晶体硅太阳能电池.docx

硅太阳能电池简介张振材科1202班摘要：本文主要介绍太阳能电池的技术发展现状和太阳能电池的应用,阐述了单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅薄膜太阳电池以及纳米晶TiO2太阳能电池技术的发展前景。关键词：单晶硅、多晶硅、非晶硅、太阳能电池1引言太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优点:不消耗燃料,不受地域限制,规模可灵活组合,无污染、无噪音,安全可靠,维护简单,建设周期短,最具有大规模应用的可能性。世界各国政府为大力发展太阳能产业,采取了各种政策和措施,如欧盟制订了“百万屋顶太阳能计划”,德国制订了“十万屋顶太阳能计划”,日本推出了“新阳光计划”,美国加州推出了“百万太阳能屋顶法案”。我国在2009年3月,财政部、住房和城乡建设部联合发布了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见与太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法,对符合条件的太阳能光电建筑应用示范项目给予相应的补贴。20022008年世界各国太阳能装机容量逐年递增,如图11所示。2009年,欧洲太阳能光伏安装4.75GW,占全球需求量的74%,其中德国、意大利和捷克的装机总量达4.07GW;美国装机总量增加了36%,达到385MW;日本提高了109%。2009年世界各国太阳能电池安装量占有率如图2所示。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型2大类型。硅是最理想的太阳能电池材料，作为太阳能电池材料符合作为太阳能电池材料的一般要求：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、材料便于工业化生产且材料性能稳定。2硅太阳能电池的发展历程早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1876年，在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出SeCuO光电池。1883年，Fri ts描述了第一个用硒制造的光生伏特电池。有关硅光电池的报道出现于1941年。1941年，Ohl提出了硅pn结光伏器件，在此基础上，美国贝尔实验室Chapin等人于1954年制出了第一个实用的硅扩散p-n结太阳电池，并很快将光电转换效率提高到10%，现代硅太阳电池时代从此开始日。硅太阳能电池于1958年首先在人造卫星上得以应用，从此开始了研究、利用太阳能发电的新阶段。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛的研究，这个时期出现了很多新型的电池，而且引入了许多新技术，具体有如下一些：1背表面电场(BSF)电池在电池的背面接触区引入同型重掺杂区，因为改进了接触区附近的收集性能而使得电池的短路电流增加；背场的作用是可以降低饱和电流，从而达到改善开路电压，提高电池效率的效果。2 紫光电他这种电池最先(1972)是为通信卫星开发的。因其浅结(O.1-02m)、密栅(30cm)、减反射(Ta205-短波透过好)的特点而获得高效率。浅结在一段时间里曾被认为是高效的关键技术之一而被广泛采用。3表面织构化电池也称绒面电池，最早(1974)也是为通讯卫星开发的，它能够通过减小电池表面的反射并能够提高光生载流子的收集。其AMO时电池效率15，AMI时18。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。4异质结太阳电池n1n1即采用不同的半导体材料在一起所形成的太阳电池，种类有SnOSi，In203Si，In203+Sn02Si电池等。由于SnO、In203、In203+SnO等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。因效率不高等问题，目前研究者已不多，但Sn02、In203、In203+Sn02是许多薄膜电他的重要构成部分，可以用作收集电流和窗口材料用。5MIS电池阻是肖特基(MS)电池的改型，即在金属和半导体之间加入153.Onm厚的绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成暗电流由少子隧穿决定，与pn结类似。80年代初期硅太阳电池进入快速发展的第三个时期，这个时期的主要特征是把表面钝化技术、后处理提高载流子寿命、降低接触复合效率、改进陷光效应等引入到太阳能电池的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅提高，商业化成本进一步降低，应用也得到不断扩大。23硅太阳能电池分类晶体硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,是目前国际上的主流产品,占世界太阳能电池市场的80%。单晶硅太阳能电池在实验室的转换效率为25%,而工业生产的光电转换效率仅达15%,且单晶硅要求的晶体纯度达99.999999%以上,生产成本高,难以推广应用。多晶硅太阳能电池由于其生产成本和原料价格低廉,工业生产的光电转换效率达13%16%,因此其产业化发展较快,但还需解决低成本、低能耗和高效率的关键技术。薄膜电池采用廉价衬底,以低温制造技术沉积半导体薄膜光伏器件,镀膜厚度可薄至2m,远低于晶体硅镀膜厚度80300m;同时,其生产成本有较大降低,使能源回收期大大缩短。因此,各国相继开发了各种薄膜太阳能电池。 3.1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转换效率已达15%左右,其制造工艺已相当成熟。由于单晶硅主要采用西门子法生产,从多晶硅中提炼出单晶,然后通过拉硅单晶棒、切割得到单晶硅圆片,再经过刻蚀,最后生产成太阳能电池组件。可见,其生产过程耗能较高,生产成本也相当高,因此推广应用有一定难度,但目前仍占太阳能电池市场份额的主要地位。单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂 - 冶金级硅 - 提纯和精炼 -沉积多晶硅锭 -单晶硅- 硅片切割。晶体硅太阳电池是近几十年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：（1）提纯过程（2）拉棒过程（3）切片过程（4）制电池过程（5）封装过程。33.2多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池主要采用改良型西门子法的制造工艺。由于其省却了单晶硅的纯度要求,使制造成本大大降低,电池的转换效率达到16%左右。目前,世界各国正不断研究提高光电转换效率和降低生产成本的方法。2009年4月,无锡尚德采用最新的冥王星技术进一步将多晶硅电池转换率提高到了17.2%。德国、日本和美国成功研制的发射极钝化及背面局部扩散太阳能电池,其转换效率已达20%左右;高效低阻硅太阳能电池,其转换效率达21%左右。美国麻省理工学院成功研制电池样品,光电转换效率提高了27%。多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大规模商业化生产，多线切割工艺可为电池生产提供不同规格的硅片，以适应不同用途，并使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。非晶硅电池的生产成本低廉，非常适合低价市场的要求。但由于该类产品的性能极不稳定，电池衰减快等因素的影响，其应用市场受到了制约。43.3硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池是1976年由Calson和Wronski所发明,该种电池生产制造技术相当成熟,不仅可大量节省成本和能耗,而且产品面积有较大增加。目前日本Sharp,Kyocera和Sanyo公司、德国Q-cells,SchottSolar及Ersol公司均已实现产业化。但是,该种电池转化效率相对较低,目前仅为12%14%,且光电效率随使用时间的增长而衰退,为此美国UnitedSolar公司、日本Kameka,uHI等公司正继续研究,重点研究的是多结构、微晶硅uc-si、叠层型uc-si的太阳能电池等。硅薄膜太阳能电池所使用的硅原料量，约为结晶类太阳能电池的1/100 左右，利用化学气相沉积法（ChemicalVapor Deposition，简称CVD）或溅镀法（sputtering），形成仅有数厚度的硅薄膜，具有轻薄、省材料的优点。然而，由于非晶硅薄膜有照光稳定度问题（即电池长期在强光照射下，转换效率会降低的光劣化现象），一直难以扩大普及率。但随著二层（Tandem）或多层接合太阳能电池（Multijunction）技术的发展，硅薄膜电池透过不同能隙材料的堆叠，增加光吸收能力，可达到转换效率提升的目的。其次是微晶硅太阳能电池。90 年代初期被大量研究的微晶硅，则是属于非晶硅的改良材料，主要是在非晶体结构中具有微小的晶体粒子，其结构介于非晶硅和晶体硅之间。因此微晶硅除了可薄膜化、光谱吸收范围广外，更具有不易出现光劣化效应的优点，因此常被用来与非晶硅薄膜堆叠，以提高转换效率。第三是低温多晶硅太阳能电池。低温多晶硅技术主要特点在于改变玻璃基板分子构造，以提升传统非晶硅技术性能。利用准分子雷射作为热源，雷射光经过投射系统后，会产生能量均匀分布的雷射光束，投射于非晶硅结构的玻璃基板上。当非晶硅结构玻璃基板吸收准分子雷射的能量后，会转变成为多晶硅结构，具有较高的光吸收能力。因整个处理过程都是在600以下完成，所以一般玻璃基板都可以采用4。4太阳能电池的应用目前,太阳能电池已广泛应用于工业、农业商业、通信、军事、航天等领域,还包括家用电器以及公用设施。太阳能电池的应用主要可分为3种类型:并网型、离网型和消费类电子产品。4.1 并网应用进人21世纪以来,全球太阳能光伏并网发电年度并网容量增长了44.1 倍,从2000 年的287MW递增至2008年的12.95GW,年均增长率达60.99%,同比2007年增长了72.67%。全球太阳能光伏并网发电并网累积总量增长了10.5倍,从2000年的1.435GW增长至2008年的16.4GW,年均增长率为35.6%,同比2007 年增长了60.78%;预计2010年的全球累积并网量将接近30GW5。世界各国都在楼宇和家居屋顶上应用了太阳能电池,所发的电大部分可并网。目前世界各国并网的发电量也越来越多。日本三洋电机公司采用5 046 块太阳电池组件,构成发电功率630kW的“阳光方舟”,每年能发电530MW.h,可减少CO2 排放348t6;上海电气临港重装备制造基地在行政综合楼上,安装了250kW 的太阳能发电系统,每年能发电250MW.h,可减少CO2排放140t7。4.2 离网应用与并网发电相比,离网发电具有使用灵活等特点,始终占据着重要的市场份额。如用于通联络中继站的供电、边远山区小功率的生活用电等场合8。在不少偏远地区如远离城市的农场、山区、葡萄园采用离网方式发电,如水泵的供电系统,功率可高达441.3kW9。4.3 消费性电子产品Solartec公司推出一种可弯曲的太阳能电池混合动力汽车,输出功率为30 W,该种汽车已实现小批生产9。近日,以太阳能为动力的“星球阳光”号双体船在德国北部城市基尔面世,如图4所示10。这艘被制造商称为世界上最大的太阳能动力船定于2011年开始环球航行,船体上方装有面积为500m2的太阳能电池板,预计航程4万km 左右,力争接近赤道航行,以尽量获得更多日照。5硅太阳能电池前景 随着太阳能电子产业的不断发展，多晶硅太阳能电池技术已大大超过了单晶硅太阳能电池的市场份额，这一趋势在今年内将有增无减。由于电池工艺的不断改进，如体内吸杂、表面和体内钝化、绒面的形成和选择性扩散等，多晶硅的电池转换效率已接近甚至超过了单晶硅的电池的转换效率，从而降低了电池的生产成本。薄膜太阳能电池具有大幅度降低太阳能电池制造成本的潜力。6 提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。国外曾采