太阳能电池发展现状及高效率的实例

1、太阳能电池发展现状及高效率 的实例太阳能电池发展现状及其转换效率的提高及实例因为能源危机，环境问题，清洁的太阳能电池是不错的选择。一太阳能电池发展概况目前研发出来的或者正在开发的太阳能电池有：晶体硅太阳电 池，山-V 族太阳电池，硅基薄膜太阳电池，CIGS太阳电池，染料敏化电池，纳米太阳电池。晶体硅太阳电池的种类：HIT太阳电池，PERL太阳电池，OCEO 太阳电池，Pluto太阳电池。HIT太阳电池，结构简单，效率高，具 有产能优势；Pluto太阳电池去除或简化了 PERL太阳电池电池的一 些材料和工艺，已实现产业化，Pluto多晶硅太阳电池，材料多晶硅 成本低，转换效率也已经实用。目前产业

2、化的电池还有，丝网印刷电 池，掩埋栅电池，高效背面点接触电极电池。III-V族太阳电池的种类：GaAs系太阳电池，InP系太阳电池， 薄膜III-V族太阳电池，量子阱/点太阳电池，多结太阳电池，热光伏 电池，分谱太阳电池，III-V族半导体中间带太阳电池。制备方法： 液相外延技术，金属有机化学气相沉积技术，分子束外延技术。近几 年，叠层电池效率的迅速提高以及聚光太阳电池技术的发展和设备的 不断改进，使聚光III-V族太阳电池系统的成本大大降低。2009年德 国已经研制出高达41.4的GaInP/GaInAs/Ge叠层太阳电池。硅基薄膜太阳电池包括非晶硅、 微晶硅薄膜太阳电池，研发的种 类有：a

3、-SiC/a-Si异质结太阳电池，uc-Si薄膜太阳电池，非晶硅/ 微晶硅串联太阳电池。制备方法较多，值得关注的新方法有热膨胀等 离子体沉积法，常压等离子气相沉积法。产业化生产技术：以玻璃衬 底的硅基薄膜太阳电池制备技术，非晶硅薄膜的柔性衬底、卷到卷太 阳电池制备技术。硅基薄膜太阳电池所需原材料少，可大面积沉积， 成本低，可沉积到柔性衬底上，柔性衬底的电池可以装在非平整的建 筑物表面上，但转化效率低，仅 7.5%-8.5%，非晶硅和非晶错硅合 金电池的光诱导衰退，是需要解决的问题。CIGS太阳电池研发的有：柔性金属 CIGS电池、聚合物衬底 CIGS薄膜电池。发展方向有：无 Cd缓冲层，其他I

4、-III-VI族化合 物半导体材料，叠层电池，聚光电池片，空间应用，4端子串联的高效化。CIGS系太阳电池以高转换率为特征，市场产品的效率为10%， 研发阶段为12%-14%，如果市场产品的转换效率能提高到13%，就 能也现在的铸造的Si模版性能相匹配，进而快速实用化。染料敏化电池有很多优点，比如原材料易得成本低，但转换效率 有待提高。目前的研究方向有：新型氧化物半导体薄膜光电极， 电解 质溶液的固体化和拟固体化，新型高性能增感色素的开发，塑料太阳 电池。纳米太阳电池的种类很多。1、硅基薄膜太阳电池：pc-Si薄膜太 阳电池，nc-Si薄膜太阳电池，多结叠层太阳电池（隧道串接发，机 械堆叠法，

5、有aSi： H基叠层太阳电池、III-V 族化合物叠层太阳电 池、中间带太阳电池）。2纳米结构染料敏化电池（NDSSC）, TiO2纳 米晶粒薄膜NDSSC, TiO2准一维纳米结构NDSSC, TiO2纳米复合物膜层NDSSC, TiO2核-壳纳米结构NDSSC, TiO2量子点敏化纳 米结构NDSSC，串联组合电池结构 NDSSC, ZnO纳米晶粒薄膜 NDSSC，ZnO纳米线NDSSC。3、量子结构太阳电池，Si纳米线太 阳电池，碳纳米管太阳电池，p-i-n结构量子点太阳电池，量子点敏 化太阳电池，基于多激子产生效应的量子点太阳电池。4、聚合物太阳电池，分单层和多层聚合物太阳电池。聚合物

6、有机太阳电池光伏材 料：聚合物电极材料，电子和空穴传输层材料，活性层材料，衬底材 料，封装材料。聚合物太阳电池制备技术：真空蒸镀技术，旋涂甩胶 技术，喷墨打印技术。二转换效率1、能量损失的原因造成能量损失的有不可回收损失部分和可回收部分。 不可回收部 分:由于材料的光电光谱响应和太阳光谱的不匹配产生的，即白白透过太阳能电池所用材料而不能产生载流子部分和在表面反射或漫射 的能量损失。是能量损失的最大原因。可以回收的部分：由光谱响应 本应为有效光，却因为表面反射而损失的反射损失；由光吸收生成的 载流子中，太阳能电池的表面或者背面电极由于与环境复合造成的表 面复合损失；光生载流子在半导体的体内复合形

7、成的体内复合损失， 太阳能电池供给给负荷的电力在电流流动时从电极到半导体容体内 的电阻焦耳热的串联电阻损失；光生载流子由于半导体中的内建电场 产生漂移，所形成的极化电场虽然变成了输出电力， 但此时如果超过 pn结的不纯物浓度决定的扩散电位 Vd ,也得不到起始电力，即存在 具有最低禁带宽度的损失，此损失叫做电压因子损失。2、提高转化效率的方法提高转换效率要采用如下技术和方法：尽可能多地减少能量转换 过程中的各项损失，尽可能多将太阳辐射的能量进行收集以及尽可能 地扩大半导体中可收集到的光的频率范围。高效率化的原理与具体的技术。（1）入射到材料的光能的有效封闭 无反射（AR）覆盖（减少表面反射损失

8、） 结构行表面凹凸不平处理（利用漫射增大有效浸透深度） 内部界面电极的漫射处理（BSR法）（2）光生载流子的有效收集和光电效果的增大 异质结产生的少数载流子反射镜效应 漂移型光起电效应p-i-n结合 分层窗分层不纯物覆盖（BSF法） 超晶格的利用（a-Si/poly-Si等）（3）光生载流子的复合损失的减少 光生成活性层的膜质的改善 pn、pi、in结合以及异质结界面的复合引起的减少（4）直接电阻损失的减少（串联电阻） 透明电极的低电阻对策 点击开关的最优化 隧道效应电极及其最佳配置设计（5）电压因子损失的减少（并联电阻） 异质结时减少少数载流子的界面复合 漂移型光起电效应的利用 其他BSF处

9、理等（6）更宽光谱的光能的收集 4端子分层型太阳能电池 2端子分层型太阳能电池 异质表面复合 宽梳状窗的作用（异质结合、超晶格的利用）三 高转换效率光电池的设计实例GaAs叠层太阳电池一、GbAs ¥导体材料的砖点命山是典型的III川糕化合物半导体材料.具有宜接能帶陽带阻更度为1.42eV(300K)*正好为 高酬率太褫的罠用此是很理魁的太號甜材料旗主酬乩1龙吸收朝£髙，飢話太田磴电池的有源区厚度參选取3血左右I蛊可以吸收95%的氏阳光谱*嵋 强的部尔2聋隙究度与太田光谱ISd- G曲5的带隙咒度正网于最隹太田电池材料肝需要的能隙范亂具有 更高的理论转换3耐高温性能如GaA

10、ii太阳能电池效車随温度升高降低比软鏡慢.可叹工作在更高的温厦范围«抗辐照性能强.GaA$是直接带隙材料.少監載陋子寿命软紅在离结几个扩散虞外产生损仮对 光电M电流均无影响.阂此，伽加太帀能电油具有较好的抗辐曲性館.5多结叠层玄阳电池朋料口由f Hl-Vffii匹元化台物(Galt叭AIGalnP. GalnAs等)半导体材 料生长技术日益成辄便电池的设计更为灵淙从而大幅度提高太阳电池的效帚井降低成本.-,阳能电池的幄岀和制备方法由于太阳光光曙中的淞分布较乳王有的任何-种半导体材料都只齡收其中紐比其能斡髙 的光壬衣较小的光子将透过电也被背电樣金属吸乩转变成熱觥高能光子超出能bw 度的

11、多来能量则通过光生载流予的哦量热牌作用传蜡电池材科本身的点阵原子.便材料本身发和这 些能童都不能週过光生載惊子传给貝甕变成有效的电能"因此单绪太阳能电池的理论转猱效率一假较太阳光光谱可以被分成连耀的若干部分，坤能带曳度与这些部分有接好匹配的材料做成电池.并按 能蹴从大到小的顾序从外向里疊合起来，让波长撮短的光被最外讥的零隙材料电池利尅波长较长的光 能粵透射进去让较窄能陳材料电池利用，这離有可能虽大區度地将光能变成电能.这祥的电池结构就是 亶层电池*可以丈大摄岳苴性能和境定性叠展太阳能电池的制备可以麵过两种方式得到口 一种是机械堆叠注先制备出两卡独立的太阳能电 池，一个是高带宽的厂个则

12、是低带鮒 然启把高带宦的堆叠左低带宽的电池上码另一种是一体化的方该.先制备出一个完整的太田能电池.再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上而。三、GaAs5层太阳能电池单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光，其转换效率不高不同禁带宽度的IlI-VftH料制备的多 结.丸电池.按禁带呪度大小叠合.分别选扭性吸收和转换太申光谱的不同子裁可大幅度提髙太曲电 池旳光电鶉换效理论计算表明(.20光谱和I个衣习営数)刃结GaAs太耳能电池的极限效率为30%,三 结GaAs太习倦电池的极限效率为?8%,四绪GaA$太阳能电池的极限效率为41%=1双结GaAs太阳能电池G&A汰阳能电池是由两种不

13、同禁带宽度的材料制成的子电池，通过隧穿结串接起来.双结电池 主要吸收太阳光谱的短波段和长波段I )AbM&心肚心As(Ge)双结太阳能电池在研制单结GaA汰闿能电池的过程叽葆入研究了AlOMGaA的异质结构.闵此硏制双结太田能 电池时.首先关注A1估Gao金GiA$聶格4配和兄谱匹配系统两者的Eg分别为1.93eVni42eV.正处 于叠是太阳能电池所咎的最佳匹配范園19孔年CHUNG等用IOCVD技术生长了Ad(a偏AvGaAg 双结叠层太田愷电也 其A40效眾达纠23%。研究中发现生长髙质lAlorGajAsl非沟术焦这是尚为 A1容易氧化，对气源和系统中的残留氧非常敏感.导致少子

14、寿侖明显缩短.无法显著提高太阳能电酒的 电瀝密度二此Al0.rGa-；63As电池的抗堀朋性能与GaA£电池用仿，不能有效地増加双结太阳能电池 的空间应用寿急因比90年代中期启，对AbM町曲/GaA披第太田能电注的研究未取得新的进展。2)G 殛讯GaAs(Ge)双结太阳能电池Gaos-lno.sP是另一个宽带隙与GaAs晶格匹配的輔仁与汕描0血A"GaAs体系相比,Ga血sP/G&As的界 面复合速率很低(约为I 5cm/s), £Ga：,5Ia屮电也具有与InP电池栢似的抗辐照性能，故Gamine出GaAg>« 结太阳能电池具有更髙的性能

15、和更也的应用寿帯.2三结GaAs太阳傩电池ftGaQ5lno<P/GaAs(Ge)%结电池的基础上"993年国外开始研制效睾更高的三结Ga0.5In0.5P/GaAg/Ge 叠层太阳能电池.1996年.茉国光谱实验宣研制的该类电池的AM®高效車达到25.7%,小批量生产平均 效率达到23.8%： 1997年大批量生产平均效率达到24.5%,2000年摄髙效率达到29%, 2002年产平 均效率达到26.5%a目前国际上从事多结屯池批产的最知名的两家公司是美国的光谱实验室和Emcore, 其年批产能力分别为500 kWfflOOkW.3四结GaAs太阳能电池OLSON等

16、发现.因Gc的带隙©67 eV)偏低,使Ganl.8$c')、GaAs(1.43eV). Ge(0.67eV)不能构 成理恕的三结电池.但可以构成四结电池附底电池=故匹结电辻的关铤是寻找昆恪匹址附第三结叠展成理想的三第电也但Ge可以构成四结电池的底电池，故醋电池的麴是寻姑絶配觴三騒层 电池材料,其直接带隙为0.95L05eV（AM0光诰）计僚表明.G出sP心A曲沁As/G辺结电也的效 琢可达41%= 90年代OLSON等发现Gan、As（AB5K）与GaA璨椎匹配，当尸3%时，莊驴LOW, 研制的第三结电池显示其短路电l®Jsc=74m.A/cm2,远低于四结叠层太

17、阳能电池所需的理鬼值 （16.5mA/cm2）8虽删飙池的理论效率可达4%但理想的第三结材繼今尚未找到。四、GaAs臨聚光太阳能电池采用累光器是目前空耐伏界的歸之二空藤光阵列具有更高的抗辎射性能、更低的肌和更 高的瞬，并可减少电池批产的资金投入.多结GaAs太離电池因其高效轧高电压（低电曲和高温 特性好等优点，而被广泛用于聚光M.目前高效率三结GaO.51nO.5P/GaAvGe聚光电池的最高效系 已达到34%（AML5,210太阳常数）,批产效率已达到28%（AM1 5,100-300太阳常数）»聚光太阳能 电池大部分肝地面系统，空何应用的进藤慢.主鮒槻是和購机构非常复杂，空何散热

18、非常 困难目前少部分肝空间的就太阳隧电池，聚光倍数均较低成本相应t搞。GUs麒电池发展的 直点是:提髙光电转换效睪（40%）和批产能力（年批产大于300MW）,大幅降低成本;提高抗編肘能力;II改善聚光器性做研制空间实川的高效轻质密光太:日电池帳板）.提高太田能的利用奉减小太田电池阵的 质量：改善故热系统炷能，显着提高烫光系统效涿未来20年.fflNASA垢在航天E行器的空何主电 源中大鱼便用変光种化橡太阳电池。五、GaAsfif太阳能电池最新进展25aC,AM0条件下太阳电池效舉4电池类型而枳5，）效車（）电池结构多结叠层电池GalnP/GaAs426.9单片叠层双结太田电池GQnP/GaAUGc425.5单片叠层双结衣田电池GalnP/GaAHGt427.0单片叠层三结太阳电池多结整层娶