太阳能电池技术的发展

太阳能电池技术的发展

能源短缺和污染是人类面临的两个问题。传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内,太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。由于纳米技术的诱人前景和广泛的经济和社会效益,将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。1太阳能电池的材料太阳能电池的工作原理是利用光电材料吸收太阳光光能后发生光电转换反应。这种光电转换装置称为光电池或太阳能电池。光电池可分为固体光电池和液体光电池。前者如硅太阳能电池;后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同,太阳能电池又可分为:(1)硅太阳能电池;(2)无机化合物太阳能电池如砷化镓、硫化镉、铜铟硒电池;(3)有机/聚合物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池等。尽管制作电池的材料不同,但其材料一般应满足以下几个要求:(1)半导体材料的禁带不能太宽;(2)要有较高的光电转换效率;(3)对环境不造成污染;(4)便于工业化生产且性能稳定。第一个现代太阳能电池是由贝尔实验室于1954年制造的,是单晶硅太阳能电池。随着科学技术的发展,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池也已经广泛应用于人们的日常生活当中。虽然硅太阳能电池转换效率高,但其制作工艺苛刻,材料价格昂贵,因而难以普及。自上世纪九十年代发展起来的纳米晶体太阳能电池,由于具有许多硅太阳能电池所不具有的优点,从而迅速成为太阳能电池领域的研究热点。下面将简单介绍以上各类太阳能电池的研究现状,然后重点讨论纳米晶太阳能电池及其发展趋势。2硅系太阳能电池硅太阳能电池根据不同硅晶体材料又可分成单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。2.1太阳能电池的转化技术硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。单晶硅电池是由高质量的单晶硅材料制成的。现在单晶硅电池的制作工艺己近成熟,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。提高转化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FrauenhoferFreiburg太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所制得的此类电池转化效率超过23%,最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%。北京太阳能研究所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%。2.2薄膜太阳能电池的制备技术多晶硅薄膜太阳能电池的研制从上世纪70年代中期就开始了。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太阳能电池。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,其他的制备技术基本与单晶硅太阳能电池制备技术相同。德国FrauenhoferFreiburg太阳能研究所采用区域再结晶技术在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的电池效率达16.4%。美国Astropower公司采用液相外延(LPE)法制备的电池效率达12.2%。2.3太阳能电池的制备方法由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,重量轻,便于大规模生产,受到人们的重视并得到了迅速发展。自二十世纪七十年代初Carlson等人对非晶硅太阳能电池研究以来,它的研制工作已得到了迅速发展,目前世界上己有许多家公司在生产该种电池。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,三带隙三叠层电池最高转换效率为13%。2.4太阳能电池薄膜作为硅电池的替代产品化合物薄膜太阳能电池具有成本低且较非晶硅薄膜太阳能电池效率高的优点,如砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。但在硫化镉、碲化镉电池中,镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,不利于广泛应用。只有砷化镓(GaAs)及铜铟硒(CuInSe2)薄膜电池由于具有较高的转换效率而受到人们的重视。1998年德国FrauenhoferFreiburg太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2%。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CIC。CIS材料的能隙为1.leV,有利于太阳光的吸收。而且CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。CIS薄膜电池已经从80年代最初8%的转换效率提高到了15%左右。1995年美国可再生能源研究室研制出了转换效率为17.l%的CIS太阳能电池。2.5还原电位较高的电极有机/聚合物太阳能电池的原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机P-N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解质中时,光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。美国加州大学和英国剑桥大学分别于1995年和1998年采用MEH-PPV与C60的共混物制备的单层光伏器件,其光电转换效率分别达到2.9%和>7%。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本低等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。2.6纳米晶二氧化钛太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于目前市场上的太阳能电池产品硅太阳能电池制造成本过高,不利于广泛应用。而九十年代发展起来的纳米晶二氧化钛(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,已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。寿命能达到2O年以上。因此自瑞士科学家Gratzel教授研制成功纳米TiO2化学太阳能电池以来,纳米二氧化钛太阳能电池一直是太阳能电池研究的一个热点课题,因为其机理如内电阻和电子迁移率等影响其转换效率的因素一直存在争论。2.6.1还原电解质系统纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种在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晶二氧化钛并制成电极,此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。图1为染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理图。其中TCO为透明导电电极(ITO或FTO),其中一个电极表面涂上二氧化钛薄膜,对电极表面镀一层白金膜(Pt)。CB和VB分别表示二氧化钛半导体的导带和禁带;S,S*分别是染料分子的基态和激发态;I-/I3-是氧化还原电解质。当染料分子吸收太阳光时,电子从基态跃迁到激发态。染料分子激发态的电子迅速注入到紧邻的二氧化钛半导体导带中,而在染料分子中则留下空穴。染料中失去的电子则很快从电解质中(I-/I3-)得到补偿,进入二氧化钛导带中的电于最终进入白金导电膜(Pt),然后通过外回路产生光电流。其工作原理如图1。这种太阳能电池的理论转换效率可达30%。图2为染料敏化纳米晶二氧化钛太阳能电池的结构示意图。2.6.2影响因素下面主要从太阳能电池的结构讨论其光电转化性能的影响因素。(1)电极孔径对电量生产效率的影响纳米二氧化钛的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大。首先,纳米膜的多孔性使得它的比表面积远比其几何面积大,从而大大提高了其表面吸附能力,有利于染料分子的吸收和吸收太阳光,同时提高光电量子效率。另外,纳米二氧化钛的粒径小也会导致其大的比表面积,但同时其电极的孔径将随着变小。一般情况下,表面积越大,吸附能力越强,吸附染料分子越多,光生电流也就越强。但另一方面,孔径变小不利于光电效率的提高,因为小孔吸附染料分子后,剩余的空间太小,导致电解质在其中的扩散速度降低,从而电流产生效率下降。除纳米二氧化钛外,其它的半导体氧化物如氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2)和氧化铌(Nb2O5)也都可作为二氧化钛的替代品,但其转化效率都远不及二氧化钛太阳能电池,分别只达到1.2%,1.4%和4%,尽管它们的禁带宽度都在3.2左右,见表1。(2)对表面的吸附染料是染料敏化纳米晶太阳能电池中的重要组成部分。敏化剂与半导体表面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固的吸附到表面上,而且还可以增强电子耦合及改变表面态能量,有利于电荷的转移。研究结果表明通过优化染料敏化剂,如配位体和前趋体及其制备工艺,可以提高二氧化钛太阳能电池的光电转化效率。如利用铷系列配合物敏化剂,其光电转化效率可超过10%。(3)金属离子对电池放电的影响染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质溶液中的氧化还原对一般为I3-/I-,其作用是还原被氧化的染料分子。溶剂和金属离子的种类变化对电池的电流输出影响较大。另外对电极的影响也不可忽略。电解质中I3-需要在对电极上得到电子以便再生成I-。一般的对电极是一层金属铂。但铂的成本太高,不利于电池的广泛应用。由于碳高的导电性能和对I3-高的催化性能,因此也可利用多孔碳电极作为对电极,同样可达到理想的效果。(4)太阳能电池的优势致密是影响电池性能和使用寿命的关键,因此封装材料要求比较高,不仅要抗温度变化和太阳光爆晒,还要有对抗电解质腐蚀的长期稳定性。电池组是由多个单电池组成的,可以提高其输出功率。它可以串联或/和并联的方式把多个单电池组合在一起。图3为一有两个单电池组成的电池组。与硅太阳能电池相比,纳米二氧化钛太阳能电池除成本大大降低这一优点外还具有以下五个方面的优势:①可以制成透明的产品;②可以在各种光照条件下使用;③对光线的入射角度不敏感,可充分利用折射光和反射光;④可在柔性基底上制备,扩大了应用范围;⑤工作温度宽,可高达70摄氏度。我国目前市场上主要太阳能电池的商品价格为:单晶硅50元/瓦,多晶硅30元/瓦,而纳米晶二氧化钛太阳能电池估计价格低于10元/瓦。而且我国很多偏远地区普遍缺乏电能,特别是沙漠,那儿太阳充足,开辟廉价的太阳能电池是解决