电池

1太阳能电池的发展历史2太阳能电池市场状况及趋势3太阳能电池定义和分类4太阳能电池的结构及工作原理5太阳能电池的生产工艺6太阳能电池的应用第六节太阳能电池1.太阳能电池的发展历史1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍关注太阳能电池，近10几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。最近10年中，世界光伏产业扩大了20倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光－伏”(Photovoltaics)才出现在英语中。1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为8％。1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。1975非晶硅及带硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量超200MW，2010年达20GW。2014年我国太阳能电产量达到47GW。产量约占全球总产量的62%，位居全球首位。世界太阳能电池发展的主要节点我国太阳能电池的发展1958年我国开始研制太阳能电池1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳能电池1971年在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验卫星实践一号上首次应用太阳能电池1973年在天津港的海面航标灯上首次应用14.7W太阳能电池1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池1980年~1990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备、成套生产线和技术20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业2005~2006年，我国的太阳能电池组件产量100MW/年以上，我国成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链2010年中国太阳能电池总产能接近10GW从2007年开始成为世界生产最多的国家，但是，我们现在对太阳能普遍的转化效率是16%，17%，国外最高的已经超过了20%2014年我国太阳能电产量达到47GW。产量约占全球总产量的62%并网发电系统及工作原理太阳能并网发电系统主要由太阳电池阵和并网逆变器两部分组成。1.太阳电池阵：将太阳光能转换成电能，在阳光充足时通过并网逆变器将直流电转换为交流电输入电网。2.并网逆变器：并网逆变器是将直流电转换为交流电的设备，输入端接太阳电池阵，输出端接交流电网。并网逆变器除具有普通逆变器的功能外，还应具有以下功能：1)纯正弦波同步并网送电：通过DC/AC电压型逆变器实现电流瞬时控制，将电流控制成50Hz正弦波，自动与电网同步后送入电网。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。2)太阳能电池最大功率追踪技术：以晶体硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同，而输出与I-V特性相应存在一个最大功率输出点，因此，对太阳电池最大输出功率点的追踪MPPT(MaximumPowerPointTrace)成为提高整个系统效率的关键点之一。3)反孤岛运行技术：并网发电运行时，电网因意外情况出现停电时，并网运行设备应该能够及时检测出电网停电情况，并与电网解列，停止向电网送电，以保护人身和设备安全。4)独立供电及自动同步并网运行技术：系统在电网停电时，可实现自动与电网解列，独立向重要负载提供优质交流电能。在配备蓄电池后，本系统还可在夜间不间断地提供电能。在电网恢复供电时，通过与电网电压同步，可在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式。2.太阳能电池市场状况及趋势2.1太阳能电池的市场状况1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。CdTe电池从20世纪80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。CIS电池的产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。2.2太阳能电池的未来发展趋势1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一；铜铟硒薄膜太阳电池（CIS电池）的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素；Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速研究开发方向：晶硅电池①提高电池/组件效率高效钝化技术：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区(前)，背表面场(BSF)，细栅或者单面技术，高效封装技术－最佳封装材料的折射率等.②简化、改进工艺－自动化、环保、低成本；如硅片薄化及其工艺.③材料的国产化和提高性能硅基薄膜电池①低温过程(PECVD)300℃，非晶、微晶、微非迭层－效率、稳定性，柔性衬底.②低温过程900℃,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底.化合物电池CIGS电池：提高效率，大面积重复性，S代SeCdTe电池：提高效率，大面积重复性Gratzel电池:高效染料，固体或准固态电解质，提高效率，大面积重复性有机电池:高效电子受体和给体以及材料，提高效率新型概念电池量子点、量子阱电池，中间带光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段。3.太阳能电池定义和分类太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。太阳能电池分类按结构分类同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基太阳电池采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。PN结（1）同质结太阳能电池：由同一种半导体材料一个或多个pn结的太阳电池，如p-n结太阳电池，p-n结砷化镓太阳电池等。（2）异质结太阳能电池：由两种不同半导体材料在相接界面上构成划质结太阳电池，如氧化锡一硅、硫化镉一硫化亚铜、砷化镓一硅异质结太阳电池等。若构成异质结的两种材料的晶格匹配比较好，则称为异质面太阳电池，如砷化镓一砷化铝镓异质面太阳电池等。（3）肖特基结太阳能电池：由金属和半导体接触形成肖特基势垒的电池，简称MS电池。已发展成金属－氧化物－半导体（MOS）、金属一绝缘体一半导体（MIS）太阳电池等。（4）复合结太阳能电池：由两个或多个结形成的太阳电池。如由一个（MIS）太阳电池和一个p-n结硅电池叠合而形成高效MISNP复合结硅太阳电池，其效率已达22%。复合结太阳电池往往做成级联型，把宽禁带材料放在顶区，吸收阳光中的高能光子，用窄禁带材料吸收低能光子，使整个电池的光谱响应拓宽。砷化铝镓—砷化镓—硅太阳电池的效率高达31%。按材料分类硅太阳电池敏化纳米晶太阳电池有机化合物太阳电池塑料太阳电池无机化合物半导体太阳电池无机化合物半导体电池系指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的电池，如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体主要包括：①晶态无机化合物(如Ⅲ—V族化合物半导体砷化镓、磷化镓、磷化铟、锑化铟等，Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体硫化镉、硫化锌等)及其固溶体(如镓铝砷、镓砷磷等)；②非晶态无机化合物，如玻璃半导体；③有机化合物，如有机半导体；④氧化物半导体，如MnO、Cr2O3、FeO、Fe2O3、Cu2O等。硅太阳能电池系指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅电池、多晶硅电池等。多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅电池、铸锭多晶硅电池、筒状多晶硅太阳能电池、球状多晶硅电池等多种。有机半导体太阳能电池系指用含有一定数量的碳－碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池。有机半导体可分为3类：①分子晶体，如萘、有机蒽、嵌二萘、酞花菁铜等；②电荷转移络合物，如芳烃—卤素络合物、芳烃—金属卤化物等；③高聚物。有机半导体材料的特殊性能来自其共轭结构，由于共轭结构上的π-π*跃迁所需能量较小，光子的能量即可将其激发—而光致电子跃迁，正是光电转化过程的基础。与硅、锗等无机半导体材料类似，有机半导体材料可以分为P型和N型两种，这两种类型的材料分别对空穴和电子进行选择性传输。虽然同样称为“半导体材料”，但有机半导体与无机半导体中的电荷传输机制有很大不同。无机半导体中，原子之间以共价键结合，形成刚性的稳定晶格以及连续的导带和价带；导带中的电子（N型）或者价格中的空穴（P型）在电场作用下定向传输就形成了电流。而有机半导体中，共轭分子之间只以范德华力相结合，相互作用弱，材料的体相中不能形成像无机半导体那样的导带、价带结构。以P型高分子半导体材料为例，在高分子链上的一些位置，共轭结构上因缺少电子而形成带正电的极化子（Polaron）或者双极化子（Bipolaron）。这些正电荷可以在高分子链上移动，也可以通过“跳跃（Hopping）”传输到其他高分子链上。对于小分子有机半导体来说，因为分子体积小，分子内电荷的移动对材料整体电荷传输来说并不重要，分子间的电荷跳跃就决定了材料的传输能力。如前所述，当有机半导体材料吸收光子，其π轨道上的电子就会跃迁到π*反键轨道上。仍然与无机半导体不同的是，被激发后的电子仍旧与所在分子紧密结合，并不能像无机半导体内的激发电子一样自由运动。此时被激发的分子中含有