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1、引言1954#1954#BellBell 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一個(gè)單晶硅太陽能電池，效率為 6%6%自此開啟了太陽能電池的新紀(jì)元。硅系太陽能電池已從單晶，多晶硅發(fā)展到非晶硅，從塊狀發(fā)展到薄膜，實(shí)現(xiàn)第一代到第二代的的轉(zhuǎn)換。2020 世紀(jì)后期，各種化合物薄膜電池興起，呈現(xiàn)欣欣向榮的局面。硫化鎘，碎化錢，銅錮錢硒如雨后春筍般地登上舞臺(tái)。有機(jī)物薄膜電池也不甘寂寞，在沉寂了數(shù)年之后也煥發(fā)出勃勃生氣。2121 世紀(jì)注定是太陽能利用的新世紀(jì)。那么，在諸多太陽能電池中，究竟哪些會(huì)脫穎而出，或者說占主導(dǎo)地位呢？一 .太陽能電池的工作原理太陽能電池發(fā)電原理：太陽能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏
2、效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч瑁嗑Ч?，非晶硅，碎化錢，硒錮銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N N 型硅，形成 P-NP-N 結(jié)。當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在 P PN N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。晶體硅太陽能電池的制作過程：“硅”是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)藏最豐量的材料之一。自從 1919 世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了
3、一切，甚至人類的思維。2020 世紀(jì)末，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近 1515 年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。二 .各種太陽能電池的優(yōu)劣1 1 . .單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一種太陽能電池，商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率為 16%-20%16%-20%。原料硅來源豐富，它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。但用作太陽能電池的不是普通的硅，而是99.9999%99.9999%的高純硅。硅的提純工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超過了 1/21/2。另外，目前冶煉的時(shí)候多用煤炭作為燃料，且用改良西門子法提純硅時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的硅氯化合物，如
4、果處理不當(dāng)，將會(huì)造成很大的污染，這種情形在中國(guó)尤其嚴(yán)重。2 2 . .多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。 因此成本相對(duì)單晶硅來說要小， 污染也降低了，但隨之而來效率也降低了，商業(yè)轉(zhuǎn)換效率大概在 12%-13%12%-13%。3 3 . .無機(jī)薄膜太陽能電池由于高純多晶硅價(jià)格飆升， 使得晶體硅電池價(jià)格上漲， 為薄膜太陽能電池帶來了行業(yè)機(jī)會(huì)。薄膜太陽能電池，由于所用材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于塊狀太陽能電池，所以成本要遠(yuǎn)低于塊狀太陽能電池，當(dāng)然碎化錢太陽能電池除外。4 4 . .多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池一般
5、采用氣相沉積法制備。它所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且可以在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。因此，多晶硅薄膜電池將成為薄膜太陽能中發(fā)展速度最快的電池。5 5 . .非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜光伏電池與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同， 硅材料消耗少、電耗低能，一般用輝光放電法、反應(yīng)濺射法等制備。它能夠在較低的溫度下直接沉積在廉價(jià)襯底上，有大幅度降低成本的潛力，適合用于建筑光伏一體化以及大型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，但光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為 1010 溢右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象。因而非晶硅薄膜電池的發(fā)展受到制約。
6、6 6 . .硫化鎘、硫化鎘多晶薄膜電池為了尋找單晶硅電池的替代品， 人們除開發(fā)了多晶硅、 非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池，以解決硅系材料普遍存在的冶煉硅污染問題。其中主要包括碎化線 III-VIII-V 族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮錢硒薄膜電池等。上述電池中， 盡管硫化鎘、 硫化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代物。7 7 . .碑化錢太陽能電池GaAGaA 掘于 III-VIII-V 族化合物半導(dǎo)體材料， 其能隙為 1.4eV,
7、1.4eV,正好為太陽光高吸收率的值，與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在 250c250c 的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約 30%,30%,特別適合做高溫聚光太陽電池。但這種電池制備主要采用 MOVMOV 唾 LPLP 豉術(shù)，因此成本較高。由于錢比較稀缺，碎有毒，此種太陽電池的發(fā)展也受到影響。8 8 . .銅錮硒、銅錮錢硒太陽能電池銅錮硒太陽能電池是以銅、 錮、 硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu)，為直接帶隙材料，一般采用真空鍍膜、電沉積、電泳法或化學(xué)氣相沉積法等工藝來制備，材料消耗少，成本低，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率在 10%10%以上。
8、因此是一種可與非晶硅薄膜太陽電池相競(jìng)爭(zhēng)的太陽能電池。銅錮錢硒太陽能電池簡(jiǎn)稱 CIGS,CIGS,是在銅錮硒太陽能電池的基礎(chǔ)上，以錢取代部分的硒而制成。由于錢的摻入，使得帶寬在 1.01.01.7eV1.7eV 連續(xù)可調(diào)，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換，另外，這種電池也不存在光致衰退問題。制備方法主要有共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。目前最高效率已達(dá)到 19.919.9%,商業(yè)轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了13%-1513%-15 溢右。CIGSCIGS 作為太陽能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)， 將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。 唯一的問題是材料的來源，由于錮和硒都是比較稀有的元素，因此，這
9、兩類電池的發(fā)展又必然受到限制。無機(jī)薄膜電池盡管大大節(jié)省了電池材料， 但在商業(yè)化時(shí)也面臨了一些難以解決的問題：沉積薄膜的速率慢，薄膜晶粒尺寸小，沉積的溫度較高，少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度較短。 所以雖然電池的薄膜技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛接受， 被認(rèn)為是最具有潛力的方式，但要真正與塊狀電池抗衡還有很長(zhǎng)的一段路要走。三.太陽能電池的市場(chǎng)分析20072007 年的太陽能電池產(chǎn)能，結(jié)晶硅型具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占整體的近 90%90%。但 0808 年以后該比例將下降，20122012 年將降至 62%62%左右。而非晶硅（a-Sia-Si）型、串聯(lián)型和 CIGSCIGS 型將分別增至 12%12%、8%8%和 7%7%。
10、另外，歐洲和亞洲廠商將涉足此前主要是美國(guó)廠商從事的 CdTeCdTe（硫化鎘）型太陽能電池的生產(chǎn)。因此，20122012 年 CdTeCdTe 型的構(gòu)成比例將占 4.4%4.4%。但色素增感型仍將不足 1%1%。 上述數(shù)據(jù)參照了法國(guó)調(diào)查公司 YoleDeveloppementYoleDeveloppement 就 560560 家工廠所做調(diào)查的結(jié)果。接下來看一下 0808 年歐洲、美洲、亞洲以及其它地區(qū)的產(chǎn)能。美洲的結(jié)晶硅型所占比例低于 40%,40%,但其它 3 3 個(gè)地區(qū)超過了 70%70%。在產(chǎn)能最大的亞洲，結(jié)晶硅型的比例非常高，約為 90%90%。美洲產(chǎn)能雖不及亞洲和歐洲，但各類型的構(gòu)
11、成比例很有特點(diǎn)。美洲的結(jié)晶硅型產(chǎn)能所占比例較低，但 a-Sia-Si型、CIGSCIGS 型和 CdTeCdTe 型的比例都很高。四.太陽能電池與環(huán)境為更好地了解太陽能帶給能源和環(huán)境的利與弊，美國(guó)羅切斯特理工學(xué)院研究小組的科學(xué)家日前表示，他們完成了有機(jī)太陽能電池的壽命周期等多項(xiàng)評(píng)估中的一項(xiàng)。研究結(jié)果顯示，生產(chǎn)有機(jī)太陽能電池所需的總能源比生產(chǎn)普通無機(jī)太陽能電池的要少。太陽能有望捧起石油能源產(chǎn)品的“接力棒”，承擔(dān)起為人類提供能量的重任。然而，當(dāng)前的太陽能電池技術(shù)存在著某些問題，比如無法產(chǎn)生恒定的能量輸出、大規(guī)模生產(chǎn)的成本比較昂貴等。此外，關(guān)于太陽能產(chǎn)品對(duì)環(huán)境總體影響的信息也并不完備。該研究項(xiàng)目的帶
12、頭人、羅切斯特理工學(xué)院可持續(xù)性博士項(xiàng)目的博士生安尼克安克狄爾認(rèn)為，有機(jī)太陽能電池可卷曲且重量輕，有望低成本生產(chǎn)，比主要依靠無機(jī)半導(dǎo)體材料生產(chǎn)太陽能電池的技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。然而，過去關(guān)于利用有機(jī)材料生產(chǎn)太陽能電池技術(shù)對(duì)能源和環(huán)境影響的評(píng)估并不完整，要獲得更廣泛的分析，還需要更好地評(píng)估無機(jī)太陽能電池生產(chǎn)和使用的整體影響。在研究中，安克狄爾和同事通過評(píng)估無機(jī)太陽能技術(shù)的綜合壽命，力圖計(jì)算出有機(jī)太陽能電池在材料獲取、 制造、 大規(guī)模生產(chǎn)和使用中的總能耗以及對(duì)環(huán)境的影響。安克狄爾認(rèn)為，過去對(duì)有機(jī)太陽能電池技術(shù)壽命進(jìn)行的評(píng)估中，沒有包括對(duì)有機(jī)太陽能電池里各種材料的分類計(jì)算，即沒有計(jì)算無機(jī)太陽能電池的整體能量?jī)?/p>
13、還，也就是電池使用時(shí)產(chǎn)生的能量與生產(chǎn)時(shí)所需要的能量之比。研究人員發(fā)現(xiàn)，與無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池的能量?jī)斶€時(shí)間更短。研究人員表示，他們獲得的數(shù)據(jù)將幫助設(shè)計(jì)人員和潛在的生產(chǎn)商更好地把握如何利用和提高有機(jī)太陽能電池技術(shù)；分析與其他太陽能和替代能源技術(shù)相比，有機(jī)太陽能電池技術(shù)的可行性。五.太陽能電池面臨的主要問題1 1 . .染料問題（現(xiàn)在公認(rèn)使用效果較好的 N3N3 制備過程較復(fù)雜，因而價(jià)格也比較昂貴。因此，尋找低成本而性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)）2 2. .納米材料（如何獲得制備方法簡(jiǎn)單、尺寸分布可控的納米材料？）3 3 . .電解質(zhì)及基體材料（為達(dá)到商業(yè)化的目標(biāo)溶液電解質(zhì)要逐步用固體電解質(zhì)取代，以提高穩(wěn)定性和使用壽命）
太陽能電池的應(yīng)用
