。

纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是一种光电化学电池，它与自然界的光合作用有两点相似：利用有机染料吸收光和传递太阳能；利用多层结构来吸收和提高收集效率。

纳米晶化学太阳能电池是由一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2太阳能电池工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。目前纳米晶太阳能电池材料的研究热点是：使用掺杂技术提高TiO2的光电转换效率；开发新的宽频光电效应和高光电转换效率的新型纳米晶体材料；寻找在低温下烧结制备电极的途径；开发固体电解质新材料。

1.3太阳能电池发展的瓶颈

我国光伏产业经过20多年不懈努力，已达到一定技术水平和生产规模。但现阶段，我国太阳能光伏产业还存在一些瓶颈。尽管目前国内太阳能光伏电池生产技术基本上与国际同步，但是相关产业链非常不健全，原材料和生产设备几乎全部依赖进口。此外，贷款难、人才稀缺、投资巨大等，也是制约国内太阳能企业发展的“拦路虎”。另外，技术和行业标准还不尽完善。

目前世界上应用最广泛的太阳能电池是晶体硅太阳能电池，而生产晶体硅太阳能电池的原材料――高纯度多晶硅在我国却极度短缺，绝大部分需要依赖进口。我国生产太阳能电池所需的硅原料呈现“两头在外”的格局，即90%以上的原料进口，90%的产品出口。

据我国工程院的专家调查，2005年我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中光伏产业需求2691吨，而2004年我国多晶硅的产量只有60吨，主要企业为峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司，即使全部供应光伏产业，也仅是市场需求的2.6％，其余只能依赖进口。据报道，四川新光硅业科技有限责任公司是我国最大的多晶硅生产单位，目前已投资11亿元正在建设1200吨多晶硅生产线，预计2006年年底投产，洛阳中硅高科技有限公司300吨多晶硅项目于2005年9月投产。但与巨大的原料需求而言，仍无法满足国内太阳能电池厂家的需求。

而目前国际市场上的多晶硅也供不应求。电子和太阳能两个行业使用的高纯度硅从2004年的31000吨增长到2005年的35000吨左右，这个增长是由电子行业5%的年用量增长和太阳能行业20%的年用量增长推动的。太阳能行业中，按照从硅料到电池的产业划分，产业结构呈明显的金字塔结构。

图2晶硅系太阳能电池产业结构

高居塔尖的是7家太阳能多晶硅厂商：Tokuyama、MitsubishiMaterial、MitsubishiPolysilicon、HemlockSemiconductor、AdvancedSiliconMaterials、SolarGradeSilicon、WackerPiktsilicon；第二层是15家硅片厂商，包括RWESchottSolar、Sharp、BPSolar、DeutscheSolar、Kyocera等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等投资规模亦相对较大，设备投资约占初期总投资的60%以上；第三层是太阳能电池制造，按照2004年产量，Sharp为全球最大之电池制造商，ShellSolar、Kyocera、BPSolar、RWESchottSolar分列二至五位，根据2004年底数据，全球电池厂商有40余家；下面是组件，将制作好的电池封装，技术含量相对较低，进入门槛亦低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过200家，国内亦有相当多企业进行封装作业。

由于市场供不应求，多晶硅的价格大幅上涨，一公斤太阳级多晶硅材料由两三年前的13美元，一路猛涨到46美元，涨幅高达250％，甚至达到60美元~80美元。但由于制作太阳能电池所需的提纯硅技术主要被西方国家垄断。所以，目前在国内几乎没有企业能生产高纯度硅原料，大部分依靠进口，而我国大多数光伏企业通过外购电池片封装加工组件，不但增加成本，更失去了掌握市场的主动性。国外主要多晶硅生产企业现已形成了企业联盟，严格控制技术转让并垄断全球硅材料市场，抬高多晶硅价格。这使得国内有的太阳能电池生产厂在当前遭遇了即使出高价也购买不到多晶硅的“无米下锅”局面。目前，国内多数太阳能电池制造企业产能都有放空现象。

国内正在兴起一股太阳能电池投资热潮，这将进一步引起原料的争夺大战，从而加剧原料供应的紧张。由于晶硅原料占太阳能电池生产成本的40％左右，因此，原料成本进一步提高了多晶硅太阳能电池制造成本，这将威胁到晶硅基太阳能电池的发展。但另一方面，为非硅基太阳能电池（如低成本高性能可见光响应型太阳能电池）的发展创造了难得的机遇。

1.4太阳能电池的发展趋势

人类利用太阳能已有几千年的历史，但发展一直很缓慢，现代意义上的开发利用只是近半个世纪的事情。1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳能电池，从此揭开了太阳能开发利用的新篇章，之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能的开发利用。随着可持续发展战略在世界范围内的实施，太阳能的开发利用又被推到新高度。21世纪初至中叶将是太阳能开发利用技术的重要发展时期。世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。

光伏技术的发展，近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳能电池的发展。如前所述，晶体硅太阳能电池具有转换效率高、性能稳定、商业化程度高等优点，但也存在硅材料紧缺、制造成本高等问题。高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的一条切实可行的途径，近年来，一些新型高效电池不断问世：

铜铟硒(CuInSe2，CIS)薄膜太阳能电池：1974年CIS电池在美国问世，1993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达16.7％，由于CIS太阳能电池具有成本低(膜厚只有单晶硅的1／100)、可通过增大禁带宽度提高转换效率(理论值为单晶30％，多晶24％)、没有光致衰降、抗放射性能好等优点，各国都在争相研究开发，并积极探索大面积应用的批量生产技术。

硅-硅串联结构太阳能电池：通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径。它具有成本低、耗能少、工序少、价廉高效等优点。

用化学束外延(CBE)技术生产的多结III-V族化合物太阳能电池：III-V族化合物(如GaAs，InP)具有较高的光电转换效率，这些材料的多层匹配可将太阳能电池转换效率提高到35％以上。而这种多层结构很容易用CBE法制作，并能降低成本获得超高效率。

大面积光伏纳米电池：1991年瑞士M.GRATZEL博士领导的研究小组，用纳米TiO2粉水溶液作涂料，和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶染料敏感太阳能电池，简称纳米电池。计算表明，可制造出转换效率至少为12％的低成本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的前景。

随着研发投入的加大，必将促使其中一、二种获得突破，正如专家断言，只要有一、二种新型电池取得突破，就会使光电池局面得到极大的改善。

随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择。20世纪90年代在太阳能制氢方面获得了较大进展，1990年德国建成一座500KW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为350KW的太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4800万美元，在每年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500KW太阳能电站制氢，用光伏—电解系统制得的氢，以金属氢化物的形式贮存起来，保证运输的安全。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展。用氢能取代碳氢化合物能源将是21世纪的一个重要发展趋势。

随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，光伏技术将逐步由农村、偏远地区以及其它特殊应用场合向城市推进，伴随着更多国家屋顶计划的实施，光伏发电将走进城市的千家万户。

随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展，空间太阳能电站的设想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约，其发展显示出美好的前景，是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。

第二章国内太阳能电池的研究现状

国内对于太阳能电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳能电池、高效单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、空间用的硅太阳能电池及其系统、铜铟硒及碲化镉化合物薄膜太阳能电池、聚光太阳能电池及系统和纳米晶化学太阳能电池。对一些太阳能电池用的材料也进行了研究和国产化。

目前，国内太阳能电池的研究机构主要集中在大学和研究所，如北京市太阳能研究所、信息产业部第18研究所、上海811研究所、中科院半导体所、等离子体所和广州能源研究所、西安交通大学太阳能研究所、南开大学、上海交通大学、云南师范大学、四川大学等等。光伏企业中，无锡尚德太阳能电力公司建立了研发中心。

表1我国各种太阳能电池实验室研究的最高效率类型最高效率(%)面积(cm2)单晶硅电池20.414-162´2商业化GaAs电池21.91´1多晶硅电池16.013-152´2商业化CuInSe2电池12.11´1CdTe电池13.360．5多晶硅薄膜电池13.61´1,非活性硅衬底非晶硅电池11.2(单结)11.4(双结)几平方毫米几平方毫米10´1020´2030´30二氧化钛纳米有机电池101´1南开大学从1978年开始对非晶硅材料和非晶硅太阳能电池进行研究与开发，至今已有二十多年的历史。在这期间，南开大学取得了15项研究成果；并获得实用新型专利一项；获得国家科委、国家教委“30cm*30cm非晶硅太阳电池中试线”重大科技成果奖一项。并成功地建设了非晶硅太阳能电池试验线和中试线。为其产业化奠定了技术基础。

四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下，率先在我国开展了碲化镉薄膜太阳能电池的研究。在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。现在承担的“碲化镉薄膜太阳电池的制造技术及中试生产线”是国家863计划中的重点课题之一，再次创造我国碲化镉电池转换效率的新纪录——13.38%，也创造了我国各种新型太阳能电池的新纪录。专家们认为，这项纪录是在没有使用减反射膜的情况下得到的，实际上已接近世界领先水平。目前，该项目已申请和获得了11项中国发明专利，所提供的成果既包含全套大面积碲化镉薄膜太阳能电池组件的制造技术，还包含1000万元以上的关键设备。

单晶硅太阳能电池由于制作工艺复杂，使得生产成本很高，远不能达到大规模推广应用的要求。多晶硅、非晶硅及镉碲化合物半导体太阳能电池中光的吸收和电子-空穴的分离几乎是同时进行的，为了避免电子-空穴的复合，所用材料必需具有高纯度而且没有结构缺陷，这样造成了半导体材料的高成本。同时像Cd、Te、Ga、In等还有毒性，这些因素限制了这类液结半导体太阳能电池的进一步发展。20世纪80年代以来，人们一直在探索高比表TiO2薄膜的制备方法，并用光敏化材料对其敏化以提高光电转换特性，但是转换效率低，单色光的光电转换效率一直低于3%。1991年，瑞士的Gratzel等人提出了一种以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)配合物染料敏化TiO2纳米薄膜为光阳极，选用含Ⅰ-/Ⅰ3-等低挥发性盐作电解质制成的纳米晶化学太阳能电池(NanocrystillinePhotoelectrochemicalCell简称NPC电池)取得了模拟太阳光下(AM1.5)7.1%的光电能转换效率。这种染料敏化的NPC仅在一个带上产生载流子，即阳极发生敏化后，电子注入纳米TiO2导带，而空穴仍留在表面的染料上，因此电荷的重新复合受到抑制，从而可以使用纯度不高的材料，成本大为降低。此后，NPC电池引起了各国科学家的广泛关注。我国无论在NPC电池的科学研究和产业化研究上都取得了不少阶段性的成果。在科学研究上，北京大学黄春晖教授领导的研究组在纯有机染料、电极材料的修饰以及多联吡啶钌染料的优化都取得了较好的结果；中科院化学研究所的肖绪瑞教授，林原教授等人在凝胶复合染料和半固态电解质等方面取得了一定的结果；中科院物理所表面物理国家重点实验室孟庆波教授等人在固态电解质和紧凑有序阵列电极等方面有所创新；中科院等离子所戴松元教授等人对染料敏化太阳能电池组件及封装技术做出了较系统的研究，浙江大学、东南大学、大连理工大学和华侨大学对染料敏化纳米晶太阳能电池研究也取得较好的成果，在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都与国际水平相接近，且在该领域具有一定的影响。在产业化研究上，经过国家重点基础研究发展规划项目和中国科学院知识创新项目的资助，现已在中国科学院等离子体物理研究所建成产业化初步实验线，并接近中试规模。其中，单片大面积染料敏化纳米薄膜太阳能电池(15cm×20cm)的光电转换效率稳定在5%以上，并通过拼装的方式组装成实用的太阳能电池板，面积达到40cm×60cm以上，室外测试电池效率达到5.5%以上，接近未来实用化水平，为目前国际较高水平，并已突破染料敏化纳米薄膜太阳能电池在电极、密封和连接等应用“瓶颈”，近期，在实验室小批量实用化生产和技术研究上取得重大进展，建成500瓦规模的小型示范电站，其电池方阵面积为14.4平方米，光电转换效率达到5%。2005年，中国科学院物理研究所孟庆波研究员和陈立泉院士等合作，合成了一种新型的具有单碘离子输运特性的有机合成化合物固态电解质，研制的固态复合电解质纳米晶染料敏化太阳能电池效率达到了5.48％。这些工作都为NPC电池的最终产业化，知识产权国产化奠定了坚实的基础。但对NPC电池来说，目前还存在着以下一些制约因素。

（1）现在公认使用效果最好的RuL2(SCN)2的制备过程比较复杂，而钌本身又是稀有金属，因而价格比较昂贵，来源也较困难。另外，二氧化钛易使染料光解，从而导致接触不好。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）在NPC电池研制过程中，染料光敏化剂的光谱吸收特性和稳定性是很重要的因素，若能找到具有更宽吸收范围的染料光敏化剂，有助于提高光电能量转换率。

（3）大量的实验表明，染料的多层吸附是不可取的，因为只有非常靠近二氧化钛表面的敏化剂分子才能把激发态的电子顺利注入到二氧化钛导带中去，多层敏化剂的存在反而会阻碍电子的输送，导致光电能量转换率下降。

（4）为使单层吸附的效率提高，可以采取以下方法：使用高比表面的多孔膜来代替平整膜；提高染料在电极表面的吸附能力，因为染料的激发态寿命很短，只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极，所以染料最好能化学吸附在电极上。另外，设计更多、更有效的多吡啶钌化合物，或者其他替代物也是重要的努力方向。

第三章低成本高性能可见光响应型太阳能电池

3.1可见光响应型太阳能电池研究的重大意义

近年来太阳能电池发展很快，1999年以来，每年的发展速度都在35%以上，2004年全球产量更是达到1194MW，可谓发展迅速。即便如此，世界太阳能电池产量仍然供不应求，尤其是德国实行了新的并网电价后，光伏发电在德国成了很有前途的产业，吸引德国民众踊跃参与，更是加剧了这种供应紧张趋势。这种现象并不是暂时的，需求量尚未达到最高峰，随着欧美、日本等发达国家和一些发展中国家包括中国继续实施庞大的光伏屋顶计划，对太阳能电池的需求会更加迫切。不过与目前的常规能源相比，太阳能电池的使用成本还是很高。通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本，提高光电转换效率是太阳能电池研发的主要方向。许多科研工作者在这些方面进行了大量的研究工作，南京大学用可见光响应型光电极制备的太阳能电池作为新一代太阳能电池，这是世界上首次的研究，其具有明显的原创性，结果表明有广泛的实用化前景。它实际上是一种新型的纳米晶太阳能电池，不用或少用染料敏化剂，进一步降低了生产成本，方便大规模生产，具有很强的竞争力。因此，发展可见光响应型太阳能电池具有重要的意义。

3.2可见光响应型太阳能电池的结构

可见光响应型太阳能电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶氧化物半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液（含超敏化剂）和透明电极组成，每层厚度不大于200nm，导电玻璃层除外。其工作原理是，染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的氧化物半导体导带，而且氧化物半导体本身价带上的电子也能被激发到导带。半导体和染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入氧化物半导体导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

图3可见光响应型太阳能电池的结构

注：AM-1.5,100mW/cm2,JIS-A组是国际标准，是指在每平方厘米上有相当于100mV的太阳能照射。

3.3可见光响应型太阳能电池的制备技术

可见光响应型太阳能电池的制备工艺主要为丝网印刷。清洗并烘干玻璃衬底，用化学气相沉积法先在上面沉积一层SnO2膜制成透明导电玻璃，然后在透明导电玻璃上镀一层多孔纳米晶氧化物薄膜，热处理后吸附上起电荷分离作用的单层染料构成光电极，对电极由镀有催化剂（如铂、碳等）的导电玻璃构成，中间充入具有氧化还原作用的电解液（如含I-/I3-的有机溶剂），经密封剂封装后，从电极引出导线。

3.4关键技术的创新

该课题组用已开发出的新型可见光响应型复合氧化物半导体制备光电极来开发新型可见光响应型太阳能电池，波长在800nm以内的光能激发这种太阳能电池。在不使用有机染料条件下其太阳光转化率已达到1.0%；从根本上解决了染料敏化太阳能电池寿命低且不稳定的弱点。该课题组最新研究结果表明，由多种新型可见光响应型复合氧化物半导体制备的光电极配以少量的染料来敏化电极可获得更高的电流和电压而不会影响新型可见光响应型太阳能电池的寿命。这是世界上第一次可见光响应型太阳能电池的研究。

用可见光响应型光电极制备的太阳能电池作为新一代太阳能电池，这是世界上首次的研究，其具有明显的原创性，结果表明有广泛的实用化前景。本项目的创新之处是利用自己开发的可见光响应型电极材料制备太阳能电池，有效利用半导体和染料的光吸收，使二者在产生电流过程中相辅相成，有望更高的能量转化效率。该研究成果可以向市场提供高效率、低价格的光电转换器件等一系列新产品，用于民用及军事之目的。

第四章可见光响应型太阳能电池的研发计划

4.1现有研究进展

该课题组已经成功合成了在可见光领域动作的氧化物半导体光催化剂，从根本上解决了可见光响应型光电极材料。这一成果已于2001年末在《Nature》上发表，并开发出一系列新型光催化剂，在更宽的可见光领域（至600nm）有反应，已申请了多项发明专利。

4.2研究工作基础和条件

可见光响应型光电极材料是整个太阳能电池的关键，其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。该课题组针对光电极材料做了大量研究工作，目前已获得和申请七项专利：

（一）碱金属和Ag的铋系复合氧化物可见光响应的光催化剂及其应用

授权公告日：2005年8月17日

专利号：ZL03158264.8

邹志刚、陈延峰、叶金花

【摘要】

碱金属和Ag的铋系复合氧化物可见光响应的光催化剂，一般式：MBiO3?nH2O表示的复合氧化物半导体所构成的光催化剂(在式中，M必须表示Li、Na、K、Ag中的至少一个元素，0≤n≤2)。该复合氧化物半导体所构成的，用于分解有害化学物质的光催化剂。用于分解有害化学物质的光催化剂时，以对有害化学物质进行包括紫外线及可见光线在内的光照为特点的，分解、去除有害化学物质。

【主权项】

1、碱金属和Ag的铋系复合氧化物可见光响应的光催化剂，其特征是由下式：MBiO3?nH2O表示的复合氧化物半导体所构成的光催化剂，在式中，M表示Li、Na、K、Ag中的至少一个元素，0≤n≤2。

（二）具有可见光响应的多孔薄膜半导体光电极及光电化学反应装置及制备

申请日：2003年11月5日

申请号：200310106207.9

邹志刚、陈延峰、叶金花

【摘要】

具有可见光响应的多孔薄膜半导体光电极，这种进行能量蓄积型反应的光电化学电池所用的是薄膜半导体光电极，成多孔结构的复合金属氧化物半导体形成；该多孔薄膜半导体光电极由2类以上的元素构成，至少有一种元素A为铋，银，铜，锡，铅，钒，铟，镨，铬以及镍中的一种：另一类元素B从钛，铌，钽，锆，铪，钼，钨，锌，镓，铟，锗以及锡中选出。本发明是可以将太阳光等可见光有效地转换成氢气等化学能源的简单装置。即使是量子吸收率很低的电极，只要成膜方法尽可能地完善，其量子吸收率也将接近100％，因此，它将使得从取之不尽的太阳光和水中有效地制取氢气成为可能，进一步接近实现氢经济社会的目标。

【主权项】

1、具有可见光响应的多孔薄膜半导体光电极，其特征是这种进行能量蓄积型反应的光电化学电池所用的是薄膜半导体光电极，光电极由具有可见光响应的，成多孔结构的，复合金属氧化物半导体形成；该多孔薄膜半导体光电极由2类以上的元素构成，价带能级上部含有氧化物以外的元素能级的，具有可见光响应的，复合金属氧化物类半导体；这种复合金属氧化物类半导体，由2种及以上的金属元素构成：这其中至少有一种元素A为铋，银，铜，锡，铅，钒，铟，镨，铬以及镍中的一种：另一类元素B从钛Ti，铌Nb，钽Ta，锆Zr，铪Hf，钼Mo，钨W，锌Zn，镓Ga，铟In，锗Ge以及锡Sn中选出。（三）可见光响应的光催化剂及其应用

申请日：2003年11月13日

申请号：200310106280.6

邹志刚、陈延峰、叶金花

【摘要】

本发明提供高效的吸收太阳光中紫外线和可见光的高活性光催化剂，以及利用这些光催化剂分解有害化学物质和分解水制氢的方法。这些光催化剂是由铟和元素周期表中5A元素以及过渡金属元素M形成的复合氧化物半导体，InAO4(A：5A元素)所表示的氧化物半导体和其中一部分铟被置换为过渡金属M后的化学式In1-xMxAO4，其中铟和M的摩尔数之和与A的摩尔数相等，这些复合氧化物半导体作为光催化剂。利用这些光催化剂在进行含有紫外线和可见光的太阳光照射下，实现分解有害化学物质和分解水制氢。

【主权项】

1、可见光响应的光催化剂，其特征是由铟和元素周期表中5A元素以及过渡金属元素M形成的复合氧化物半导体，InAO4(A：5A元素)所表示的氧化物半导体和其中一部分铟被置换为过渡金属M后的化学式In1-xMxAO4，其中铟和M的摩尔数之和与A的摩尔数相等，这些复合氧化物半导体作为光催化剂。（四）含铋复合氧化物BiMO4和Bi2NO6型半导体光催化剂及制备和应用

申请日：2004年6月15日

申请号：200410011284.5

李敦钫、祝梅、邹志刚

【摘要】

含铋复合氧化物半导体，具有紫外和可见光响应特性，A：BiMO4、B：Bi2NO6，其中Bi表示铋，O表示氧，M表示V钒、Nb铌和Ta钽，N表示Mo钼和W钨，作为降解有害化学物质、有机生物质和杀菌的高活性光催化剂。A与B的摩尔比为1∶0.1-6。所述光催化剂在紫外或可见光照射下分解有害化学物质、有机生物质和杀菌，反应的方式可以是将光催化剂作为粉末悬浮于含有机物的水溶液以流化床的方式进行光照射；或者将光催化剂固定在基体上，以固定床的方式在光照射下分解流过其表面的水溶液中的有机物，或用于分解室内气体中的有机物、有害气体和杀菌。

【主权项】

1、含铋复合氧化物半导体，具有紫外和可见光响应特性，其特征是A：BiMO4、B：Bi2NO6，其中Bi表示铋，O表示氧，M表示V钒、Nb铌和Ta钽，N表示Mo钼和W钨，作为降解有害化学物质、有机生物质和杀菌的高活性光催化剂。（五）纳米钴化合物的制备方法

申请日：2005年11月12日

申请号：200410065678.4

李敦钫、祝梅、邹志刚

【摘要】

纳米钴化合物的制备方法，采用Co(OH)2、CoCO3、Co2(OH)2CO3、Co(NO3)2?6H2O、Co(CH3COO)2?4H2O、CoC2O4为含钴原料，用于制备纳米氧化钴；TiO2、Fe2O3为含钛、铁原料，与上述含钴原料配合分别制备纳米钛酸钴CoTiO3和纳米铁酸钴CoFe2O4；氧化铝Al2O3、氢氧化铝Al(OH)3、拟薄水铝石、薄水铝石(AlOOH)、硝酸铝Al(NO3)3?9H2O为含铝原料，与上述含钴原料配合制备纳米钴蓝CoAl2O4；采用微波干燥煅烧与高能球磨机球磨结合的制备方法。本发明工艺流程简单，产量大，能耗较低，可用于颜料、光吸收、敏感、催化、电池材料及其它功能材料。

【主权项】

1、纳米钴化合物的制备方法，包括平均粒径小于100纳米(nm)的纳米氧化钴Co3O4、纳米钛酸钴CoTiO3、纳米铁酸钴CoFe2O4、纳米钴蓝CoAl2O4的制备，其特征是采用Co(OH)2、CoCO3、Co2(OH)2CO3、Co(NO3)2?6H2O、Co(CH3COO)2?4H2O、CoC2O4为含钴原料，用于制备纳米氧化钴；TiO2、Fe2O3为含钛、铁原料，与上述含钴原料配合分别制备纳米钛酸钴CoTiO3和纳米铁酸钴CoFe2O4；氧化铝Al2O3、氢氧化铝Al(OH)3、拟薄水铝石、薄水铝石(AlOOH)、硝酸铝Al(NO3)3?9H2O为含铝原料，与上述含钴原料配合制备纳米钴蓝CoAl2O4；采用微波干燥煅烧与高能球磨机球磨结合的制备方法。（六）真空限氧法制备不同形貌氧化锌的技术

申请日：2005年4月29日

申请号：200510039156.1

李敦钫、祝梅、邹志刚（七）可见光响应型光催化薄膜层的制备方法

申请日：2005年3月11日

申请号：200510038095.7

李敦钫、祝梅、邹志刚

【摘要】

可见光响应型光催化薄膜层的制备方法，其特征是将各种欲涂负的内核或衬底材料放入含铋化合物、含钒化合物的水溶液中，原料为水溶性的含铋化合物、含钒化合物、添加剂和络合剂，氢氧化钠NaOH，氢氧化钾KOH，硝酸HNO3。制备的原料还可以是各种有机的含铋化合物、含钒化合物；同时辅助超声波搅拌，经过1-360min的处理后，取出用水或有机溶剂清洗，获得不同厚度、粒度、嵌布状态和表面形貌的钒酸铋可见光响应型光催化表面层。本发明得到的这些表面含有钒酸铋光催化剂的负载材料具有很强的消毒、杀菌、去污、除臭功能。本发明制备技术流程十分简单，所需设备少，规模可大可小，原料易得，成本低廉。

【主权项】

1、可见光响应型光催化薄膜层的制备方法，其特征是将各种欲涂负的内核或衬底材料放入含铋化合物、含钒化合物的水溶液中，原料为水溶性的含铋化合物(如硝酸铋Bi(NO3)3?5H2O，氯化铋BiCl3或醋酸铋等)、含钒化合物(如钒酸钠NaVO3，偏钒酸铵NH4VO3等)、添加剂(如磷酸氢钠NaH2PO4、磷酸氢二钠Na2HPO4、磷酸氢钾KH2PO4、磷酸氢二钾K2HPO4、硼酸H3BO3、磷酸钠Na3PO3、磷酸钾K3PO3、Na2CO3或K2CO3等，作为pH缓冲剂)和络合剂(如乙二胺四乙酸EDTA、柠檬酸C6H8O7?5H2O或甘胺酸)，氢氧化钠NaOH，氢氧化钾KOH，硝酸HNO3。制备的原料还可以是各种有机的含铋化合物、含钒化合物；在室温至220℃的条件下或同时辅助超声波搅拌，经过1-360min的处理后，取出用水或有机溶剂清洗，获得不同厚度、粒度、嵌布状态和表面形貌的钒酸铋可见光响应型光催化表面层。

4.3课题组介绍

该课题组是南京大学环境材料与再生能源研究中心一支以活跃在材料科学界的年轻人为骨干的队伍，其中包括教育部长江计划特聘教授2人、国家杰出青年基金获得者1人，博士研究生若干人。学科带头人邹志刚教授为日本东京大学理学博士，现为南京大学长江学者特聘教授，环境材料与再生能源研究中心主任,博士生导师，并兼任日本国家材料研究所客座研究员。长期从事材料物理化学和光催化的研究，在Nature，Phy.Rev.Lett.，Angew.Chem.Int.Edit，Chem.Mater.等杂志上发表论文110余篇，申请专利十余项。

目前活跃在太阳能研究与制造领域的领军人物大多是留学海外归来的中青年学者，如中电电气南京光伏有限公司的总经理赵建华博士，无锡尚德太阳能电力有限公司董事长施正荣博士。因此，我们深信，以南京大学邹志刚教授为首的课题组将成为另一个中国太阳能电池行业的领军式人物，而且将对中国开发更具国情的低成本新型太阳能电池起到较大的推动作用。

4.4下一步研究计划

总体研究计划为三年后的开发目标为转换效率11%，十年后转换效率提高至15%。力争实现整体生产计划成本4-5元/Wp的目标。最终实现成本3元/Wp以下的目标。

具体研究内容如下：

1、高性能光电极的制作

通过溶胶凝胶、水热合成和化学共沉淀技术合成二氧化钛和可见光响应型纳米材料，控制颗粒的直径以及形状，精密控制各种不同粒径的可见光响应型复合氧化物颗粒的混合，掌握基于光散射效果的光吸收效率最大的可见光响应型复合氧化物光电极制作技术。在开发提高光电流的可见光响应型复合氧化物光电极的同时，找出不同粒径之间的最佳配比。制作出能充分发挥具有更宽吸收带的新型高性能可见光响应型光电极，为实现最终目标贡献力量。由可见光响应型光电极的低温制作技术开始，利用特殊形状的可见光响应型复合氧化物微颗粒的积层膜、液相直接析出法等革新手法，朝着制作高导电性可见光响应型复合氧化物薄膜的目标努力，探讨高性能可见光响应型复合氧化物光电极制作方法。

为了制作可以最大限度地发挥光吸收效果的可见光响应型复合氧化物光电极，进行以下几项研究：

（1）制作15nm~250nm粒度均匀的颗粒。

（2）使用上述粒度的微粒，实现2~3层的层状构造，提高光散射效果。例如，将散射效果在550nm时最大的微粒（200nm左右）和在650nm时最大的微粒（250nm左右），与普通的微粒（30nm）组合成3层构造，大幅度提高长波区的光电转换效率。

2、高性能复合氧化物半导体光电极的开发

目前的染料敏化太阳能电池，虽然使用了TiO2光电极，但存在从染料注入TiO2的电子在TiO2界面损失大，体内的电子移动速度慢等问题。为从根本上解决，该课题组提出不使用染料的可见光响应型光电极。为提高可见光响应型光电极型太阳能电池的性能，需要更多的吸收可见光。最近该课题组研究成果表明，由多种氧化物材料组合而成的可见光响应型光电极可以大幅度提高电流和电压。单一材料光电极中则见不到这种相乘效果。这一发现，可使具有导电性、导带能级、高表面积、不同状态等特征的不同材料进行合理的组合，提高可见光响应型太阳能电池的性能。为了获得这种高性能的光电极，按各种途径开发新型复合氧化物半导体电极，最终开发出比另一种材料的光电极的电流和电压具有更高性能的复合氧化物系半导体光电极，为提高效率贡献力量。

3、新型高性能电解质溶液的开发

染料敏化太阳能电池的电解质中含有氧化还原电对，其电极电位对电池的开路电压以及染料的再生（染料氧化态的还原）起重要的作用。现在使用碘系中间体，不能精密控制其氧化还原电位。另外，450nm以下该中间体有光吸收，从而妨碍染料的光吸收。因而以开发新型氧化还原电对为目的，开发对中间体直接配位的溶液、添加剂等，获得自由控制电对的能级技术，在可见光区域没有强的光吸收的新型中间体，以期得到高电压。通过这一研究可期待开发出高电压染料敏化太阳能电池。作为电解质溶液添加剂使用的有机碱（TBP），被吸附在氧化物半导体表面，抑制暗电流，对提高开路光电压起一定作用，但也有使染料易于剥离半导体的问题。因而需要开发克服这一问题的新型添加剂。在构成高性能电池阶段，有必要对半导体电极，金属配合物，有机染料，电解质溶液和对电极等进行精密的电子移动控制，应有目的地配制出一系列具有各种特性的电解质溶液。综上所述，开发出的新型中间体系包括添加剂，高性能电解质溶液等。

4、高性能对电极的开发

现在使用的染料敏化太阳能电池的对电极，是Pt微粒子积层的导电性玻璃，催化碘素中间体的还原反应。Pt的使用，制约了太阳能电池的成本。希望寻求代替Pt，价格更低廉，无资源限制的高性能对电极材料，开发出高性能对电极。作为最有希望的代替材料，可考虑使用大表面积的碳系触媒。开发与Pt具有同样高性能的碳系对极，与工作电极（光电极）采用同样的印刷技术，便宜、高速地制作对电极。

对电极材料必须具有的触媒特性是，可高效率地还原碘中间体。首先调查各种碳系材料（非晶碳等）的触媒特性。其次利用与导电性物质混合等手段，在表面积增加的基础上，增加活性点，提高效率。

5、关于可见光响应型太阳能电池信赖性及稳定性的技术开发

关于可见光响应型太阳能电池的稳定性，已进行了室温下可视光连续照射3500小时的稳定性试验。可将3500小时连续照射换算成太阳光照射，约为2~3年，太阳能发电所必须确保的20年稳定性的指标，仍是一个未被解决的课题。进一步讲，高温、高湿等近似室外条件下的耐久性评价，电解液的封装技术成为问题的关键。关于耐热性，有希望由可见光响应型光电极的制作和固体化电解质的开发来大幅度提高，但由于水分、紫外光等条件的影响，还有很多课题需要探讨。例如，封装壳中含有水分时，光照射等产生副反应，从而导致电解质等有机物值分解。另外，可以想象紫外线、高温状态下有可能促进这种副反应。即使电解质被固化后，外部大气中的水分也有可能侵入封装壳，掌握住水分的影响是提高耐久性必不可少的因素。如果找到避免紫外线照射影响的办法，室外环境下也不需要特殊的滤光片，太阳能电池封装壳的制作工序将大大简化，对节约费用也很有利。总而言之，应明确估价出太阳能电池封装壳制作时的条件，评价时的环境对其耐久性的影响，以此为目的进行开发研究。

进一步试验支出预算金额说明：

1、材料费衬底材料、化学试剂、药品；35万

2、试验外协费，性能测试；2万

3、差旅费：国内、国际会议；8万

4、其它费用：能源动力、论文出版及专利申请、研究生助研费等；5万

第五章可见光响应型太阳能电池的市场前景

5.1太阳能电池发展的市场环境

5.1.1丰富的太阳能资源

我国是世界上最大的能源消费国之一，要满足未来社会经济的发展，完全依赖煤炭、石油等常规能源，既不现实也不可行，积极开发和利用可再生能源，尤其是分布最普遍的太阳能将是我国可再生能源利用的必由之路。

我国拥有极为丰富的太阳能资源，陆地面表面每年接受太阳辐射能相当于49000亿吨标准煤，全国2／3的国土面积日照在2200小时以上。如果将这些太阳能全都用于发电，约等于上万个三峡工程发电量的总和。

我国的疆界，南从北纬4o附近西沙群岛的曾母暗沙以南，北到北纬52o32’黑龙江省漠河以北的黑龙江江心，西自东经73o附近的帕米尔高原，东到东经135o10’的黑龙江和乌苏里江的汇流处，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度，从南到北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×104km2，占世界陆地总面积的7%，居世界第三位；在我国广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳能总辐射量为3340~8400MJ/(m2?a)，中值为5852MJ/(m2?a)。从全国太阳能年总辐射量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能总辐射量很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。全国以四川和贵州两省的太阳能年总辐射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、雾多、晴天较少。其他地区的太阳能年总辐射量居中。

我国太阳能资源分布图如图所示。图4我国太阳能资源分布图颜色辐射等级年辐射量（MJ/m2）日辐射量（KWh/m2）红最好≥6680≥5.1桔红好5850－66804.5–5.1黄一般5000－58503.8–4.5浅蓝较差4200－50003.2–3.8深蓝很差<4200<3.2

根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为如下五类地区：

一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，全年日照时数为3200~3300h，年太阳辐射总量6680-8400MJ/m2，相当于日辐射量5.1-6.4KWh/m2，225~285kg标准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达8400MJ/m2（日辐射量6.4KWh/m2），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。

二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，全年日照时数为3000~3200h，年太阳辐射总量为5852-6680MJ/m2，相当于日辐射量4.5-5.1KWh/m2，200~225kg标准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，全年日照时数为2200~3000h，年太阳辐射总量为5016-5852MJ/m2，相当于日辐射量3.8-4.5KWh/m2，170~200kg标准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。

四类地区是我国太阳能资源较贫乏地区，全年日照时数为1400~2200h，年太阳辐射总量4190-5016MJ/m2，相当于日辐射量3.2-3.8KWh/m2，140~170kg标准煤燃烧所发出的热量。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。

五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，全年日照时数为1000~1400h，年太阳辐射总量3344-4190MJ/m2，相当于日辐射量只有2.5-3.2KWh/m2，115~140kg标准煤燃烧所发出的热量。

一、二、三类地区，全年日照时数大于2000h，太阳能总辐射量高于5016MJ／(m2?a)，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。这三类地区面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。特别是一、二类地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，发展经济，提高人民生活水平。四、五类地区，虽然太阳能资源条件较差，但是也有一定的利用价值，其中有的地方是可能开发利用太阳能的。总之，从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，具有发展太阳能利用事业的得天独厚的优越条件，只要我们扎扎实实地努力工作，太阳能利用事业在我国是有着广阔的发展前景的。

太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。

可以说，丰富的太阳能资源已成为我国向太阳能电池生产与消费大国迈进的重要条件。

5.1.2严峻的能源与环保形势

中国是世界上重要的能源生产大国，更是世界上的能源消费大国。一方面由于中国经济的迅猛发展带动了对能源的高需求，另一方面由于粗放型的经济增长方式也带来能源利用效率较低和能源浪费的现象。数据表明：目前每百万美元能耗，中国是世界平均水平的3.1倍，是OECD(经济合作发展组织)国家和地区的4.3倍，更是日本的9倍。

中国已探明的常规能源资源总量（以吨煤当量计）是155Gt，占世界总量的10.7%，但由于我国人口众多，人均能源资源（以吨煤当量计）只有135t，相当于世界平均拥有量264t的51%。中国能源利用终端效率为33%，比发达国家约低10个百分点。目前，我国能源的供应状况为：煤炭比重过大，环境压力沉重，人均能耗远低于世界平均水平，能源技术落后，系统效率低，产品能耗高，资源浪费大。2004年，我国的能源消费总量为19.7亿吨标准煤。专家预测，到2020年，我国一次性能源需求量为25～33亿吨标准煤。届时，按照33亿吨标准煤的需求量来衡量，我国的煤炭供应量将达到29亿吨，石油为6.1亿吨。然而，到2020年，我国煤炭产量最多可能只有22亿吨左右，石油的最高产量也只有2亿吨，供需缺口高达7亿吨煤和4.1亿吨油。此外，我国的能源供应在今后还将面临两个严峻挑战：一是能源决策的国际环境复杂化，对国外石油资源的依存度快速加大；二是世界上化石能源的可持续供应能力也遭遇严峻的挑战。

表2中国能源消费结构年份煤炭（%）石油（%）天然气（%）水电（%）197870.719804.0198575.819905.1199574.619996.7200467.7上表列出中国近年来的能源消费结构。从表中可以看出中国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤的比例占70%以上，以煤炭作为主要能源，造成严重的大气污染。煤炭使用过程产生的污染是中国最大的大气环境污染问题。全国烟尘排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物的67%、二氧化碳的70%都来自于燃煤。

在大气污染物排放中，SO2排放与电力行业发展密切相关。燃煤电厂是煤炭的主要用户，电力耗煤占煤炭总产量的60%，同时也是SO2排放大户。除了能源消费过程中的污染物排放外，能源在开采、炼制及供应过程中，也会产生大量有害气体，严重影响着大气环境质量。2000年，能源生产相关行业烟尘排放量占全国烟尘总排放量的29.8%，对大气环境造成严重的污染。另外，燃煤产生的氮氧化物就可能从2000年的1880万吨的水平分别增加到2010年和2020年的2467万吨和2870万吨的水平。如果加上汽车尾气排放的氮氧化物，未来20年氮氧化物的产生量还会增加。因此，未来20年减排氮氧化物的任务将比减排二氧化硫还要严峻。

水污染物排放：据统计，中国煤矿每年产生的各种废污水约占全国总废污水量的25%。2000年，全国煤矿的废污水排放量达到27.5亿吨，其中，矿井水23亿吨，工业废水3.5亿吨，洗煤废水5000万吨，其它废水4500万吨。

二氧化碳排放：二氧化碳排放与能源结构、消费量和能源效率等密切相关。中国是世界上仅次于美国的CO2排放量大国，1990年至2000年中国CO2排放量由6.66亿吨碳增至8.81亿吨碳，由占全球排放量的11.6%增至13.7%。

环境污染付出了高昂的经济和公众健康成本。世界银行根据目前发展趋势预计，2020年中国燃煤污染导致的疾病需付出经济代价达3900亿美元，占国内生产总值的13%。

中国环境科学研究院的研究表明，在全国能源结构、产业结构、城市布局、气象条件等没有发生重大变化以及不考虑新疆和西藏地区的前提条件下，全国SO2排放量控制在1200万吨左右的情况下，全国大部分城市的SO2浓度才可以达到国家二级标准。中国环境科学研究院的《酸雨控制国家方案》研究表明，为了满足硫沉降临界负荷的要求，中国SO2年排放总量水平应最终控制在1620万吨左右。但是到2010年和2020年，即使按照低发展方案的计算，SO2的产生量也将分别达到2680万吨和2789万吨的水平，而按照高发展方案，二氧化硫产生量将达到3174万吨和3945万吨，都远远超过了环境目标容量。

中国目前破坏臭氧层物质的消耗量虽然有下降的趋势，但其总量仍然很大，排放到大气中的这类物质对臭氧层仍然构成巨大的威胁。目前中国能源使用排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的80%。由此可见，中国在环保方面尽管取得了一些成绩，但面临的任务仍然十分艰巨，必须尽快降低破坏臭氧层物质和温室气体的排放量。

在目前及今后的30～50年，我国具有实际发电和应用能力的可再生资源主要是：小水电、风力发电、生物质能和太阳能。据计算，我国的小水电理论可开发量为115兆瓦，风力发电为1000兆瓦，生物质能为100兆瓦，而太阳能则有109万兆瓦，即使只开发1％的太阳能，其装机容量就能超过3600兆瓦，比其他可再生能源高出了两个数量级。在众多的新能源技术中，太阳能发电具有结构简单、维护方便、可靠性高、寿命长等明显的技术优势，值得大力发展。开发可再生能源、改善能源结构是优化能源配置，促使经济、能源、环境协调发展的需要。

太阳能发电属于清洁可再生能源，无论从能源角度，还是从环境角度，都是未来发展的重点，太阳能并网发电的推广应用，无疑会带来良好的环境效益。

可以粗略计算“环境效益”如下：

①每KWh电耗煤：目前我国发电耗煤为平均390g标煤/KWh(能源基础数据汇编，国家计委能源所，1999。1，p16)

②每发1KWh电排放CO2

C+O2=CO2

123244

44/12?390=1430gCO2/KWh?1.4kgCO2/KWh=1.4?10-3TCO2/KWh

③每瓦光伏组件平均每年发1.5KWh。

④每瓦光伏组件平均每年相当减排CO2吨数

1.5KWh?1.4?10-3吨CO2/KWh＝2.1?10-3T

按照EPIA的估计，光伏发电取代柴油发电机的CO2减排效果为1.59Kg/KWh；光伏并网发电的平均减排效果为1.5Kg/KWh。我国到2010年太阳能电池的累计用量将达到600MWp，预计其中五分之一是并网发电，五分之四是独立发电系统，则相当于减排二氧化碳135万吨；2020年光伏发电累计安装30GWp，将减排6750万吨。5.1.3可再生能源法实施带来巨大机遇

由于原料和市场都依赖于国际市场，我国的光伏产业发展瓶颈急需突破。2006年1月1日，《可再生能源法》正式实施，相关配套措施也将很快出台。业内专家认为，这预示着我国太阳能产业将迎来一个前所未有的发展机遇。

《可再生能源法》的实施，对于解决我国太阳能光伏发电产品有价无市的状况将起到一定的作用。太阳能光伏电站所发的电力可以通过控制器和逆变器并入公共电网，而《可再生能源法》将这个过程有偿化，规定输入电网的电能电力公司必须按照一定的价格收购，这将直接降低太阳能电力的使用成本，为中国太阳能发电的普及应用扫清障碍。

由于太阳能发电成本较高，目前国内不能有偿并网，导致我国的太阳能光伏发电市场发展远远落后于欧洲、日本、美国等发达国家，我国企业生产的太阳能电池基本销往国外。《可再生能源法》正式实施后，将太阳能发电并网合法化，并规定了电网必须收购太阳能电力，这将给中国的新能源产业，尤其是太阳能光伏发电产业打开国内市场的大门。届时，太阳能电池产品等可再生能源国内销路有望打开，其潜在市场价值达约1000亿元人民币。

由于经济的迅速发展对能源的需求极度膨胀，到2015年，中国所需电力装机至少是10亿千瓦，到2050年将至少是25亿千瓦。中国巨大的能源需求将不能期望由一次性能源来解决，而只能寄希望于可再生能源。

《可再生能源法》的实施，对于解决太阳能产品有价无市的状况，也将起到一定的作用。太阳能产品在使用中会产生一定的电能，这部分电能可以通过专门的设备并入电网。而《可再生