編號：1432130135本科畢業(yè)論文太陽能電池研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢院 系：姓 名：學 號：專 業(yè)：物 理 學年 級：2010級指導教師：職 稱：完成日期：2014年 5月11日摘 要能源是人類社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，以煤炭、石油等化石燃料為代表的能源極大地促進了世界各國的經(jīng)濟發(fā)展。然而，化石燃料的大量使用也帶來了一系列的問題，如能源危機和環(huán)境污染，促使人類探尋新的、清潔、安全、可再生的能源太陽能，由此極大地促進了太陽能電池技術(shù)的飛速發(fā)展。鑒于此，在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，首先綜述太陽能電池的種類，然后就其研究現(xiàn)狀、存在的問題、解決的途徑以及發(fā)展趨勢等做了一些分析，完善太陽能電池的相關(guān)研究。關(guān)鍵詞：太陽能電池；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢AbstractEnergy is the material basis for the existence and development of human society, To coal, oil and other fossil fuels for energy is greatly promoted the economic development of countries all over the world. However, Use of fossil fuels also brings a series of problems, such as energy crisis and environmental pollution, human in the search for a new, clean, safe, renewable energy, solar energy. Thus greatly promote the rapid development of the solar cell technology. In view of this, on the basis of consulting a large number of literature, firstly reviews the types of solar cells, and then the research situation and existing problems, solutions as well as development trend made some analysis and research to improve the solar cell.Key word: Solar cell；Research status；Development trend 目 錄1 緒論11.1 研究背景和意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 主要方法和研究進展41.4 主要研究內(nèi)容52 太陽能電池簡介62.1 太陽能電池的工作原理62.2 太陽能電池的種類63 太陽能電池現(xiàn)狀分析83.1 硅太陽能電池83.1.1 單晶硅太陽能電池83.1.2 多晶硅太陽能電池93.2 薄膜太陽能電池93.2.1 非晶硅薄膜太陽能電池93.2.2 多元化合物薄膜太陽能電池123.3 新型太陽能電池133.3.1 納米晶太陽能電池133.3.2 疊層太陽能電池133.3.3 柔性電池144 太陽能電池發(fā)展面臨的問題及發(fā)展趨勢154.1 我國太陽能電池發(fā)展的主要問題及解決辦法154.2 太陽能電池發(fā)展趨勢175 結(jié)論與展望19參考文獻20致 謝21III1 緒論1.1 研究背景和意義諾貝爾獎獲得者美國Rice University的Smalley教授曾經(jīng)指出，在未來的50年里，人類面臨著隨之而來的10大問題中，能源問題排在首位。目前人類使用的能源中，化石能源占90%以上，而到21世紀中葉，其比例將減少到人類使用能源的一半，達到其極值，之后核能和可再生能源將占主導地位。到2100年時，可再生能源將占人類使用能源的l/3以上1-2，如圖1-1示。在諸多可再生能源中，包括太陽能、風能、潮汐能、地熱能、氫能和生物質(zhì)能，太陽能所蘊藏的能量是所有其他可再生能源能量總和的上千倍，因此發(fā)展太陽能潛力巨大。自地球形成以來，生物就主要以太陽提供的熱和光生存，人類利用太陽能這一取之不盡的清潔能源的想法由來已久, 最早是將它直接轉(zhuǎn)換為熱能利用, 后來光生伏特效應的發(fā)現(xiàn)使太陽能利用領(lǐng)域更加靈活、廣闊，所謂太陽能電池是指由光電效應或光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽能電池除具有清潔、能量充足的特點外，還可以直接設置在需要用電的地方發(fā)電。目前，太陽能電池的國際市場年增長率已達到30%，而在2030年前，還會以約25%的速度持續(xù)增長，太陽能光伏裝機容量將從目前的約84GW增長到2030年的300GW。中國的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃中，提出2020年可再生能源要占到15%，其中太陽能電池發(fā)電容量達到1.8GW。市場上的太陽能電池主要是硅基太陽能電池，其中又以多晶硅太陽能電池為主流。圖1-1 世界能源結(jié)構(gòu)預測（歐盟聯(lián)合研究中心）眾所周知，能源消耗量越來越大，傳統(tǒng)能源越來越難以供應人類的發(fā)展， 而且由于傳統(tǒng)能源不夠清潔，帶來了一系列環(huán)境問題，作為一切能源的最終來源，太陽能以其具有無污染、清潔安全、普遍、可再生、可持續(xù)性等特點越來越被人們所關(guān)注，太陽能的利用顯得意義重大。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽能電池發(fā)電是一種新興的可再生能源，在能源消費中占有舉足輕重的地位，據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會EPIA預測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀會占據(jù)世界能源消費的重要席位（圖1-1），不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上3。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位?，F(xiàn)今，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，尤其是能源危機及傳統(tǒng)能源對環(huán)境污染程度日趨嚴重,更加快了人類對太陽能探索的步伐，開發(fā)清潔環(huán)保能源成為人類面臨的重大問題, 研究太陽能電池因此也成為21世紀科學研究的重要領(lǐng)域之一，所以，研究太陽能電池具有重要的意義。表1-1為世界常規(guī)能源儲備狀況。表1-1 世界常規(guī)能源儲備狀況剩余使用年限（自2012年開始計算）能源種類世界中國太陽能無窮大無窮大石油約45年約15年天然氣約61年約30年煤約230年約81年鈾約71年約50年1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀中國對太陽能電池的研究開發(fā)工作高度重視，早在七五期間，非晶硅半導體的研究工作已經(jīng)列入國家重大課題，八五和九五期間，中國把研究開發(fā)的重點放在大面積太陽能電池等方面。根據(jù)半導體設備暨材料協(xié)會(SEMI)的統(tǒng)計，2011年中國國內(nèi)新增光伏裝機容量2.7GW，占到2011年全球新增光伏裝機容量的10%左右。水利水電規(guī)劃總院的數(shù)據(jù)顯示，截至到2012年底，中國光伏發(fā)電容量已經(jīng)達到了7982.68MW，超越美國占據(jù)第三，但是最重要的還是集中在西部地區(qū)。中國 19個省共核準了484個大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項目，核準容量是11543.9 MW；中國15個主要省已累計建成233個大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項目，總的建設容量為4193.6MW，2012年興建98個。其中青海、寧夏、甘肅3省的建設容量和市場份額都占據(jù)了半壁江山。為了解決這種光伏發(fā)電集中的情況，從2012年12月開始了分布式光伏發(fā)電示范項目的一個技術(shù)評審，到2013年5月，中國26個省市共上報了140個示范區(qū)，每一個示范區(qū)項目不是一個獨立項目，可能涵蓋了若干個市、縣或者是鎮(zhèn)，它的總?cè)萘渴?6529.6MW。根據(jù)OFweek行業(yè)研究中心的最新數(shù)據(jù)顯示，2013年上半年中國新增光伏裝機2.8GW，其中1.3GW為大型光伏電站。截至2013年上半年，中國光伏發(fā)電累計建設容量已經(jīng)達到10.77GW，其中大型光 伏電站5.49GW，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)5.28GW。 目前，國務院審議通過了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，明確太陽能發(fā)電是可再生能源發(fā)展的重要組成部分，當前和今后一段時間要加快開發(fā)利用。按照國家規(guī)劃，到2020年將達到1.8GW，到2050年將達到600GW（百萬千瓦）。按照中國電力科學院的預測，到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發(fā)電裝機將占到5%。與此同時，中國已經(jīng)形成了多家世界級的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，并分別在美國、香港上市。從已上市企業(yè)的市值看，世界十大光伏企業(yè)中，中國有保利協(xié)鑫、茂迪（臺灣）、天合光能、無錫尚德四家，分別位居第二、五、七、八。德國、美國、日本三個國家是主要的利用太陽能的國家，集中了太陽能電池生產(chǎn)商，也是產(chǎn)品主要的需求國。西班牙則發(fā)展迅速。德國太陽能裝機容量在2007 年達到1328MW，占世界新增容量的47%。是目前全球最大的太陽能發(fā)電市場，而西班牙是增長最快的市場之一，2007 年新增太陽能光伏發(fā)電裝機容量640MW，同比增長480%，成為全球新的第二大市場。美國市場新增220 MW，同比增長57%，只有日本在政府取消了一定的政策補貼后增速下降了22%，綜上，全球太陽能電池呈迅猛式的發(fā)展。圖1-2為2010-2015年全球太陽能電池產(chǎn)量、增長率統(tǒng)計和預測。圖1-2 2010-2015年全球太陽能電池產(chǎn)量及增長率太陽能電池優(yōu)缺點主要體現(xiàn)在成本、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)工藝、技術(shù)等方面，導致電池轉(zhuǎn)換效率提高的原因主要來自于以下幾個方面：(1) 材料質(zhì)量的改善，顯著的提高了光生載流子在電池體內(nèi)的擴散長度和收集效率；(2) 電池表面絨面和減反射膜的形成有效地提高了太陽光在電池體內(nèi)的吸收；(3) 鋁背場(BSF)的形成有效地減少了電池背面的表面復合速率；(4) 磷吸雜、鋁吸雜和體內(nèi)的氫鈍化有效地提高了多晶硅材料的質(zhì)量；(5) 二氧化硅和氮化硅對發(fā)射(emitter)結(jié)的表面進行了有效的鈍化，從而減少了電池前表面的復合速率；(6) 選擇性擴散，即金屬電極下的發(fā)射結(jié)濃度遠遠大于其余發(fā)射結(jié)的濃度，從而有效地抑制了電極區(qū)的復合速率，并提高了電池在短波處的光譜響應。1.3 主要方法和研究進展本課題的完成，采用了文獻研究法、調(diào)查研究法、比較研究法等相結(jié)合的研究方法。具體步驟：(1) 查閱資料，了解太陽能電池的種類和現(xiàn)實中主要利用哪些太陽能電池；(2) 對太陽能電池現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，包括其優(yōu)缺點、市場情況、發(fā)展面臨主要問題等內(nèi)容；(3) 在指導老師的指導下，對發(fā)展趨勢進行猜想、推理，完成論文。關(guān)于太陽能電池的研究進展，目前以商品化的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率最高,技術(shù)成熟，但受材料純度和制備工藝限制,成本高,很難再提高轉(zhuǎn)化效率或降低成本，其大規(guī)模普及及應用受到一定程度的限制，并不是理想的發(fā)展對象，但就目前而言，晶體硅太陽能電池仍占行業(yè)的主導地位，占市場份額的90%。而薄膜太陽能電池只需幾m的厚度就能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料。薄膜太陽能電池與晶體硅太陽電池相比具有以下優(yōu)點：(1) 材料消耗少：薄膜太陽能電池只需使用極薄光電轉(zhuǎn)換材料；(2) 制造能耗低：薄膜太陽能電池使用化學氣相沉積、物理化學氣相沉積等多種技術(shù)，與晶體硅太陽能電池高耗能的晶體拉制、切割工藝相比較，制造能耗大大降低；(3) 質(zhì)量輕：薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、可根據(jù)用途使用軟性基材制造，易折疊攜帶、應用空間彈性大。當前，薄膜太陽能電池的開發(fā)與應用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。本文綜述了薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀,對薄膜太陽能電池的發(fā)展趨勢進行了展望，薄膜太陽能電池開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是提高效率和降低成本。1.4 主要研究內(nèi)容(1) 綜述太陽能電池的研究背景及研究進展；(2) 簡要介紹太陽能電池原理及常見的幾種太陽能電池；(3) 闡述太陽能電池的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析各類太陽能電池的優(yōu)缺點、市場應用情況、發(fā)展面臨的主要問題及可能的解決方案等內(nèi)容；(4) 通過對太陽能電池相關(guān)資料和文獻的學習與總結(jié)，預測太陽能電池的發(fā)展趨勢。2 太陽能電池簡介2.1 太陽能電池的工作原理太陽能電池發(fā)電利用了太陽能電池的光生伏特效應，是一種直接將太陽輻射(直接輻射、散射輻射、反射、輻射等)能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電形式。所謂光生伏特效應就是當物體受光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。當太陽光線照射到太陽能電池表面由P、N兩種不同類型的半導體材料構(gòu)成的PN結(jié)時，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)生了躍遷，形成電子空穴對。在PN結(jié)內(nèi)建電廠的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，如果從材料兩側(cè)引出電極，并接上負載就會產(chǎn)生電壓和電流，對外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率，此即硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。而非晶硅太陽電池是在玻璃襯底上沉積透明導電膜，然后依次用等離子體反應沉積p型、i型、n型三層非晶硅，接著再蒸鍍金屬電極鋁光從玻璃面入射，電池電流從透明導電膜和鋁引出，其結(jié)構(gòu)可表示為玻璃/透明導電膜/pin/鋁4。2.2 太陽能電池的種類太陽能電池的種類（具體分類圖2-1）：硅太陽能電池、多元化合物太陽能電池、有機物太陽能電池、納米晶太陽能電池等。硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。非晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為8%，且非晶硅薄膜太陽能電池重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用5。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。薄膜太陽能電池又可分為非晶硅電池、微晶硅電池、化合物半導體II-IV族電池、色素敏化染料電池、有機導電高分子電池、銅銦硒化物電池等。它的模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層所構(gòu)成的。具有相同遮蔽面積下功率損失較小，照度相同下?lián)p失的功率較晶體硅太陽能電池少等優(yōu)點。單晶硅電池48.2%晶體硅電池 90%太陽能電池薄膜電池 10%多晶硅電池51%非晶硅電池46.1%其他化合物電池 53.9%圖2-1 太陽能電池分類3 太陽能電池現(xiàn)狀分析3.1 硅太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池（圖3-1）、多晶硅太陽能電池（圖3-2）和非晶硅太陽能電池（圖3-3）三種。 圖3-1 單晶硅電池 圖3-2 多晶硅電池 圖3-3 非晶硅電池3.1.1 單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為最高，技術(shù)也最為成熟。作為太陽能電池，單晶硅有很多特點：作為原料的硅材料在地殼中含量豐富，對環(huán)境基本上沒有影響；單晶硅制備以及pn結(jié)的制備都有成熟的集成電路工藝做保證；硅的密度低，材料輕。即使是50um以下厚度的薄片也有很好的強度；與多晶硅、非晶硅比較，轉(zhuǎn)換效率高6；電池工作穩(wěn)定，已實際用于人造衛(wèi)星等方面，并且可以保證20年以上的工作壽命。單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用，單晶硅太陽能電池要想進一步發(fā)展普及，必須降低成本并提高轉(zhuǎn)化效率。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。單晶硅太陽能電池的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料7。為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。表 3-1 主要太陽能電池對比技術(shù)路線實驗室最高轉(zhuǎn)換效率批量生產(chǎn)效率組件成本（美元/W）優(yōu)缺點晶體硅太陽能電池單晶硅電池24.70%17%2.29硅耗大、成本高多晶硅電池19.30%14%2.25硅耗大、成本高薄膜太陽能電池非晶硅薄膜電池12.80%6%-7%1.0-1.5硅耗小、投資大、有衰減聚光太陽能電池40.70%30%3效率高、成本高3.1.2 多晶硅太陽能電池多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少，實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些（如表3-1），材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此將逐步取代單晶硅太陽能電池的市場8。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。針對目前多晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)的特點，提高轉(zhuǎn)換效率的主要創(chuàng)新點有以下幾個方面：(1) 高產(chǎn)出的各向同性表面腐蝕以形成絨面；(2) 簡單、低成本的選擇性擴散工藝；(3) 具有創(chuàng)新的、高產(chǎn)出的擴散和PECVDSiN淀積設備；(4) 降低硅片的厚度；(5) 背電極的電池結(jié)構(gòu)和組件。3.2 薄膜太陽能電池3.2.1 非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽電池在20世紀70年代世界能源危機時獲得了迅速發(fā)展，它在降低成本方面的巨大潛力，引起了世界各國研究單位、企業(yè)和政府的普遍重視。 非晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗更低，成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，它的主要優(yōu)點是在弱光條件也能發(fā)電，有極大的潛力9-10。大力發(fā)展薄膜型太陽電池不失為當前最為明智的選擇，薄膜電池的厚度一般大約為0.5至數(shù)微米，不到晶體硅太陽電池的1/100，大大降低了原材料的消耗，因而也降低了成本。其非晶硅太陽能電池的主要特點是：(1) 重量輕，比功率高在不銹鋼襯底和聚脂薄膜襯底上制備的非晶硅薄膜太陽能電池電池，重量輕、柔軟，具有很高的比功率。在不銹鋼襯底上的比功率可達1000W/kg，在聚脂膜上的比功率最高可達2000W/kg。而晶體硅的比功率一般僅40-100W/kg。由于襯底很薄，可以卷曲、裁剪，便于攜帶，這對于降低運輸成本特別是對于空間應用十分有利。(2) 抗輻照性能好由于晶體硅太陽電池和砷化鎵太陽電池在受到宇宙射線粒子輻照時，少子壽命明顯下降。如在1Mev電子輻射通量11016e/cm2時，其輸出功率下降60%，這對于空間應用來說是個嚴重問題。而非晶硅薄膜太陽電池則表現(xiàn)出良好的抗輻射能力，因宇宙射線粒子的輻射不會(或很小)影響非晶硅太陽電池中載流子的遷移率，但卻能大大減少晶體硅太陽電池和砷化鎵太陽電池中少子的擴散長度，使電池的內(nèi)量子效率下降。在相同的粒子輻照通量下，非晶硅薄膜太陽電池的抗輻射能力遠大于單晶硅太陽電池的50倍，具有良好的穩(wěn)定性10。因此非晶硅薄膜太陽電池具有更高的抗輻照能力。(3) 耐高溫單晶硅材料的能帶寬度為1.1eV，砷化鎵的能帶寬度為1.35eV，而非晶硅材料的光學帶隙大于1.65eV，有相對較寬的帶隙，所以非晶硅材料比單晶硅和砷化鎵材料有更好的溫度特性。在同樣的工作溫度下，非晶硅太陽電池的飽和電流遠小于單晶硅太陽電池和砷化鎵太陽電池，而短路電流的溫度系數(shù)卻高于晶體硅電池的一倍，這十分有利在較高溫下保持較高的開路電壓和曲線因子。在盛夏，太陽電池表面溫度達到60-70度是常有的，良好的溫度特性十分重要。據(jù)報導在空間應用時，由于輻照和高溫的原因，初始穩(wěn)定效率為9%的非晶硅太陽電池，其性能優(yōu)于初始效率為14%的單晶硅太陽電池9,11。非晶硅太陽電池經(jīng)過30多年的發(fā)展,在技術(shù)上已取得很大進展，主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜來替代非晶硅薄膜做窗口材料，以改善電池的短波方向光譜響應；采用梯度界面層，以改善異質(zhì)界面的輸運特性；采用微晶硅薄膜做n型層，以減少電池的串聯(lián)電阻；用絨面二氧化錫代替平面氧化銦錫；采用多層背反射電極，以減少光的反射和透射損失，提高短路電流；采用激光刻蝕技術(shù)，實現(xiàn)電池的集成化加工；采用疊層的電池結(jié)構(gòu),以擴展電池的光譜響應范圍，提高光電轉(zhuǎn)換效率；采用分室連續(xù)沉積技術(shù)，以消除反應氣體的交叉污染，提高電池的性能。上述技術(shù)的采用使非晶硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2%提高到13.7%。隨著非晶硅薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高，其產(chǎn)業(yè)化進程也取得令人矚目的進展。由于非晶硅材料優(yōu)越的短波響應特性，使其在計算器、手表等熒光燈下工作的微功耗電子產(chǎn)品中占據(jù)很大優(yōu)勢，不僅在80年代的10年中取得了數(shù)十億美元的利潤，而且至今仍具有很大的消費市場。從計算器、手表等弱光應用到各種消費品甚至功率方面的應用，如收音機、太陽帽、庭院燈、微波中繼站、航空航海信號燈、氣象監(jiān)測、光伏水泵及小型獨立電源等應用領(lǐng)域不斷擴大，產(chǎn)量迅速上升。世界上出現(xiàn)了若干MW級的生產(chǎn)線和許多非晶硅薄膜太陽電池的企業(yè)，目前，整個非晶硅薄膜太陽電池的年銷售量增長很快，形成了非晶硅薄膜、多晶硅和單晶硅的三分天下的局面。盡管非晶硅薄膜太陽電池具有上述諸多優(yōu)點，然而在發(fā)展中也顯現(xiàn)出一些明顯的問題。主要是電池的光電轉(zhuǎn)換效率在強光作用下呈逐漸衰退的態(tài)勢，這一問題是阻礙非晶硅薄膜太陽電池進一步發(fā)展的主要障礙。初期產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率本來就低(僅4-5%)，再加上30%左右的衰退率，使非晶硅薄膜太陽電池的低成本的優(yōu)勢被較低的效率所抵消。這樣就造成了非晶硅薄膜太陽電池的產(chǎn)量從80年代末到90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段。對此學術(shù)界一直圍繞如何提高非晶硅薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性的問題，從材料、器件結(jié)構(gòu)等多個層面進行研究。特別針對光電轉(zhuǎn)換效率在強光作用下衰退的機理進行了不懈的探索，初步結(jié)論是本征非晶硅材料的S-W效應。為了揭示S-W效應的起因,在理論上人們提出了各種微觀模型：如Si-Si 弱鍵模型；電荷轉(zhuǎn)移模型；再雜化雙位模型；Si-H弱鍵模型以及橋鍵模型等。 由于獨特的技術(shù)優(yōu)勢，多晶硅薄膜電池具有廣闊的應用前景：(1) 在光伏建筑一體化上的應用：采用薄膜太陽能電池作為玻璃幕墻可以在成本提高不多的前提下實現(xiàn)建筑物能源的自給自足，且整體性好，美觀；(2) 大規(guī)模低成本發(fā)電站：薄膜電池因為其弱光效應好，每天工作時間可超過8個小時，遠高于晶硅電池每天約4個小時的工作時間，這補足了其發(fā)光效率相對較低的不足；(3) 太陽能照明光源：由于薄膜硅太陽能電池的弱光響應好，這個優(yōu)勢使薄膜電池組件在太陽能交通燈和公共照明系統(tǒng)上的應用更具優(yōu)勢。而LED節(jié)能燈和非晶硅薄膜電池的匹配，更是開創(chuàng)了無源照明的新紀元。薄膜太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件，太陽能的充分開發(fā)和有效利用為人類解決能源危機提供了一條途徑，也必將給人類帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，市場調(diào)查公司美國Nano Markets發(fā)布的預測顯示，薄膜太陽能電池全球市場規(guī)模2015年將達到140億美元。然而在太陽能電池開發(fā)和制備過程中，面臨的問題和挑戰(zhàn)依然很多，廣大科研工作者尚需認真思考和解決以下幾個方面的問題：(1) 降低太陽能電池的成本，使其應用更具有普遍性，而太陽能電池的薄膜化是降低成本的有效途徑；(2) 拓寬其光敏響應頻率范圍，尤其是對可見光的利用，提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率12；(3) 研究新型材，提高薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性，減小材料本身對人類和環(huán)境的危害。3.2.2 多元化合物薄膜太陽能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。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲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，在廣泛深入的應用研究基礎(chǔ)上，國際上許多國家的碲化鎘薄膜太陽電池已由實驗室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)今，美國高爾登光學公司碲化鎘薄膜電池的生產(chǎn)能力為2MW，日本的碲化鎘電池產(chǎn)量為2.0MW，此外，德國一家公司將建成一家年產(chǎn)10MW的碲化鎘薄膜太陽電池組件生產(chǎn)廠，預計其生產(chǎn)成本將會低于$1.4/W。該組件不但性能優(yōu)良，而且生產(chǎn)工藝先進，使得該光伏組件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓寬了應用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進一步降低。但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品13。砷化鎵III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，砷化鎵化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是砷化鎵材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化鎵電池的普及。銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題13，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。3.3 新型太陽能電池3.3.1 納米晶太陽能電池納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10。壽命能達到5年以上。納米太陽能電池的研究也已成為光電化學領(lǐng)域研究的熱點，在這一領(lǐng)域經(jīng)過大量的研究，取得喜人的成就，但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。此外，納米晶太陽能電池仍存在一些問題，如染料敏化劑的制備成本較高，還有一個重要問題就是目前仍舊沿用液態(tài)電解質(zhì)，由于電解液泄漏，電極腐蝕，電池壽命短等缺陷，使得以固態(tài)空穴傳輸材料代替液態(tài)電解質(zhì)制備全固態(tài)納米太陽能電池成為一個必然方向。目前，雖然已有大量的研究制備出全固態(tài)電池，并取得了一定的成績，但由于大部分光電轉(zhuǎn)換率不很理想仍需進一步深入研究。3.3.2 疊層太陽能電池疊層電池使得電池的性能可以得到疊加。太陽能電池的薄層化使其可以做得更薄，因此器件的疊層也變得更為現(xiàn)實可行。疊層電池可以是同種器件的疊層，也可以是異類器件的疊層。每一個疊層單元，由于感光部分的光響應性能不同，可分別吸收利用不同波段的太陽光。經(jīng)過疊層，太陽光可以在全波段上都受到較好的吸收；同時由于器件之間的耦合效應，整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達到更高水平。例如，單個IIIV族化合物薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率在10%一20%之間，經(jīng)過疊層，能量轉(zhuǎn)換效率亦可達到30%以上。在新概念電池方面，8.18%的染料敏化太陽能電池經(jīng)過與13.9%的CIGS電池疊層，整體效率可達到15.09%。疊層太陽能電池的設計難題在于要尋找兩種品格匹配良好的半導體晶體，其禁帶寬度將引起高效率的能量轉(zhuǎn)換。此外在理想的情況下，電池導帶的最上層應該有與底層價帶大約相同的能量，這使得頂端半導體的電子被太陽光激發(fā)后能夠很容易的從導帶進入底部半導體晶格的孔。電子在價帶上又被不同波長的太陽光激發(fā)。這樣一來，兩部分的電池一起工作，像兩個串連的蓄電池，并且總功率與兩個電池的功率總和相等。否則，當電子流過時就會因為由此產(chǎn)生的電阻造成功率損耗。另外就是實際應用中疊層電池的穩(wěn)定性問題。3.3.3 柔性電池柔性太陽能電池板采用高晶硅材料制成，并用高強度、透光性能強的太陽能專用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓制而成，有能抗冰雪、抗震、防壓等多種優(yōu)點，即使在溫度劇變的惡劣條件下也能正常使用，。所以柔性電池能用在平板類太陽能電池難以勝任的許多領(lǐng)域，例如太陽能汽車、飛機、飛艇、建筑、紡織品、帳篷、服裝、頭盔，玩具等特殊曲面上。從制備工藝上看，由于該種電池有望采用成卷生產(chǎn)技術(shù)，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)，降低成本的潛力很大。另外，柔性電池可以進行卷曲折疊，從而方便攜帶。柔性電池通常采用柔韌的聚合物半導體作為感光組元組裝器件，或者在其他新概念電池中采用導電的柔性有機基板電極。目前幾乎各種類型的光伏器件都在不同程度上實現(xiàn)了柔性化，如聚合物有機半導體太陽能電池、無機半導體太陽能電池、非晶硅、染料敏化太陽能電池等。4 太陽能電池發(fā)展面臨的問題及發(fā)展趨勢4.1 我國太陽能電池發(fā)展的主要問題及解決辦法由于國外市場特別是德國市場需求的刺激。我國太陽能電池廠家發(fā)展迅速，估計今年全國數(shù)十家企業(yè)新上的或擴產(chǎn)的太陽能電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能目標將超過600MW，而實際產(chǎn)量也將達到300MW以上。但在“形勢一片大好”的背后存在著不少潛在的問題。(1) 硅原材料太陽能電池用硅原材料缺乏已成為國際性的一大問題，對我國的影響尤為嚴重，國際上長期供貨合同的均價以上漲了25%，而在我國，由于畸形發(fā)展，上漲的幅度遠不止25%，一般向國外生產(chǎn)廠家直接訂貨合同價格為40-60美元/kg；同通過中間商的硅材料價格2005年一路飆升，一年之間已從25美元/kg上升到超過200美元/kg，最近已達220美元/kg。以目前國際市場太陽能電池銷售價4.0-4.2美元/W計算14，如此昂貴的硅材料價格已使太陽能電池生產(chǎn)廠無利潤可言，更為嚴重的是現(xiàn)在已有一些新上電池生產(chǎn)線、即使高價也買不到貨，處于半停產(chǎn)狀態(tài)，盡管洛陽中硅、四川峨眉等公司計劃擴產(chǎn)，特別是洛陽中硅已決定新建年產(chǎn)1000噸多晶硅的生產(chǎn)線項目，但上這樣的大項目風險不小，不僅投資很大，而且從年產(chǎn)300噸試驗生產(chǎn)線擴展到年產(chǎn)1000噸生產(chǎn)線，技術(shù)上將會遇到不少問題。由于太陽能電池用多晶硅材料用量猛增，已帶動了整個電子信息產(chǎn)業(yè)的硅材料上漲，影響到其他硅電子元器件的材料成本。有資料表明，目前我國對多晶硅的需求量為3800噸，其中光伏產(chǎn)業(yè)需求2691噸，而我國多晶硅的產(chǎn)量只有60噸，即使全部供應光伏產(chǎn)業(yè)，也僅占市場需求的2.6%。我國硅原材料非常豐富，是石英砂礦（制備晶體硅的原材料）的出產(chǎn)大國，在海南島等地擁有大量的礦產(chǎn)資源，在世界硅產(chǎn)量中我國就占了1/3，這是我國大力發(fā)展太陽能電池的有利資源條件。但是我國的提純技術(shù)較為落后，提純成本很高，價格貴。我認為，我們一定要重視多晶硅規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的自主研發(fā)，努力增大科技投入的，不能依賴于從國外買進技術(shù)，必須要靠科研人員和企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新，扭轉(zhuǎn)現(xiàn)在的被動局面，為將來的發(fā)展作好技術(shù)儲備。(2) 市場目前我國的太陽能電池產(chǎn)品主要是外銷，太陽能電池和組件有95%以上銷往國外，國內(nèi)市場份額很小，太陽能電池成了典型的兩端在外的行業(yè)：技術(shù)、原材料在外，銷售和市場在外，而加工制造在內(nèi)，這導致高額利潤由國外廠商賺，國內(nèi)花費大量勞力、能源、資源、僅取得低額利潤。值得注意的是，現(xiàn)在我國能源緊缺，消耗緊缺的能源制取可再生的能源產(chǎn)品，源源不斷地輸送到國外獲得微薄收益，不符合國家的根本利益。最近幾年國內(nèi)太陽能電池市場一直處于停滯不前的狀態(tài)，在國外，發(fā)展太陽能光電產(chǎn)業(yè)主要是依靠大量安裝屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)，早在兩年前已占全世界太陽能電池總用量的60%以上，現(xiàn)在估計已超過70%，而我國只有深圳、上海和北京有些圖4-1 中國太陽能電池產(chǎn)量及增長率零星的并網(wǎng)屋頂系統(tǒng)，如果沒有大中型城市和東南沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)大量推廣屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)，即使實施西部地區(qū)村通電工程也難以使我國的太陽能電池市場獲得持久快速發(fā)展。如果國內(nèi)市場沒有發(fā)展起來，一旦國外市場受阻，而眾多的太陽能電池生產(chǎn)廠商將面臨十分困難的局面。因此，太陽能電池要想獲得長足的發(fā)展，必須要打開國內(nèi)市場，這還依賴于政府的扶持。(3) 技術(shù)進步近年來我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，但技術(shù)進步并不顯著，主流的晶體硅太陽能電池的技術(shù)進步幾乎全依賴于先進的進口設備，很少有屬自主創(chuàng)新的核心技術(shù)；除少數(shù)企業(yè)外，產(chǎn)品總體質(zhì)量不如日、歐、美等發(fā)達國家。在目前的科技體制下，科研院所要想開展具有原創(chuàng)性的太陽能電池研究有很多困難，因此，包括生產(chǎn)設備制造在內(nèi)的總體技術(shù)水平始終與發(fā)達國家有一定的差距。我認為要解決技術(shù)進步的問題，關(guān)鍵是需要有一大批拔尖的技術(shù)人才，而我國現(xiàn)有的情況是：大學比較注重一些新型太陽能電池的研究，缺乏對常規(guī)太陽能電池生產(chǎn)工藝的研發(fā)，而一些有關(guān)科技院所已改制或面臨改制，無力投入大量資金建立太陽能電池生產(chǎn)線進行工藝技術(shù)的研究與開發(fā)。由于光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，能適應生產(chǎn)第一線的技術(shù)人員奇缺，一些企業(yè)往往通過獵頭公司相互挖人，這也對行業(yè)的發(fā)展帶來了不利影響。要想促進太陽能電池的長足發(fā)展，這些問題必須解決。(4) 國家和各級政府的扶植政策太陽能發(fā)電雖然有諸多優(yōu)點，畢竟太陽能電池制造成本較高，發(fā)電成本遠高于不計環(huán)保成本的燃煤火力發(fā)電成本；經(jīng)核算高于每點成本少則六倍，多則十倍。在現(xiàn)今市場經(jīng)濟為主體的社會條件下，政府必須有相應的扶植政策。日本、美國、歐盟都有發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的扶持政策，就連印度這樣的第三世界國家也有自己的扶持政策。最典型的是德國，由于政策落實，加上公眾認同，近兩年發(fā)展極快，2005年安裝量達837MW，占世界總安裝量的57%，我國去年2月28日全國人大通過了可再生能源法，今年四月國家發(fā)改委又出臺了可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法13，具體落實施行還會遇到諸多困難，需要電力部門和各級地方政府給予大力支持。(5) 其他公眾的認識和支持也是推廣太陽能發(fā)電技術(shù)的一個重要問題，目前我國對這的科普宣傳做得很不夠，示范工程也很少，與集中供電的火力發(fā)電相比，對獨立光伏系統(tǒng)需要增加蓄電池等貯能設備，對并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還要增加并網(wǎng)逆變器等輔助設備，使用較復雜，因此沒有公眾的支持也是難以發(fā)展的。另外，國外大多數(shù)住宅多為單層或雙層建筑，而目前我國大中城市則多為高層或多層建筑，這度實施太陽能建筑一體化，安裝太陽能光伏屋頂系統(tǒng)向用戶供電，也將帶來了一定的困難。4.2 太陽能電池發(fā)展趨勢當今，世界各國普遍重視和發(fā)展太陽電池，這是一項重要的發(fā)展戰(zhàn)略。隨著新型太陽能電池的涌現(xiàn)，以及傳統(tǒng)硅電池的不斷革新，新概念的太陽能電池已經(jīng)顯現(xiàn)，從某種意義上講，預示著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢。基于上述太陽能電池的發(fā)展背景和現(xiàn)狀分析，目前太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向可以歸納為薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及納米晶電池。 目前，在太陽能電池中，晶體硅太陽電池占據(jù)了90%的世界太陽能光伏市場，而且在未來5到10年內(nèi)仍將主導太陽能光伏市場。要想推動了世界光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是降低太陽電池組件成本是主要方法，現(xiàn)有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽能電池成本最高的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來降低襯底的成本就顯得尤為重要，這也是今后太陽能電池發(fā)展急需解決的問題。世界各國科技人員積極研究高效率硅電池、多帶隙電池、聚光電池和薄膜電池，為進一步降低成本而努力。目前，高效率、長壽命、低成本成為太陽能電池發(fā)展的總趨勢。 此外，多晶硅薄膜電池在將來可能更具吸引力，目前商業(yè)化電池效率已經(jīng)達到17-18%。在薄膜電池的研究中，研究的重點是簡化生產(chǎn)技術(shù)，改善材料的化學性質(zhì)，以及改進電池設計。薄膜電池已采用多結(jié)制備技術(shù)以提高效率，United Solar System公司已經(jīng)發(fā)展了三結(jié)非晶硅電池，效率達到12%，這種電池與一種柔性襯底結(jié)合，顯著降低了制造費用。5 結(jié)論與展望本文總結(jié)介紹了幾種常見的太陽能電池，闡述了太陽能電池的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析各類太陽能電池的優(yōu)缺點、市場應用情況、發(fā)展面臨的主要問題及可能的解決方案等內(nèi)容，并通過對太陽能電池相關(guān)資料和文獻的學習與總結(jié)，預測了太陽能電池的發(fā)展趨勢。我認為太陽能電池要想實現(xiàn)更廣泛的普及，要做到以下幾個方面：(1) 要減少材料損耗；(2) 要減少制造過程中的能耗；(3) 要提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電特性的長期穩(wěn)定性；(4) 要減少生產(chǎn)線設備投資，降低太陽能電池產(chǎn)業(yè)的進入門檻；(5) 要擴大生產(chǎn)規(guī)模和采用更大面積的基片。從以上所述的太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，不難發(fā)現(xiàn)努力提高光電轉(zhuǎn)換效率和大幅降低太陽電池的成本是各類太陽電池的共同課題。太陽能電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展有賴于進一步提高轉(zhuǎn)換效率并減少生產(chǎn)成本，這是擺在我們面前的進一步目標和任務。本文闡述了一下太陽能電池的發(fā)電原理以及太陽能電池的種類及其研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了太陽能電池的發(fā)展趨勢。展望二十一世紀，世界太陽能電池市場必將繼續(xù)迅猛發(fā)展。參考文獻1 毛愛華太陽能電池的研究和發(fā)展現(xiàn)狀.包頭鋼鐵學院報J2010，3，第21卷第01期13-162 郭浩，丁麗，劉向陽太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J許昌學院報第25卷.第2期21-232009，33 周翹宇，于洪利太陽能電池的種類及研究現(xiàn)狀J中國科技成果2010，第10期4 沈文忠面向下一代光伏產(chǎn)業(yè)的硅太陽能電池研究新進展MChinese Journal of Nature 32.3-65 林紅，李鑫，李建保太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向M稀有金屬材料與工程6 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