太陽電池

　　簡介

　　【詞語】：太陽電池

　　【注音】：tàiyángdiànchí

　　【英文】：solarcell

　　【釋義】：用半導(dǎo)體硅﹑硒等材料將太陽的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長﹐無污染等優(yōu)點(diǎn)﹐可做人造衛(wèi)星﹑航標(biāo)燈﹑晶體管收音機(jī)等的電源。

　　太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。太陽電池最初為空間航天器使用，空間航天器用單晶硅太陽電池的基本材料為純度達(dá)0.999999、電阻率在10歐·厘米以上的P型單晶硅，包括p-n結(jié)、電極和減反射膜等部分，受光照面加透光蓋片（如石英或滲鈰玻璃）保護(hù)，防止電池受外層空間范愛倫帶內(nèi)高能電子和質(zhì)子的輻射損傷。單體電池尺寸從2×2厘米至5.9×5.9厘米，輸出功率為數(shù)十至數(shù)百毫瓦，它的理論光電轉(zhuǎn)換效率為20%以上，實(shí)際已達(dá)到15%以上。

　　單晶砷化鎵太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為24%，實(shí)際達(dá)到18%。它能在高溫、高光強(qiáng)下工作，耐輻射損傷能力高于硅太陽電池，但鎵的產(chǎn)量較少，成本高。級(jí)聯(lián)p-n結(jié)太陽電池是在一塊襯底上疊加多個(gè)不同帶隙材料的p-n結(jié)，帶隙大的頂結(jié)靠光照面，吸收短波光，往下帶隙依次減小，吸收的光波波長逐漸增長，這種電池可以充分利用日光，光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。

　　為了提高單體太陽電池的性能，可以采取淺結(jié)、密柵、背電場、背反射、絨面和多層膜等措施。增大單體電池面積有利于減少太陽電池陣的焊接點(diǎn)，提高可靠性。

　　發(fā)展歷史

　　太陽電池發(fā)展歷史可以追溯到1839年，當(dāng)時(shí)的法國物理學(xué)家Alexander-EdmondBecquerel發(fā)現(xiàn)了光伏特效應(yīng)（Photovoltaiceffect）。直到1883年，第一個(gè)硒制太陽電池才由美國科學(xué)家CharlesFritts所制造出來。在1930年代，硒制電池及氧化銅電池已經(jīng)被應(yīng)用在一些對(duì)光線敏感的儀器上，例如光度計(jì)及照相機(jī)的曝光針上。

　　中國第一個(gè)太陽電池

　　而現(xiàn)代化的硅制太陽電池則直到1946年由一個(gè)半導(dǎo)體研究學(xué)者RussellOhl開發(fā)出來。接著在1954年，科學(xué)家將硅制太陽電池的轉(zhuǎn)化效率提高到6%左右。隨后，太陽電池應(yīng)用于人造衛(wèi)星。1973年能源危機(jī)之后，人類開始將太陽電池轉(zhuǎn)向民用。最早應(yīng)用于計(jì)算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性（anisotropic）的蝕刻（etching）特性，慢慢的將太陽電池表面的硅結(jié)晶面，蝕刻出許多類似金字塔的特殊幾何形狀。有效降低太陽光從電池表面反射損失，這使得當(dāng)時(shí)的太陽電池能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%。

　　1976年以后，如何降低太陽電池成本成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的重點(diǎn)。1990年以后，電池成本降低使得太陽電池進(jìn)入民間發(fā)電領(lǐng)域，太陽電池開始應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電。

　　分類

　　分類太陽電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。從產(chǎn)生技術(shù)的成熟度來區(qū)分，太陽電池可分為以下幾個(gè)階段：

　　第一代太陽電池：晶體硅電池；

　　第二代太陽電池：各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池（a-Si）、碲化鎘太陽電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS）、砷化鎵太陽電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽電池等；

　　第三代太陽電池：各種超疊層太陽電池、熱光伏電池（TPV）、量子阱及量子點(diǎn)超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉(zhuǎn)換太陽電池、下轉(zhuǎn)換太陽電池、熱載流子太陽電池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。

　　按電池結(jié)構(gòu)劃分，太陽電池可分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。

　　按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化電池和有機(jī)薄膜電池幾種。

　　發(fā)展情況

　　硅基太陽電池

　　硅基電池包括多晶硅、單晶硅和非晶硅電池三種。產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池的效率可達(dá)到14%～20%(單晶體硅電池16%～20%，多晶體硅14%～16%)。目前產(chǎn)業(yè)化太陽電池中，多晶硅和單晶硅太陽電池所占比例近90%。硅基電池廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。

　　(1)單晶硅太陽能電池

　　單晶太陽電池板

　　單晶太陽電池板硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高（16%～20%），技術(shù)也最為成熟。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。

　　提高轉(zhuǎn)化效率主要是單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合．通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。

　　（2）多晶硅太陽電池

　　多晶硅太陽電池成本低，轉(zhuǎn)化效率較高（14%～16%），生產(chǎn)工藝成熟，占有主要光伏市場，是現(xiàn)在太陽電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。多晶硅太陽電池已經(jīng)成為全球太陽電池占有率最高的主流技術(shù)。但多晶硅太陽電池效率低于單晶硅電池。比較單位成本發(fā)電效率，兩者接近。

　?。?）非晶硅太陽電池

　　非晶硅的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)于可見光譜的吸光能力很強(qiáng)（比結(jié)晶硅強(qiáng)500倍），所以只要薄薄的一層就可以把光子的能量有效吸收。而且這種非晶硅薄膜生產(chǎn)技術(shù)非常成熟，不僅可以節(jié)省大量的材料成本，也使得制作大面積太陽電池成為可能。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率低（5%-7%），而且存在光致衰退(所謂的S-W效應(yīng)，即光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，使電池性能不穩(wěn)定)。因此在太陽能發(fā)電市場上沒有競爭力，而多用于功率小的小分型電子產(chǎn)品市場。如電子計(jì)算器、玩具等。

　　在1980年代，非晶硅是唯一商業(yè)化的薄膜型太陽電池材料，當(dāng)年非晶硅太陽電池出現(xiàn)，曾引起大量投入。從1985到1990年初，非晶硅太陽電池的比例曾創(chuàng)下全球太陽電池總量三分之一，但之后卻因?yàn)榉€(wěn)定性不佳問題未能獲得有效改善，使得產(chǎn)量下滑。

　　薄膜太陽電池

　　依據(jù)材料種類不同，薄膜電池可細(xì)分為：微晶硅薄膜硅太陽電池（ThinFilmCrystallineSiliconSolarCell，簡稱c-Si）；非晶硅薄膜太陽電池（ThinFilmAmorphousSiliconSolarCell，簡稱a-Si）、Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池（碲化鎘（CdTe）、硒化銦銅）、Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵銦（InGaP）。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池可以利用多層薄膜結(jié)構(gòu)達(dá)到高于30%以上的轉(zhuǎn)換效率外，其他的集中薄膜型太陽電池效率一般多在10%以下。

　　目前已產(chǎn)業(yè)化的薄膜光伏電池材料有三種：非晶硅(a-Si)、銅銦硒(CIS，CIGS)和碲化鎘(CdTe)，其中，非晶硅薄膜電池生產(chǎn)比重最大。2007年，占全球總產(chǎn)量的5.2%。

　?。?）Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池

　　典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池為砷化鎵（GaAs）電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到30%以上，這是因?yàn)棰?Ⅴ族是具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，僅僅2um厚度，就可在AM1的輻射條件下吸光97%左右。在單晶硅基板上，以化學(xué)氣相沉積法成長GaAs薄膜所制成的薄膜太陽電池，因效率較高，應(yīng)用在太空。而新一代的GaAS多接面太陽電池，因可吸收光譜范圍高，所以轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到39%以上，是目前轉(zhuǎn)換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長。不過這種電池價(jià)格昂貴，平均每瓦價(jià)格可高出多晶硅太陽電池?cái)?shù)十倍以上，因此不是民用主流。

　　因?yàn)榫哂兄苯幽芟都案呶庀禂?shù)，而且耐反射損傷性佳且對(duì)溫度變化不敏感，所以適合應(yīng)用在熱光伏特系統(tǒng)（thermophotovolaicsTRV）、聚光系統(tǒng)（concentratorsystem）及太空等三個(gè)主要領(lǐng)域。

　　從2007年8月開始，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶柲馨l(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。砷化鎵高效聚光電池在國外正在被證明是低成本規(guī)模建造太陽能電站的有效途徑。

　?。?）Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池

　　Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池包括碲化鎘薄膜電池和銅銦鎵硒薄膜電池。

　　碲化鎘電池具有直接能隙，能隙值為1.45eV，正好位于理想太陽電池的能隙范圍內(nèi)。此外，具有很高的吸光系數(shù)。成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。此外，可利用多種快速成膜技術(shù)制作，由于模組化生產(chǎn)容易，因此近年來商業(yè)性表現(xiàn)較佳，CdTe/glass已經(jīng)用于大面積屋頂材料。但鎘污染問題是發(fā)展該薄膜電池的一項(xiàng)隱患。不過美國和德國已經(jīng)推行CdTe太陽電池回收及再生機(jī)制，為市場注入正面力量。由于該電池制作過程耗時(shí)只有幾分鐘，易于快速批量生產(chǎn)，因此美國方面相當(dāng)看好市場前景。認(rèn)為未來可能超過非晶硅太陽電池占有量。

　　銅銦鎵硒吸光范圍非常廣，而且戶外環(huán)境下穩(wěn)定性相當(dāng)好。由于其具有高轉(zhuǎn)換效率和低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵胤N類之一。在轉(zhuǎn)換效率方面，若利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到30%左右，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試下最高也達(dá)到了19.5%水平，可以和單晶硅太陽電池媲美。除了適合用在大面積的地表用途外，Cu（InGa）Se2太陽電池也具有抗輻射損傷能力，所以也具有應(yīng)用在太空領(lǐng)域潛力。

　　太陽電池片

　　經(jīng)過30年發(fā)展，CIGS電池普及性仍然不高。小規(guī)模的量產(chǎn)階段并未明確看到它被世人期待的成本優(yōu)勢。因此，如何使得太陽電池量產(chǎn)技術(shù)成熟化大幅降低制造成本是未來努力的課題。另一個(gè)發(fā)展方向，是發(fā)展比較寬能隙（大于1.5eV）的CIGS技術(shù)，而不會(huì)造成效率損失。發(fā)展可以制造高品質(zhì)的CIGS薄膜低溫制造過程，也是降低制造成本的一個(gè)重點(diǎn)。在低材料成本及高模組效率的市場潛力吸引下，近年來，除了ShellSolar，WrthSolar，ShowaShell，ZSW等持續(xù)投入研發(fā)外，甚至本田也跟進(jìn)生產(chǎn)。CIGS太陽電池發(fā)展的隱患是In及Ga的蘊(yùn)藏量有限，在其他半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)競相使用下，可能面臨目前硅材料不足的同樣問題。同時(shí)，制造工藝復(fù)雜，投資成本高，因而制約市場成長；CdS具有潛在毒性的缺點(diǎn)，因此限制了市場發(fā)展。

　　柔性襯底薄膜太陽電池

　　美國Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽電池領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，其單結(jié)非晶硅鍺電池實(shí)驗(yàn)室初始效率達(dá)到了13%，他們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)參與組建了MWOE和Xunlight公司，并在積極籌劃更大的產(chǎn)能。

　　日本在柔性襯底太陽電池的研究方面也走在世界前列。在日本，Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力從事柔性襯底非晶硅太陽電池的研制，已經(jīng)建成了多條兆瓦量級(jí)的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。

　　Sanyo公司最早在無人駕駛的太陽能飛機(jī)上采用了柔性襯底非晶太陽電池作為能源，完成了橫跨美洲大陸的飛行，顯示了柔性非晶薄膜太陽電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制備的非晶硅太陽電池目前已能生產(chǎn)面積為286cm2的組件，效率已達(dá)8.1%，小面積電池的效率已達(dá)11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩(wěn)定效率達(dá)到9%，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶硅電池的產(chǎn)量2006年達(dá)15MW。

　　歐盟則聯(lián)合其成員國的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動(dòng)了''FLEXCELLENCE''項(xiàng)目，為期3年，目標(biāo)是開發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對(duì)卷生產(chǎn)的設(shè)備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產(chǎn)線，并希望將生產(chǎn)成本控制在每瓦0.5歐元。據(jù)2007年的報(bào)道，目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10.8%，VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。

　　我國的柔性襯底薄膜電池的研究進(jìn)展較慢。哈爾濱chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結(jié)薄膜電池，電池初始效率為4.63%，功率重量比為231.5W/kg，但此后進(jìn)展不大。近年來南開大學(xué)在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進(jìn)展，他們?cè)?.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結(jié)薄膜電池的初始效率為4.84%，功率重量比為341W/kg。

　　柔性襯底電池的產(chǎn)業(yè)化方面，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，30MW生產(chǎn)線已經(jīng)開始了項(xiàng)目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，未來準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國外進(jìn)口，預(yù)計(jì)電池成本偏高?？偟膩碚f，國內(nèi)目前具備了非晶硅薄膜電池研制的技術(shù)基礎(chǔ)，但是在柔性襯底上的研究還處于剛剛起步的階段，和國外的差距較大。

　　太陽能用途

　　1.用戶太陽能電源

　　衛(wèi)星太陽電池板

　　太陽電池片

　　[1]小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；

　　[2]3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；

　　[3]光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

　　2.交通領(lǐng)域

　　如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

　　衛(wèi)星太陽電池板

　　太陽能路燈

　　3.通訊/通信領(lǐng)域

　　太陽能無人值守微波中繼站、衛(wèi)星、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。

　　4.石油、海洋、氣象領(lǐng)域

　　石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等

　　太陽能路燈

　　5.家庭燈具電源

　　如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

　　6

　　太陽電池服裝

　　.光伏電站

　　10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。

　　太陽電池服裝7.服裝

　　太陽能服裝、太空服等。

　　最新進(jìn)展

　　華南理工大學(xué)高分子光電材料與器件研究所研究團(tuán)隊(duì)，在其首創(chuàng)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水/醇溶性聚合物太陽電池界面調(diào)控材料與技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過協(xié)同創(chuàng)新，利用一種倒置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.214%的聚合物太陽電池，刷新了單結(jié)聚合物異質(zhì)結(jié)太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率的世界最好水平。該項(xiàng)成果也于近日入選2012年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

　　該成果由國家杰出青年科學(xué)基金獲得者吳宏濱教授和中國科學(xué)院院士曹鏞教授所在的高分子光電材料與器件研究團(tuán)隊(duì)完成，他們發(fā)明的一種高效、新穎的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池，實(shí)現(xiàn)了9.214%的能量轉(zhuǎn)換效率，這一效率得到國家光伏質(zhì)檢中心的獨(dú)立認(rèn)證。研究成果在國際著名學(xué)術(shù)雜志《NaturePho？tonics》(《自然光子學(xué)》)上發(fā)表，并被該期雜志選為研究亮點(diǎn)。