新能源材料的发展与展望

新能源材料的发展与展望电子0110051028张营营摘要：随着科技的发展以及对能源的极大需求，新型绿色环保的太阳能电池显示出了可观的发展前景。根据制作材料的种类和状态的不同将太阳能电池分为以下几种：单晶硅材料太阳能电池、多晶硅材料太阳能电池、非晶硅材料太阳能电池、薄膜型材料太阳能电池、有机材料太阳能电池。本文主要对以上太阳能电池材料以及相应太阳能电池原理进行了简单的阐述，对不同材料的太阳能电池的优缺点进行了比较和分析，从而为以后改进与发展提供依据，并对太阳能电池光电转换效率及相关材料的发展进行了展望。关键词：太阳能电池、单晶硅材料、多晶硅材料、非晶硅材料、有机材料、薄膜型材料、光电转化效率正文：近年来，随着全球能源需求量的不断增加及传统的一次性不可再生能源的逐渐枯竭，人们把眼光投向了氢能、核能、风能、太阳能等可再生能源。而太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，是未来最有希望的能源之一。目前人类利用太阳能的方式主要是通过光电转换来实现的，太阳能发电具有安全可靠、无污染、制约少、故障率低、且维护简便等诸多优点，从而为人类大规模利用太阳能开辟了广阔的前景。根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种：单晶硅材料太阳能电池、多晶硅材料太阳能电池、非晶硅材料太阳能电池、薄膜型材料太阳能电池、有机材料太阳能电池，下面分别予以简单介绍。1、单晶硅材料太阳能电池单晶硅材料太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池。硅的禁带宽度为1.leV，是间接迁移型半导体。当阳光从电池表面入射到内部时，入射光分别被各区的价带电子吸收并激发到导带，产生电子一空穴对。势垒的作用将电子扫人N区，而将孔穴扫入P区。各区产生的光载流子在内建电场的作用下，反方向越过势垒，形成光生电流，实现光一电转换过程。单晶硅材料太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到12—16%。与其他种类的太阳能电池相比，单晶硅电池的转换效率为最高。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量地以较便宜的价格得到。最新的动向是向超薄、高效发展，不久可有100μm左右甚至更薄的单晶硅太阳能电池问世。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率达到20％。单晶硅材料太阳能电池的实验室实现的转换效率已经达到24．7％。2、多晶硅材料太阳能电池单晶硅材料电池以其转换效率高、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛应用。但单晶硅对原料的纯度要求高，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广和应用。而多晶硅材料太阳能电池以其转换效率较高(19．8％)、性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳能电池使用的材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，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能电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，电耗低，总的生产成本较低。3、非晶硅材料太阳能电池非晶硅是硅和氢(约10％)的一种合金，它对阳光的吸收系数高，其光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。1μm厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足单晶硅的1／100。活性层对硅材料的需求量大大减少，可明显节省昂贵的半导体材料。目前非晶硅电池仍处在发展之中。与晶体硅太阳能电池不同，非晶硅薄膜太阳能电池在制备过程中可实现单体电池的内连接，即非晶硅电池可直接制成所需的电参数的组件形式。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好非晶硅的制备多用硅烷作为原料，主要可通过化学气相沉积工艺。目前生产非晶硅太阳能电池多采用等离子增强化学气相沉积，可用单室沉积，也可多室沉积。掺杂气主要有硼烷和磷烷。4、薄膜型材料太阳能电池薄膜型太阳能电池材料主要有铜铟镓硒、碲化镉等。铜锢稼硒薄膜太阳能电池开发时间还不长，是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。该薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积Cu，In和Ga层，再在Se气氛中硒化。碲化镉(CdTe)已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料，而且在各种制备条件下都可以得到较好的电池结果，包括非常粗糙的工艺，如电镀。与传统型太阳能电池（结晶型）相比，年发电量更多，硅的使用量与制造耗能较少，采用无铅焊料等环保部件，能够以与非晶硅型太阳能电池相同的尺寸实现1.3倍的发电输出。5、有机材料太阳能电池有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。与无机硅太阳能电池相比，其具有结构可设计性、材料重量轻、制作成本低、加工性能好、便于制造大面积太阳能电池和能吸收可见光等优点，尽管这类电池的光电转化效率目前还比较低，但由于上述优良的性能，已被国际上誉为第四代太阳能电池。有机太阳能电池存在着室外条件下长时间的稳定性、温度变化对太阳能电池性能的影响、液体电解质溶液的封装和泄露等关键问题。要实现有机太阳能电池的适用化，必须解决在有机太阳能电池中遇到的这些关键问题，或者研究和发展有机固体太阳能电池。太阳能电池的现状和发展方向1954年，美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4％，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。后来，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4kW的屋顶家用光伏系统可以满足一个普通家庭的用电需要，每年因此少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，太阳能电池能源的年均增长率为35％，是能源技术领域发展最快的行业。提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。