太阳能电池发展现状及高效率实例

1、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， III-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。

2、目前产业化的电池还有，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

3、晶硅薄膜太阳电池， 研发的种 类有：a-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%，非晶硅和非晶锗硅合金电 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

4、 薄膜电池。发展方向有：无 Cd 缓冲层，其他 I-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

5、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， 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纟纳米晶粒薄膜 NDSSC, ZnO纳米线NDSSC。3、量子结构太阳电池，Si纳米线太阳电池，碳 纟米管太阳电池， p-i-n 结构量子点太阳

6、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

7、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

8、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） 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

9、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）9 / 9三 高转换效率光电池的设计实例GaAs叠层太阳电池一、GaAs举导体材料的特点GaAs是典型的U【V族化合物半导体林料.具有直接能带馆.带镇覽度为l.42eV (300K),正好为 高吸收專木阳光的慎因此是很理想的太阳能电池材料填主耍特点：L出3攻系数融曲血太习能电池的有源区承度多选?(Sum左右.就町以

10、吸攻9%的太习光谱中最 强的部分.2带隙贾度与太阳光谱匹乙ghae的m度正好位于最隹太阳电池材料所需要的能隙范围.具有 更高的理论转换效車.3耐髙注GaA&太田能电迪歆率理温度升裔翠氐比软缓艮可以工作在更高的温度范艇4抗辎照性能强.GaAs是直接带隙材料，少数載流子寿命较短，在离箱几个扩散度外产生10伤，对 光电W电逬均无形响.因此，G乩屯太阳能电泣具有校妤的抗辐煦性能5多结叠层太田电池的材料.由f II1-V族三、川元化合物【GalnP、九(祖nP“ GMnAg等)半导体材 料生长枝术日益成熟.便电池的设计更为灵活.从而大幅度提高太阳电池的效車井降低成本.二叠层太阳能电池的提岀和制备

11、方汪由于太阳光光诰中的能量分布较児现有的任何一种半导体材料都只能吸收算中能童比其能隙值高 的光子.太阳光屮能旦:软小的光子将透过电池.被背电樣金咼吸收,捋变成热能;高能光子超出能頤宽 '鸵:多余能则通过光生载汛子叫能量热澤作用传给电池材料本身的AM子，使材料本身发熱这 些能量都不能通过光生载流子传给金熟变成有效的电能.因此单结丸;邈电池的理怆竦换效率一股较 低*太IB光光燈可以被分成连険的若干部乩用能带宽度与这些部分有最好世配的材料壊成也也并按 能陳从大到小时版序从外向里叠合起熟让波长最短的光被最外边的覽隊材料电池利用，波长较长的光 鮒透射进去让较馆隊材料电池利用，这就有健最大限度地将

12、光能变成电籀这样囱电池结构就是 叠层电沐可以大大提高其性能和稳定性口叠恳太衍能电池的制备可以通过两种方式得到.一种是札岐埋密上先制备岀两个独立的太阳能电 池.一人是髙带土虬一爪则是低带追的然后把髙带宝时血叠在低带爼的电迪上而；另一用是一依化的 方法.先制务一个完整的太阳能电池.再在第一层电池上生长或直接沉枳在第一层电也上而U三GaAs fig太阳能电池单SGaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光.其转换效率不高不同蔡带宜度ft5in-VK材料制备的多 结血加电池.按禁带宽度大小叠合，分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同予妊可大幅度提髙太阳电 池的光电转换效率口理论计算表明（AMO光谱和!个太阳常数）

13、:双结GaA§太田能电池的极限效率为外H 结血加太站能电池的极隔效率为站”四结GaA号太田能电池的极啜姣率为41虬L双结GaA§太阳能电池双结G&As太阳能电也是由两种不同蔡带宽度的材料制成的子电池.通过隧穿结串接起来収结电池 主要吸收太田光谱的短波段和长波段1）A1： rGa：s心畝疝计双结太阳能电池在研制单结GaA£太阳能电池的过程中.深入研STAl-GaAs/GaA啲异质结亂因此研制双结太阳能 电池时.首先关注AlflJ7Gaoi3As/GaAs晶格卫配和光谱卫配系统.两者的Eg分别1.93eVjL1.42eV.止处 于叠层太阳施电池所需的最佳匹配范

14、19嗣年.CHUNG等用MOCVD技术生长了AlrGg闵As/GaAw 双结叠层太田能电池*其AMO效車达到23%=研究中发现生长高质fiAlojjAsf非常困难.这是因为 AI容易氧化对气源和系统申的残留氟非常敏区导致少子寿命明显缩短.无注显著提高太阳能电池的 电流密度桂此外.AL.rGAs电池的抗辐照性能与GaAg电池斥陆,不能有效地増加双结太田能电池 的空间应用寿氛因此.90年代中朗底对A1虫恥M/GaA畧双结太阳館电也的研究未取得新的进展.2）甌山；屮GaAsiGH双结太旧能电池Ga只山出赴另一个空帯琪与（ki屯晶格丛兀社系线与Ald3<la对MGaA出:系花比.血曲出6臥呷:界

15、 面复合速率很低（的为l,5cm/S）>且Ga； d鮭P电池具有与油电池相似的抗辐照性隐故G&血屮血A戒 结太阳能电池具有更高的性傩和更长的应用寿命2三结GaA汰阳能电池在Ga 5ln艇臥心）双结电池的基础上1993年国外开始研制效率更高的三结GaO.51nO.5P/GaAs/Ge 叠层太阳能电池996氓乗国光谱实验室研制的该类电池的A脚最高效事达到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咖000年摄高效車达到29%，2002年大批量生产平 均效幸达6.5%e目前.區公上从事多结电池批严的最知名的两家公司是羌国的禿谱实监室利王mww

16、其年批产能力分别为500 kW和200風3屈结GaAs太田能电池OLSON等发现，因Ge的带瞅0.67 eV關低，使GaAs（k43eVK Ge（h67胡不能构 成理想的三结电;也但Ge可歆根成四结电池的底电池.故四結电池的关键遇寻找晶冷叫配的第三结叠层 成理想时三结电池,但Ge可以构成四结电池的底电池故醮电池的總是寻找歸第三结叠层 电也材料贰直接tSR0J5"L05eV（AM0O）. it算表GaulnojP/GaAGalnNAs Ge四箱电池的效 率可达4% 90年代来，OLSON等发現GaJrkNyM尸03硝GaAsWlE略当尸3%时.RElOeV. 研制縊三结电池显示其躺电般

17、度Jsc=74mAW,班低于醮叠层太離电池所需的理舲 （l6,5mA/cm虽然醪电池的理论效車可达4%但理想的第三结材料比今尚未找釦从GaA注諛光太阳能电泡采用觥器是目前空间光伏界的觀Z-.密间聚光阵列具有更高的抗翩性撤更低的费用和更 高的效亀并可减少电池批产的賣金投入.多结G认太旧能电池械哥效氛高电压低电流）和高鑑 特性好等优扎而被广泛用于聚光系统.目前高效?2to5ln0t5P/GaAs/Ge聚光电池的撮髙吹第 已达到34%（AW.5,210太阳常数）批产效紀达蜩（AMI5血TOO太阳常数）聚光太阳館 电池大部分肝地而絵 空间应膈进展酿 主要颁是对日跟踪机构非常跻 空刪热棉 困抵目前少部分

18、用于空砒聚光加潍电也轨倍数均较低成本相应较氐GaAs就电池发屎的 輕是;提髙觥紳换效執"0%）和批庐能加年按产XBOOMWh族林成凤摄高卿娜幼: 改善聚光器性能研制空间实用的高效絵质驀光太阳电池帆板）提高太阳能的利用事*减小太阳电池阵的 改善献热系统性能，显著提高聚光系统效率口未兴10年.芙国NASA捋在航天E行器的空闾主电 源中大量使用聚光砌化稼太阳电池匕五、GaAs 2太阳能电池最新进展25JC1AM0条件下太引电池效訓二电池类型面孤cm2）效 $(%)电池结构多结叠层电池GalnP/GaAs4:血瞎片叠层双结太阳电池GalnP/GaAGe425.5嚴片叠层双结太阳电池GalnP/GaAGe427.0单片叠层三结太田电植多第叠层畫光电池Galnp/Ga-sC.2526.4雎片叠层双结太阳电池GaAiGaSb0.0530.5机械堆叠太田电池我仪多詰G认迪池主輕为空凭应用戶研制纵主新喷個在I：海空间电源所和天詡瀟所蛙上海空何电源所的三结