低成本高性能可见光响应型太阳能电池项目合作可行性研究分析报告

1、低成本高性能可见光响应型太阳能电池项目合作可行性报告目录第一章太阳能电池的现状及发展趋势11.1太阳能电池的发展历程11.2太阳能电池的分类21.2.1硅系太阳能电池21.2.2化合物半导体太阳能电池41.2.3染料敏化纳米晶化学太阳能电池41.3太阳能电池发展的瓶颈51.4太阳能电池的发展趋势6 TOC o 1-5 h z 第二章国内太阳能电池的研究现状8第三章低成本高性能可见光响应型太阳能电池103.1可见光响应型太阳能电池研究的重大意义103.2可见光响应型太阳能电池的结构103.3可见光响应型太阳能电池的制备技术113.4关键技术的创新11第四章可见光响应型太阳能电池的研发计划124.

2、1现有研究进展124.2研究工作基础和条件124.3课题组介绍154.4下一步研究计划15第五章可见光响应型太阳能电池的市场前景185.1太阳能电池发展的市场环境18 5.1.1丰富的太阳能资源185.1.2严峻的能源与环保形势205.1.3可再生能源法实施带来巨大机遇 225.2太阳能电池的市场现状225.2.1不愁销路的产品225.2.2需求强劲的国外市场235.2.3起步阶段的国内市场255.2.4高额的利润回报255.2.5太阳能电池上市公司受到热烈追捧 265.3太阳能电池的市场预测27 TOC o 1-5 h z 5.4可见光响应型太阳能电池的市场前景285.4.1太阳能电池的消费

3、结构285.4.2晶硅太阳能电池发展的隐忧305.4.3可见光响应型太阳能电池的竞争优势315.4.4可见光响应型太阳能电池的市场份额及盈利预测31第六章国内外太阳能电池生产现状326.1世界太阳能电池的产能及其分布326.2国内主要生产企业及其规模34第七章可见光响应型太阳能电池的产业化策略38附：图表目录 图1从石英砂到晶硅太阳能电池的工艺流程 3图2晶硅系太阳能电池产业结构5图3可见光响应型太阳能电池的结构 10图4我国太阳能资源分布图18图5全球太阳能电池实际产量（需求量）预测 23图6全球1992年2004年累计安装的太阳能发电系统 24图7 SolarWorld股价走势图26图8

4、Tokuyama股价走势图27图9各种能源形式发电成本30表1我国各种太阳能电池实验室研究的最高效率8表2中国能源消费结构20表3全球太阳能行业发展预测28表4我国近年与将来的光伏发电市场消费结构 29表5多晶硅原料成本构成30表6世界十大太阳能电池厂商20032005年排名与产量32表7太阳能电池产量地区分布33表8 1999-2004年各类太阳能电池产量百分比33表9我国太阳能电池的主要生产企业及其产能 37第一章太阳能电池的现状及发展趋势1.1太阳能电池的发展历程自从公元1800年意大利人伏特发明第一个电池后，人类的生活就注定要与“电”结下密不可分的关系。1879年美国人爱迪生发明电灯，

5、不仅点亮了黑暗 的夜晚，更照亮了人类光明璀璨的历史文明。电的产生方式有很多种，包括：石 油、瓦斯、煤、铀、等。但是这些能源的储量有限，在人类高度的开发利用 下，终有消耗殆尽的一天。因此，世界各国无不积极地研发新的替代能源，太阳 能电池就是一种最佳的选择。太阳能电池又称光电池，光生伏打电池。是一种将光能直接转换成电能的半 导体器件。工作原理是基于半导体P-N结的光生伏打效应。当电池表面受到光照 时，在电池内部产生的光生电子一空穴对扩散到P-N结并受结电场影响而分开，电子移向N区，空穴移向P区，这样在P区和N区之间产生了光生电动势，当外 电路连接起来时就有电流通过。目前太阳能电池已经在电力、 通讯

6、、电子产品及 交通运输等方面，占有举足轻重的地位，尤其在太空及部分偏远地区，更是扮演 无可取代的角色。第一个太阳能电池是在1954年由美国贝尔实验室（Bell Lab.）所制造出来 的，当时是希望能替偏远地区的通讯系统提供电源。不过由于效率太低（只有 6%）,而且造价太高（357美元/瓦），因而缺乏商业上的价值。就在此时，开创人类历史的另一项计划一一太空计划也正如火如荼地进行 着，而因为太阳能电池具有不可取代的重要性， 使得太阳能电池得以找到另一片 发展的天空。从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，太阳能电池就肩负着太 空飞行任务中一项重要的任务，一直到 1969年美国人登陆月球，太阳能电池

7、的 发展可以说达到顛峰。可是因为太阳能电池高昂的造价，使得太阳能电池的应用范围受到限制。1970年代初，由于中东战争，石油禁运，工业国家的石油供应中断造成能源危机，迫使人们不得不再度重视太阳能电池应用于电力系统的可行性。在20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。1990年以后，人们开始将太阳能电池发电与民生用电结合，于是“与市电并联型太阳能电池发电系统”(grid-co nn ected photovoltaic system)开始推 广。此即把太阳能电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连结，如此就可以从这两种方式取得电力， 除了可以减少尖峰用电的负荷外，剩余的电 力还可

8、储存或是回售给电力公司。到目前，太阳能电池已经发展到第三代。第一代太阳能电池主要是基于硅晶片，采用单晶硅和多晶硅及 GaAs材料制作。其技术已发展成熟，但高昂的材料 成本在全部生产成本中占据主导地位。要真正达到大规模利用太阳能电池的目 标，降低材料的成本就成为降低光伏电池成本的主要手段。以至于使得人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜电池。第二代太阳能电池是基于薄膜技术的一种太阳能电池。构成薄膜太阳能电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、 非晶硅、碲化镉以及铜铟硒，其中以多晶硅薄膜太阳能电池性能最优。第三代太 阳能电池是21世纪以来的主要发展方向，主要本着以提高光电转换效率和降低 生产成本

9、为根本目标进行研发。目前投入应用的主要有叠层太阳能电池、纳米太阳能电池、玻璃窗式太阳能电池等结构。1.2太阳能电池的分类按应用可将太阳能电池分为空间用太阳能电池与地面用太阳能电池。 地面用 太阳能电池又可分为电源用太阳能电池与消费电子产品用太阳能电池。 对每种太 阳能电池的技术经济要求不同。空间用太阳能电池要求耐辐射、 转换率高、单位 电能所需的重量小；地面电源用太阳能电池要求发电成本低、 转换效率高；消费 电子用太阳能电池则要求薄而小、可靠性高等。根据所用材料的不同，太阳能电池主要可分为硅系太阳能电池、化合物半导 体太阳能电池和染料敏化纳米晶化学太阳能电池。 下面主要按这种分类来介绍太 阳能

10、电池。1.2.1硅系太阳能电池121.1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是开发最早、发展最快的一类太阳能电池，目前单晶硅太 阳能电池的光电转换效率为15流右，最大已达到24.7%，为澳大利亚新南威尔 士大学创造并保持。代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰 Shell Solar,西班牙 Isofoton,印度 Microsol 等厂家。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工 艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面 织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻 槽埋栅电极单晶硅电池。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结

11、构处理和分区掺 杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。 该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一 13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增 加栅极的宽度和高度的比率；通过以上制得的电池转换效率超过23%最大值可达23.3 %。Kyocera公司制备的大面积（225cm2单晶硅太阳能电池转换效率为 19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开 发，研制的平面高效单晶硅电池（2cmx 2cm）转换效率达到19.79%,刻槽埋栅 电极晶体硅电池（5cmX 5cm）转换效率达8

12、.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的， 在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响， 致使单晶 硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。 为了节省高质量材 料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜 太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。121.2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料（空间太阳能电池用硅材料纯度9N,地面太阳能电池用硅材料纯度 68N，其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备 方法简单、耗能少，可连

13、续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低， 目前商业化电池的效率仅为14流右。实验室最高效率达到 20.3%,为德国研究 机构获得。具有代表性的商品有 Q-Cell, Motech, Sun tech 等公司生产的产品。人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅 膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们 一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学 气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD和等离子增强化学气相沉积（PECVD 工艺。此外，液相外延法（LPPE和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相

14、沉积主要是以SiH2CI2、SiHCI3、SiCl4或SiH4为反应气体，在一 定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、Si02、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在 晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVDS衬底上沉积一层较薄的非晶 硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外 采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术， 这样制得的太阳能电池转换效率 明显提

15、高。德国费莱堡太阳能研究所采用区熔再结晶技术在 FZSi衬底上制得的 多晶硅电池转换效率为19%,日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。液相外延（LPE法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.2 %。我国光电发展技术中 心的陈哲良教授采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。从石英砂制备单晶硅和多晶硅太阳能电池的工艺流程如下图所示。工业蛙图1从石英砂到晶硅太阳能电池的工艺流程121.3非晶硅太阳能电池非晶

16、硅太阳能电池的优势是硅资源消耗少、生产成本低，近年来发展迅速。目前非晶硅单结电池的最高效率已可达到 14.6%左右，大量生产的可达到8%10流右。叠层电池的最高效率可达到 21.0%。比较代表性的非晶硅电池生产厂家有德国 RWE Schott Solar，日本 Ken aka 和美国 Un ited Solar由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳能电池可以做得很薄， 通常硅膜厚度仅为1-2卩m是单晶硅或多晶硅电池厚度（0.5mm左右）的1/500, 所以制作非晶硅电池资源消耗少。非晶硅太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷（SiH4）气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低（200

17、C左右），因此制作时能量消耗少，成本 比较低，且这种方法适于大规模生产，单片电池面积可以做得很大（例如 0.5mx 1.0m），整齐美观。非晶硅电池的另一特点是对蓝光响应好，在一般的荧 光灯下也能工作，因此被广泛用作电子计算器和手掌电脑的电源，估计全世界使用量达到每月1千万片左右。非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，往往在单纯的非晶硅p-n结构中存在缺陷，隧道电流占主导地位，无法制备太阳能电池。因此要在p层与 n层之间加入较厚的本征层i，以扼制其隧道电流，所以非晶硅太阳能电池一般 具有pin结构。如果制成pin/pin/pin的多层结构便形成叠层结构，在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和改

18、善稳定性方面， 叠层太阳能电池是一个重要的发展 方向。非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有光疲劳效应（Staebler Wron ski效应），故非晶硅太阳能电池经过长期工作稳定性存在问 题。近10年来经努力研究，虽有所改善，但尚未彻底解决问题，故作为电力电 源，尚未大量推广。非晶硅太阳能电池的研究，现在主要着重于改善非晶硅膜本 身性质，以减少缺陷密度，精确设计电池结构和控制各层厚度，改善各层之间的界面状态，以求得高效率和高稳定性。1.2.2化合物半导体太阳能电池化合物半导体太阳能电池突破了由硅原料-硅锭-硅片-太阳能电池的工艺路线，采用直接由原材料到太阳能电池的工艺路线，发

19、展了薄膜太阳能技术，这适应了太阳能电池的高效率、低成本、大规模生产化发展的要求。目前，化合物半导体薄膜太阳能电池的主要类型有CdS系太阳能电池、CdTe系太阳能电池、CuI nSe2系列太阳能电池、CdS/C uln Se2太阳能电池、GaAs系列 太阳能电池和InP系列太阳能电池。上述电池中，尽管CdS CdTe多晶薄膜电池 的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳 能电池最理想的替代。GaAs及 CuInSe2系列薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重 视。GaAs属于III-V 族

20、化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太 阳光的值，因此，是很理想的电池材料。GaAs等 III-V 化合物薄膜电池的制备主要采用MOVP和LPE技术，其中MOVP方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、 反应压力、III-V 比率、总流量等诸多参数的影响。除GaAs外,其它III-V 化合物如Gasb GaInP等电池材料也得到了开发。 1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 GaAs太阳能电池转换效率为 24.2 %，为欧洲记录。首次制备的 GaInP电池转换效率为14.7 %。另外，该研 究所还采用堆叠结构制备 GaAs Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在 一起，

21、GaAs作为上电池，下电池用的是 Gasb,所得到的电池效率达到31.1 %。铜铟硒CuInSe2简称CIS。CIS材料的能降为1.leV，适于太阳光的光电转 换，另外，CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。因此， CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的 蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用 H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成 均匀的CISoCIS薄膜电池从80年代最初8%的转换效率发展到目前的15%左右。 日本松下电气工业公司开发的掺傢的 CIS电池，其光电转换效率为15.3 % （面 积1cm2 o

22、1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.1 %的CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等 优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源， 由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。1.2.3染料敏化纳米晶化学太阳能电池受到绿色植物光合作用的启发，纳米晶材料太阳能电池于20世纪90年代诞 生。有人称这种纳米晶太阳能电池为“人造树叶”，也有人称其为分子电子器件。 目前纳米晶太阳能电池的光电转换效率为 78%使用寿命可达15年以上，加上 它的成本仅为硅太阳

23、能电池10%20%纳米晶太阳能电池引起了全世界的关注。纳米晶化学太阳能电池（简称NPCt池）是一种光电化学电池，它与自然界 的光合作用有两点相似：利用有机染料吸收光和传递太阳能；利用多层结构来吸 收和提高收集效率。纳米晶化学太阳能电池是由一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能 隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属 Ru以及Os等的有机化 合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶 Ti02并制成电极，此外NPC电池 还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶 TiO2太阳能电池工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子

24、则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性 能。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。 目前纳米晶太阳能电池材料的研究热点是：使用掺杂技术提高TiO2的光电转换效率；开发新的宽频光电效应和高光电转换效率的新型纳米晶体材料；寻找在低温下烧结制备电极的途径；开发固体电解质新材料。1.3太阳能电池发展的瓶颈我国光伏产业经过20多年不懈努力，已达到一定技术水平和生产规模。但 现阶段，我国太阳能光伏产业还存在一些瓶颈。 尽管目前国内太阳能光伏电池生 产技术基本

25、上与国际同步，但是相关产业链非常不健全，原材料和生产设备几乎 全部依赖进口。此外，贷款难、人才稀缺、投资巨大等，也是制约国内太阳能企 业发展的“拦路虎”。另外，技术和行业标准还不尽完善。目前世界上应用最广泛的太阳能电池是晶体硅太阳能电池，而生产晶体硅太阳能电池的原材料一一高纯度多晶硅在我国却极度短缺，绝大部分需要依赖进 口。我国生产太阳能电池所需的硅原料呈现“两头在外”的格局，即90鸠上的原料进口，90%勺产品出口。据我国工程院的专家调查，2005年我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中 光伏产业需求2691吨，而2004年我国多晶硅的产量只有60吨，主要企业为峨 嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅有

26、限公司， 即使全部供应光伏产业，也仅是市场需 求的2.6 %，其余只能依赖进口。据报道，四川新光硅业科技有限责任公司是我 国最大的多晶硅生产单位，目前已投资 11亿元正在建设1200吨多晶硅生产线, 预计2006年年底投产，洛阳中硅高科技有限公司300吨多晶硅项目于2005年9 月投产。但与巨大的原料需求而言，仍无法满足国内太阳能电池厂家的需求。而目前国际市场上的多晶硅也供不应求。 电子和太阳能两个行业使用的高纯 度硅从2004年的31000吨增长到2005年的35000吨左右，这个增长是由电子行 业5%勺年用量增长和太阳能行业 20%勺年用量增长推动的。太阳能行业中，按照 从硅料到电池的产业

27、划分，产业结构呈明显的金字塔结构。图 2晶硅系太阳能电池产业结构高居塔尖的是7家太阳能多晶硅厂商：Tokuyama Mitsubishi Material 、Mitsubishi Polysilic on、 Hemlock Semic on ductor、 Adva need Silic onMaterials、Solar Grade Silicon 、Wacker Piktsilicon;第二层是 15 家硅片厂商，包括 RWE Schott Solar、Sharp、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera 等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、

28、用多线切 割机切片、化学腐蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等 投资规模亦相对较大，设备投资约占初期总投资的60%上；第三层是太阳能电池制造，按照2004年产量，Sharp为全球最大之电池制造商，Shell SolarKyocera、BP Solar、RWE Schott Solar 分列二至五位，根据 2004 年底数据, 全球电池厂商有40余家；下面是组件，将制作好的电池封装，技术含量相对较 低，进入门槛亦低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过 200家，国内亦 有相当多企业进行封装作业。由于市场供不应求，多晶硅的价格大幅上涨，一公斤太阳级多晶硅材料由两 三年前的13

29、美元，一路猛涨到46美元，涨幅高达250%，甚至达到60美元80 美元。但由于制作太阳能电池所需的提纯硅技术主要被西方国家垄断。所以，目前在国内几乎没有企业能生产高纯度硅原料，大部分依靠进口，而我国大多数光 伏企业通过外购电池片封装加工组件， 不但增加成本，更失去了掌握市场的主动 性。国外主要多晶硅生产企业现已形成了企业联盟，严格控制技术转让并垄断全球硅材料市场，抬高多晶硅价格。这使得国内有的太阳能电池生产厂在当前遭遇 了即使出高价也购买不到多晶硅的“无米下锅”局面。 目前，国内多数太阳能电 池制造企业产能都有放空现象。国内正在兴起一股太阳能电池投资热潮，这将进一步引起原料的争夺大战，从而加剧

30、原料供应的紧张。由于晶硅原料占太阳能电池生产成本的40%左右，因此，原料成本进一步提高了多晶硅太阳能电池制造成本，这将威胁到晶硅基太阳能电池的发展。但另一方面，为非硅基太阳能电池（如低成本高性能可见光响 应型太阳能电池）的发展创造了难得的机遇。1.4太阳能电池的发展趋势人类利用太阳能已有几千年的历史， 但发展一直很缓慢，现代意义上的开发 利用只是近半个世纪的事情。1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太 阳能电池，从此揭开了太阳能开发利用的新篇章， 之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能的开发利 用。随着可持续发展战略在世界范围内的实施，

31、太阳能的开发利用又被推到新高度。21世纪初至中叶将是太阳能开发利用技术的重要发展时期。世界范围内的 能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利 用。光伏技术的发展，近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜太阳 能电池和各种新型太阳能电池的发展。 如前所述，晶体硅太阳能电池具有转换效 率高、性能稳定、商业化程度高等优点，但也存在硅材料紧缺、制造成本高等问 题。高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的一条切实可行的途径， 近年来，一些新型高效电池不断问世：铜铟硒(CuinSe2，CIS)薄膜太阳能电池：1974年CIS电池在美国问世，1993年美国国家可再生能

32、源实验室使它的本征转换效率达16.7 %，由于CIS太阳能电池具有成本低(膜厚只有单晶硅的1/100)、可通过增大禁带宽度提高转换效 率(理论值为单晶30%，多晶24%)、没有光致衰降、抗放射性能好等优点，各 国都在争相研究开发，并积极探索大面积应用的批量生产技术。硅-硅串联结构太阳能电池：通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用 长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径。它具有成本低、耗能 少、工序少、价廉高效等优点。用化学束外延(CBE)技术生产的多结III-V 族化合物太阳能电池：III-V 族 化合物(如GaAs InP)具有较高的光电转换效率，这些材料的多层匹配可将太阳 能

33、电池转换效率提高到35%以上。而这种多层结构很容易用 CBE法制作，并能降低成本获得超高效率大面积光伏纳米电池：1991年瑞士 M. GRATZE博士领导的研究小组，用纳米TiO2粉水溶液作涂料，和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制 作出微晶染料敏感太阳能电池，简称纳米电池。计算表明，可制造出转换效率至 少为12%的低成本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的 前景。随着研发投入的加大，必将促使其中一、二种获得突破，正如专家断言，只 要有一、二种新型电池取得突破，就会使光电池局面得到极大的改善。随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成 为氢能产

34、业的最佳选择。20世纪90年代在太阳能制氢方面获得了较大进展，1990 年德国建成一座500KW攵阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为 350KW 的太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4800万美元，在每 年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500KW攵阳能电站制氢，用光伏一电解系 统制得的氢，以金属氢化物的形式贮存起来，保证运输的安全。氢能具有重量轻、 热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发 展。用氢能取代碳氢化合物能源将是 21世纪的一个重要发展趋势。随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，光伏技术将逐步由农 村、偏远地区以及

35、其它特殊应用场合向城市推进，伴随着更多国家屋顶计划的实 施，光伏发电将走进城市的千家万户。随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展，空间太阳能电站的设想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、 气候条件的制约，其发展显示出 美好的前景，是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。第二章国内太阳能电池的研究现状国内对于太阳能电池的研究主要集中在实用型的单晶硅太阳能电池、高效单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、砷化傢太阳能电池、 空间用的硅太阳能电池及其系统、 铜铟硒及碲化镉化合物薄膜太阳能电池、 聚光 太阳能电池及系统和纳米晶化学太阳能电池。对一些太阳能电池用的材料也进行 了

36、研究和国产化。目前，国内太阳能电池的研究机构主要集中在大学和研究所，如北京市太阳能研究所、信息产业部第18研究所、上海811研究所、中科院半导体所、等离 子体所和广州能源研究所、西安交通大学太阳能研究所、南开大学、上海交通大 学、云南师范大学、四川大学等等。光伏企业中，无锡尚德太阳能电力公司建立 了研发中心。表1我国各种太阳能电池实验室研究的最高效率类型最咼效率（%）面积(cm2 )单晶硅电池20.42214-16商业化GaAs电池21.9仆1多晶硅电池16.02213-15商业化Cui nSe2 电池12.11汇1CdTe电池13.360. 5多晶硅薄膜电池13.6仆1,非活性硅衬底11.2

37、（单结）几平方毫米11.4（双结）几平方毫米非晶硅电池8.610 汇 107.920汉206.230汉30二氧化钛纳米有机电池101汇1南开大学从1978年开始对非晶硅材料和非晶硅太阳能电池进行研究与开发，至今已有二十多年的历史。在这期间，南开大学取得了15项研究成果；并获得实用新型专利一项；获得国家科委、国家教委“3 0cm*30cm非晶硅太阳电池 中试线”重大科技成果奖一项。并成功地建设了非晶硅太阳能电池试验线和中试 线。为其产业化奠定了技术基础。四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下， 率先在我国开展 了碲化镉薄膜太阳能电池的研究。 在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻

38、关计划课题：“U -切族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。现在承担的“碲化镉薄膜太阳电池的制造技术及中试生产线”是国家863计划中的重点课题之一，再次创造我国碲化镉电池转换效率的新纪录一一 13.38%,也创造了我国 各种新型太阳能电池的新纪录。专家们认为，这项纪录是在没有使用减反射膜的 情况下得到的，实际上已接近世界领先水平。目前，该项目已申请和获得了11项中国发明专利，所提供的成果既包含全套大面积碲化镉薄膜太阳能电池组件的 制造技术，还包含1000万元以上的关键设备。单晶硅太阳能电池由于制作工艺复杂， 使得生产成本很高，远不能达到大规 模推广应用的要求。多晶硅、非晶硅及镉碲化合物半导体

39、太阳能电池中光的吸收 和电子-空穴的分离几乎是同时进行的，为了避免电子-空穴的复合，所用材料必 需具有高纯度而且没有结构缺陷，这样造成了半导体材料的高成本。同时像CdTe、Ga In等还有毒性，这些因素限制了这类液结半导体太阳能电池的进一步 发展。20世纪80年代以来，人们一直在探索高比表 TiO2薄膜的制备方法，并用光敏化材料对其敏化以提高光电转换特性， 但是转换效率低，单色光的光电转 换效率一直低于3 % 1991年，瑞士的Gratzel等人提出了一种以羧酸联吡啶钉 (II)配合物染料敏化TiO2纳米薄膜为光阳极，选用含I - / 13 -等低挥发性盐作电解质制成的纳米晶化学太阳能电池 (

40、Na nocrystilli ne PhotoelectrochemicalCell简称NPC电池)取得了模拟太阳光下(AM 1.5) 7. 1 % 的光电能转换效率。 这种染料敏化的NPC仅在一个带上产生载流子，即阳极发生敏化后，电子注入纳 米TiO2导带，而空穴仍留在表面的染料上，因此电荷的重新复合受到抑制，从 而可以使用纯度不高的材料，成本大为降低。此后，NPC电池引起了各国科学家的广泛关注。我国无论在NPC电池的科学研究和产业化研究上都取得了不少阶段 性的成果。在科学研究上，北京大学黄春晖教授领导的研究组在纯有机染料、电极材料的修饰以及多联吡啶钉染料的优化都取得了较好的结果；中科院化学

41、研究所的肖绪瑞教授，林原教授等人在凝胶复合染料和半固态电解质等方面取得了一 定的结果；中科院物理所表面物理国家重点实验室孟庆波教授等人在固态电解质 和紧凑有序阵列电极等方面有所创新；中科院等离子所戴松元教授等人对染料敏 化太阳能电池组件及封装技术做出了较系统的研究，浙江大学、东南大学、大连理工大学和华侨大学对染料敏化纳米晶太阳能电池研究也取得较好的成果，在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都与国际水平相接近，且在该领域具有一定的影响。在产业化研究上，经过国家重点基础研究发展规划项目和中国科 学院知识创新项目的资助，现已在中国科学院等离子体物理研究所建成产业化初 步实验线，并接近中试规模。

42、其中，单片大面积染料敏化纳米薄膜太阳能电池 (15cmx 20cm)的光电转换效率稳定在5%以上，并通过拼装的方式组装成实用的 太阳能电池板，面积达到40cmx 60cm以上，室外测试电池效率达到 5.5%以上，接近未来实用化水平，为目前国际较高水平，并已突破染料敏化纳米薄膜太阳能 电池在电极、密封和连接等应用“瓶颈”，近期，在实验室小批量实用化生产和 技术研究上取得重大进展，建成500瓦规模的小型示范电站，其电池方阵面积为14.4平方米，光电转换效率达到5% 2005年，中国科学院物理研究所孟庆波研 究员和陈立泉院士等合作，合成了一种新型的具有单碘离子输运特性的有机合成 化合物固态电解质，研

43、制的固态复合电解质纳米晶染料敏化太阳能电池效率达到 了 5.48 %。这些工作都为NPC电池的最终产业化，知识产权国产化奠定了坚实 的基础。但对NPC电池来说，目前还存在着以下一些制约因素。现在公认使用效果最好的RuL2(SCN)2的制备过程比较复杂，而钉本身 又是稀有金属，因而价格比较昂贵，来源也较困难。另外，二氧化钛易使染料光 解，从而导致接触不好。因此，寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一 个热点。在NPC电池研制过程中，染料光敏化剂的光谱吸收特性和稳定性是很 重要的因素，若能找到具有更宽吸收范围的染料光敏化剂， 有助于提高光电能量 转换率。大量的实验表明，染料的多层吸附是不可取的

44、，因为只有非常靠近二氧化钛表面的敏化剂分子才能把激发态的电子顺利注入到二氧化钛导带中去，多层敏化剂的存在反而会阻碍电子的输送，导致光电能量转换率下降。为使单层吸附的效率提高，可以采取以下方法：使用高比表面的多孔膜来代替平整膜；提高染料在电极表面的吸附能力，因为染料的激发态寿命很短， 只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极，所以染料最好能化 学吸附在电极上。另外，设计更多、更有效的多吡啶钉化合物，或者其他替代物 也是重要的努力方向第三章低成本高性能可见光响应型太阳能电池3.1可见光响应型太阳能电池研究的重大意义近年来太阳能电池发展很快，1999年以来，每年的发展速度都在 35沖上，

45、 2004年全球产量更是达到1194MWV可谓发展迅速。即便如此，世界太阳能电池 产量仍然供不应求，尤其是德国实行了新的并网电价后， 光伏发电在德国成了很 有前途的产业，吸引德国民众踊跃参与，更是加剧了这种供应紧张趋势。 这种现 象并不是暂时的，需求量尚未达到最高峰，随着欧美、日本等发达国家和一些发 展中国家包括中国继续实施庞大的光伏屋顶计划， 对太阳能电池的需求会更加迫 切。不过与目前的常规能源相比，太阳能电池的使用成本还是很高。 通过改进现 有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本， 提 高光电转换效率是太阳能电池研发的主要方向。 许多科研工作者在这些方面进行 了

46、大量的研究工作，南京大学用可见光响应型光电极制备的太阳能电池作为新一 代太阳能电池，这是世界上首次的研究，其具有明显的原创性，结果表明有广泛 的实用化前景。它实际上是一种新型的纳米晶太阳能电池， 不用或少用染料敏化 剂，进一步降低了生产成本，方便大规模生产，具有很强的竞争力。因此，发展 可见光响应型太阳能电池具有重要的意义。3.2可见光响应型太阳能电池的结构可见光响应型太阳能电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶氧化物半导体薄 膜、染料光敏化剂、电解质溶液（含超敏化剂）和透明电极组成，每层厚度不大 于200nm导电玻璃层除外。其工作原理是，染料分子吸收太阳光能后跃迁到激 发态，但激发态不稳定，电子

47、快速注入到紧邻的氧化物半导体导带， 而且氧化物半导体本身价带上的电子也能被激发到导带。 半导体和染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入氧化物半导体导带中的电子最终进入导电膜， 然后通 过外回路产生光电流。e-模拟龙阳光（AM-1.5,10OmW/cm2（ J1S-陶）导电ftURSnS电解酒辱电性SnO2、皱璃基版图3可见光响应型太阳能电池的结构注：AM-1.5, 100mW/cm2, JIS-A组是国际标准，是指在每平方厘米上有相当于100mV的太阳能照射。3.3可见光响应型太阳能电池的制备技术可见光响应型太阳能电池的制备工艺主要为丝网印刷。清洗并烘干玻璃衬底，用化学气相沉积法先在上

48、面沉积一层 SnO2膜制成透明导电玻璃，然后在透 明导电玻璃上镀一层多孔纳米晶氧化物薄膜， 热处理后吸附上起电荷分离作用的 单层染料构成光电极，对电极由镀有催化剂（如铂、碳等）的导电玻璃构成，中 间充入具有氧化还原作用的电解液（如含 I-/I3-的有机溶剂），经密封剂封装 后，从电极引出导线。3.4关键技术的创新该课题组用已开发出的新型可见光响应型复合氧化物半导体制备光电极来开发新型可见光响应型太阳能电池，波长在800nm以内的光能激发这种太阳能电 池。在不使用有机染料条件下其太阳光转化率已达到1.0%;从根本上解决了染料敏化太阳能电池寿命低且不稳定的弱点。 该课题组最新研究结果表明，由多种

49、新型可见光响应型复合氧化物半导体制备的光电极配以少量的染料来敏化电极 可获得更高的电流和电压而不会影响新型可见光响应型太阳能电池的寿命。这是世界上第一次可见光响应型太阳能电池的研究。用可见光响应型光电极制备的太阳能电池作为新一代太阳能电池，这是世界上首次的研究，其具有明显的原创性，结果表明有广泛的实用化前景。本项目的 创新之处是利用自己开发的可见光响应型电极材料制备太阳能电池，有效利用半导体和染料的光吸收，使二者在产生电流过程中相辅相成， 有望更高的能量转化 效率。该研究成果可以向市场提供高效率、 低价格的光电转换器件等一系列新产 品，用于民用及军事之目的。第四章可见光响应型太阳能电池的研发计

50、划4.1现有研究进展该课题组已经成功合成了在可见光领域动作的氧化物半导体光催化剂，从根本上解决了可见光响应型光电极材料。这一成果已于2001年末在Nature上发表，并开发出一系列新型光催化剂，在更宽的可见光领域（至600nn）有反应,已申请了多项发明专利4.2研究工作基础和条件可见光响应型光电极材料是整个太阳能电池的关键， 其性能的好坏直接关系 到太阳能电池的效率。该课题组针对光电极材料做了大量研究工作， 目前已获得 和申请七项专利：（一）碱金属和Ag的铋系复合氧化物可见光响应的光催化剂及其应用授权公告日：2005年8月17日专利号：ZL03158264.8邹志刚、陈延峰、叶金花【摘要】碱金

51、属和Ag的铋系复合氧化物可见光响应的光催化剂， 一般式：MBiO3?nH2O 表示的复合氧化物半导体所构成的光催化剂（在式中，M必须表示Li、Na K、Ag 中的至少一个元素，0W n 6680 5.1桔红好5850- 66804.5 - 5.1黄一般5000- 58503.8 - 4.5浅蓝较差4200 50003.2 - 3.8深蓝很差 4200 3.2根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为如下五类地区：一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，全年日照时数为32003300h,年太阳辐射总量 6680-8400 MJ/m2相当于日辐射量 5.1-6.4KWh/m2，225285kg标

52、准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达8400 MJ/m2（日辐 射量6.4KWh/ m2),居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，全年日照时数为30003200h,年太阳辐射总量为5852-6680 MJ/m?相当于日辐射量 4.5-5.1KWh/m2，200225kg 标准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南 部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，全年日照时数为22003000h,年太阳辐

53、射总量为5016-5852 MJ/m?相当于日辐射量 3.8-4.5KWh/m2,170200kg 标准煤燃烧所发出的热量。这一地区主要包括山东、河南、河北东南部、山西南 部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南 部、苏北、皖北、台湾西南部等地。四类地区是我国太阳能资源较贫乏地区，全年日照时数为14002200h,年太阳辐射总量4190-5016 MJ/m2，相当于日辐射量 3.2-3.8KWh/m2, 140170kg 标准煤燃烧所发出的热量。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建 北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。五类地区主要

54、包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区， 全年日 照时数为10001400h,年太阳辐射总量3344-4190 MJ/m?相当于日辐射量只有 2.5-3.2KWh/m2, 115140kg标准煤燃烧所发出的热量。一、二、三类地区，全年日照时数大于 2000h,太阳能总辐射量高于5016MJ /(m2?a),是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。这三类地区面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。特别是一、二类地区， 正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发 展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源， 采用太阳光发电技术，发展经 济，提

55、高人民生活水平。四、五类地区，虽然太阳能资源条件较差，但是也有一 定的利用价值，其中有的地方是可能开发利用太阳能的。总之，从全国来看，我 国是太阳能资源相当丰富的国家，具有发展太阳能利用事业的得天独厚的优越条 件，只要我们扎扎实实地努力工作，太阳能利用事业在我国是有着广阔的发展前 景的。太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得， 也可以从国家气象局取得。从气 象局取得的数据是水平面的辐射数据， 包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和 水平面散射辐射。可以说，丰富的太阳能资源已成为我国向太阳能电池生产与消费大国迈进的 重要条件。5.1.2严峻的能源与环保形势中国是世界上重要的能源生产大国， 更是世界上

56、的能源消费大国。一方面由 于中国经济的迅猛发展带动了对能源的高需求， 另一方面由于粗放型的经济增长 方式也带来能源利用效率较低和能源浪费的现象。数据表明：目前每百万美元能 耗，中国是世界平均水平的3.1倍，是OECD经济合作发展组织）国家和地区的 4.3倍，更是日本的9倍。中国已探明的常规能源资源总量（以吨煤当量计）是155Gt，占世界总量的10.7%,但由于我国人口众多，人均能源资源（以吨煤当量计）只有 135t，相当 于世界平均拥有量264t的51%中国能源利用终端效率为33%比发达国家约低 10个百分点。目前，我国能源的供应状况为：煤炭比重过大，环境压力沉重， 人均能耗远低于世界平均水平

57、，能源技术落后，系统效率低，产品能耗高，资源 浪费大。2004年，我国的能源消费总量为19.7亿吨标准煤。专家预测，到2020 年，我国一次性能源需求量为2533亿吨标准煤。届时，按照33亿吨标准煤的 需求量来衡量，我国的煤炭供应量将达到 2 9亿吨，石油为6.1亿吨。然而，到 2020年，我国煤炭产量最多可能只有 22亿吨左右，石油的最高产量也只有 2亿 吨，供需缺口高达7亿吨煤和4.1亿吨油。此外，我国的能源供应在今后还将面 临两个严峻挑战：一是能源决策的国际环境复杂化，对国外石油资源的依存度快 速加大；二是世界上化石能源的可持续供应能力也遭遇严峻的挑战。表2中国能源消费结构年份煤炭（%石

58、油（%天然气（%水电（%197870.722.73.23.4198072.220.73.14.0198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1199967.123.42.86.7200467.722.72.67.0上表列出中国近年来的能源消费结构。 从表中可以看出中国的能源结构中有 一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤的比例占70%上,以煤炭作为主要能源，造成严重的大气污染。煤炭使用过程产生的污染是中国最 大的大气环境污染问题。全国烟尘排放量的 70%二氧化硫排放量的90%氮氧 化物的67%二氧化碳的70%TE来自于

59、燃煤。在大气污染物排放中，SO2排放与电力行业发展密切相关。燃煤电厂是煤炭 的主要用户，电力耗煤占煤炭总产量的 60%同时也是SO2排放大户。除了能源 消费过程中的污染物排放外，能源在开采、炼制及供应过程中，也会产生大量有 害气体，严重影响着大气环境质量。2000年，能源生产相关行业烟尘排放量占 全国烟尘总排放量的29.8%,对大气环境造成严重的污染。另外，燃煤产生的氮 氧化物就可能从2000年的1880万吨的水平分别增加到2010年和2020年的2467 万吨和2870万吨的水平。如果加上汽车尾气排放的氮氧化物， 未来20年氮氧化 物的产生量还会增加。因此，未来 20年减排氮氧化物的任务将比

60、减排二氧化硫 还要严峻。水污染物排放：据统计，中国煤矿每年产生的各种废污水约占全国总废污水 量的25% 2000年，全国煤矿的废污水排放量达到 27.5亿吨，其中，矿井水23 亿吨，工业废水3.5亿吨，洗煤废水5000万吨，其它废水4500万吨。二氧化碳排放：二氧化碳排放与能源结构、消费量和能源效率等密切相关。中国是世界上仅次于美国的 CO2排放量大国，1990年至2000年中国CO2排放量 由6.66亿吨碳增至8.81亿吨碳，由占全球排放量的11.6%增至13.7%。环境污染付出了高昂的经济和公众健康成本。 世界银行根据目前发展趋势预 计，2020年中国燃煤污染导致的疾病需付出经济代价达 3