太阳能电池发展现状综述综述

电子技术查新训练文献综述报告题目太阳能电池发展现状综述学号3110433019班级微电111学生周雷指导教师2012年2太阳能电池发展现状综述摘要：随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。由于不可再生能源的减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展；太阳电池的发展也日新月异。本文主要叙述了现阶段多晶硅太阳电池、单晶硅太阳电池、薄膜太阳电池、GaAs太阳电池及燃料敏化学电池的现状研究及发展趋势，以及对未来太阳电池发展方向的预测，认为今后太阳电池发展趋势为层叠太阳电池。关键词：多晶太阳电池；单晶硅太阳电池；薄膜太阳电池；GaAs太阳电池；层叠太阳电池。SolarcellanditscurrentsituationofresearchandoutlookAbstract：Withthedevelopmentofmodernindustry,theglobalenergycrisisandatmosphericpollutionproblemincreasingly,solarenergyastheidealrenewableenergybymanynationalattention.Duetoenergyreductionandenvironmentalpollution,makedoublepressuresofphotovoltaicindustryrapiddevelopment;Solarcelldevelopmentalsochanging.Thispapermainlydescribesthepresentpolycrystallinesiliconsolarbattery,monocrystallinesiliconsolarbattery,thinfilmsolarcellsandGaAssolarcellandfuelsensitivesituationofchemicalbatteryresearchanddevelopmenttrends,aswellastothefuturedirectionofthesolarforecastthatfuturedevelopmenttrendsofthesolarsuncascadebattery.KeyWords：Polycrystallinesolarcells;monocrystallinesiliconsolarcells;thinfilmsolarcells;GaAssolarcells;cascadesolarcell1引言光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差．这是在1839年法国科学家贝尔克雷发现的，这种现象后来被称为“光生伏打效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池．从此太阳能转换为电能的实用光伏发电技术诞生。如今太阳能电池的种类不断增加。应用范围日益广阔．市场规模逐步扩大，太阳能电池的研究在欧洲。美洲，亚洲大规模展开。近几年。全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40％．美国和日本相继出台了太阳能研究开发计划。此外，美国还推出了“太阳能路灯计划”。旨在让美国一部分城市的路灯都改由太阳能3供电，预计每盏路灯每年可节电800kWh。太阳能光伏发电是能源利用不可逆的潮流。随着光伏技术及应用材料的飞速发展．光电材料成本不断下降。光电转换效率逐渐升高，太阳能光伏发电将会越来越显现出优越性。光伏界专家认为。到2010年太阳能光伏发电成本将降低到可与常规能源竞争的程度。制作太阳电池的材料要满足如下要求：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材料本身对环境不造成污染；④便于工业化生产且性能稳定。符合以上条件的太阳能光伏材料被不断地开发和应用。2.太阳能电池发展2.1晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率.如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的。本节主要介绍单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池。2.1.1单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池制备和加工工艺：一般以高纯度单晶硅棒为原料，有些也用半导体碎片或半导体单晶硅的头尾料，经过复拉制成太阳电池专用单晶硅棒。在电弧中用炭还原石英砂制成纯度约为99%冶金及半导体硅，然后将它在流化床反应器中进行化学反应，达到电子及半导体硅要求。将硅棒切成厚度约300um硅片做为太阳电池原料片，通过在硅片上掺和扩散，硅片上形成了pn结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成删线，经过烧结，同时制成背电极，并在有删线的面上涂减反射膜，这样，单晶硅电池片就制成了。经检验后的单体片按需要规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联方法构成一定输出开路电压和短路电流[1]。42.1.2多晶硅太阳电池目前，太阳能电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是：选择电阻率为100～300Q·cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，再用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后再保温约20min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12％左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到快速的发展。2.2薄膜太阳电池目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。本节主要介绍了非晶硅薄膜电池与多晶硅薄膜电池。2.2.1非晶硅薄膜电池非晶硅有较高的光吸收系数。特别是在0.3～0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅高出一个数量级，对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。与单晶硅与多晶硅材料相比，非晶态硅的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，非晶态与晶体的硅具有非常相似的结构特征。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备中晶体与衬底间的晶格失配问题。因而非晶硅薄膜几乎可以淀积在任何衬底上，包括玻璃衬底，易于实现大面积化。2.2.2多晶硅薄膜电池多晶硅材料是许多单晶颗粒（颗粒直径为数微米至数毫米）的集合体，各单晶粒的大小、晶体取向彼此各不相同。尽管多晶硅存在晶粒间界，不利于太阳能电池转换效率的提高。但因制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，研究人员正致力于5减少晶粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。多晶Si薄膜电池是兼具单晶Si和多晶Si电池的高转换效率和长寿命以及非晶Si薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池。在不太遥远的将来，多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本降低至1美元左右，从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争。因此，近些年来，多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。2.3GaAs太阳电池2.3.1GaAs基单结太阳电池由于太阳光谱的能量分布较宽，而半导体材料的带隙Eg都是确定的，因此只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，太阳光中能量小的光子则透过电池被背面电极金属吸收转化成热能，而高能光子超出禁带宽度的多余能量，通过光生载流子的能量热释作用传递给电池材料本身使其发热。这些能量最终都没有变成有效电能，因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，理论最高转换效率也只有25％左右。单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光，实验室实现的转换效率最高25．8％，高于晶体硅的23％[2]。2.3.2GaAs基多结太阳电池采用不同禁带宽度的III—V族材料制备的多结叠层GaAs太阳能电池，通过禁带宽度由大到小组合，使得这些III—V族材料可以分别吸收和转换太阳光谱中不同波长的光，能大幅提高太阳能电池的转换效率，更多地将太阳能转变成电能。叠层太阳能电池可以外延生长技术制备，在具有一定结晶取向的衬底上延伸并按一定晶体学方向生长薄膜，每层薄膜都称为外延层。在衬底上逐层生长各级子电池，最终得到多结叠层结构电池。目前主要采用的有金属气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延生长技术[3]。2.4染料敏化电池1991年,瑞士洛桑高等工业学院的MichaelGr¾tzel教授领导的研究小组将纳晶多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池(DSCs)中,使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高,逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。相比于硅基太阳电池,6DSC电池以其低廉的成本、简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了全世界的广泛关注,并迅速掀起了研究热潮。染料敏化电池主要包括三个部分：附了染料的多孔光阳极、电解质和对电极。染料吸收光子后发生电子跃迁,光生电子快速注入到半导体的导带并经过集流体进入外电路而流向对电极。失去电子的染料分子成为正离子,被还原态的电解质还原再生。还原态的电解质本身被氧化,扩散到对电极,与外电路流入的电子复合,这样就完成了一个循环。在DSC电池中,光能被直接转换成了电能,而电池内部并没有发生净的化学变化。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%[4]，远高于标准太阳能电池的理论上限33%，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。MartinGreen认为，第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究[5]。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。染料敏化叠层太阳能电池由两个光电池组成，前面的电池吸收太阳光中的高能紫外和蓝光，利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子-空穴对。波长在绿光到红光之间的光被Grtzel敏化二氧化钛电池吸收[11]，这两个电池连接起来提供电压。染料敏化太阳能电池的能量转换效率主要与敏化剂吸收太阳光谱的能力有关，为了提高光谱效应，在电池的两个不同层上用不同的敏化剂染料[12]。马廷丽、苗青青[8]制作了一种叠层式染料敏化太阳能电池。其特征在于，顶部的太阳能电池与底部的太阳能电池的光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范围且有互补性质的染料[13]；两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有一层导电膜和半导体薄膜及染料，对向电极为带有导电性的基板，在两个电极之间介入电解质。这一新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、价格低、制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。解决现有太阳能电池效率低、成本高，制备工艺复杂的问题。用该发明的技术手法制造的染料敏化太阳能电池可用做太阳能发电和太阳能制氢系统[15]。3.太阳能电研究太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术7发展已经成熟，但单晶硅纯度要求在99.999％，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。3.1层叠太阳能电池太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来[6]，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去