太阳能电池概论

太阳能电池技术概论学院：电信学院专业班级：电子91班姓名：胡静学号：09051002摘要：太阳能是人类取之不尽，用之不绝的可再生能源，不产生任何环境污染，是清洁能源，优越性非常突出。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用是近些年来开展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池的研制和开发日益得到重视，本文介绍了太阳能电池的结构、根本工作原理、种类及其性能比拟等，分析了太阳能电池产业的现状，展望了中国太阳能电池技术未来开展趋势。关键字：太阳能电池工作原理种类性能现状展望0.引言20世纪以来，随着社会经济的开展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。目前，人类使用的最主要能源是不可再生能源，如石油、天然气、煤炭和裂变核燃料等。约占能源总消费量的90%，而可再生能源，如水力、太阳能等只占10%。太阳能是人类取之不尽，用之不绝的可再生能源，不产生任何环境污染，是清洁能源，优越性非常突出。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用是近些年来开展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用，直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括CO2任何气体，是对环境无污染的可再生能源，这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此太阳能电池有望成为21世纪的重要新能源。目前一些兴旺国家采用太阳能电池发出的电并人电网的措施，既能局部平衡顶峰用电，又可省去储电的费用。太阳能发电系统一般没有发电机具有的转动部件，所以也不会产生噪音，不容易损坏。太阳能发电装置规模可大可小，小的可以是数瓦或数十瓦，如便携式太阳能手电筒和太阳能充电器，大的可以是数兆瓦或数十兆瓦，例如大型发电站等。1.太阳能电池的结构及其根本工作原理1.1太阳能电池的结构因生产制造太阳能电池的基体材料和所采用的工艺方法的不同，太阳能电池的结构也就多种多样。这里以常规硅太阳能电池为例简述太阳能电池的结构。图1是一个p型硅材料制成的n+/p型结构常规太阳能电池的示意图。p层为基体，厚度为0.2～0.5mm。基体材料称为基区层，简称基区；②p层上面是n层。它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料的外表层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故常标记为n+。n+层的厚度为0.2～0.5μm。扩散层处于电池的正面。所谓正面，就是光照的外表，所以也称为光照面；③p层和n层的交界面处是P-n结；④扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。它由母线和假设干条栅线组成。栅线的宽度一般为0.2mm左右。栅线通过母线连接起来。母线宽为0.5mm左右，视电池面积大小而定；⑤基体下面有与它形成欧姆接触的下电极；⑥上下电极均由金属材料制作，其功能是将由电池产生的电能引出；⑦在电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。1-电池长度；2-电池宽度；3-电池厚度；4-扩散层厚度；5-基体厚度；6-上电极厚度；7-上电极母线宽度；8-上电极栅线宽度；9-下电极厚度；10-减反射膜厚度图1n+/p型太阳能电池根本结构示意图如果用n型硅材料做基体，即可制成p+/n型硅太阳能电池。其结构与上述的n+/p型硅太阳能电池相同，只不过基体的硅材料是n型，而扩散层材料是p型。1.2太阳能电池的根本工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能〔或其他光能〕变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。太阳能电池工作原理的根底，是半导体p－n结的“光生伏打〞效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高。因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并创造制造出了半导体太阳能电池。太阳能电池工作原理见图2。图2.太阳能电池原理图可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点：〔1〕首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池外表上。〔2〕太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子〔光生载流子〕—电子－空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被别离之前不会复合消失。〔3〕这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子-空穴对被别离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p－n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。〔4〕在太阳能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，那么在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能〔或其他光能〕直接转换成了电能。基于上述原理对太阳能电池材料一般的要求有:(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。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的开展,以其他材料为根底的太阳能电池也越来越显示出诱人的前景。2.太阳电池根本特性〔1〕光电转换效率η%评估太阳电池好坏的重要因素。目前：实验室η≈24%，产业化：η≈15%。〔2〕单体电池电压V：0.4~0.6V由材料物理特性决定。〔3〕填充因子FF%：评估太阳电池负载能力的重要因素。FF=(ImVm)/(IscVoc)其中，Isc为短路电流；Voc为开路电压；Im为最正确工作电流；Vm为最正确工作电压。〔4〕标准光强与环境温度地面：AM1.5光强，1000W/m2，t=25℃。〔5〕温度对电池性质的影响，例如：在标准状况下，AM1.5光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp，如果电池温度升高至45℃时，那么电池板输出功率就不到100Wp。〔6〕太阳能电池的容量选择：太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池参数有：空载电压和短路电流，两者乘积为太阳能电池的功率，即P=UI，P为电功率，U为电压，I为电流。还有工作电压和工作电流，工作电压一般为空载电压的80%~90%，工作电流一般为短路电流的80%~90%。3、太阳能电池的种类及各自性能根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池等,其中硅太阳能电池是目前开展最成熟的,在应用中居主导地位。3.1硅太阳能电池硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。3.1.1单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。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熟的加工处理工艺根底上的。现在,单晶硅的电池工艺一般都采用外表结构化、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。光电的转化效率主要取决于单晶硅外表微结构处理和分区掺杂工艺,在这方面,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,将电池外表结构化,制成倒金字塔结构;并在外表把13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合;改良电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率。通过以上措施制得的电池转化效率超过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(2cm×2cm)转换效率到达19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm×5cm)转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中单晶硅太阳能电池仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅太阳能电池本钱价格居高不下,要想大幅度降低其本钱是非常困难的。3.1.2多晶硅薄膜太阳能电池为了节省高质量材料,薄膜太阳能电池就成了单晶硅电池的替代产品,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶体硅薄膜太阳能电池就是典型代表。实验室的最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450um的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成,因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,从20世纪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太小,未能制成有价值的太阳能电池。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。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反响气体,在一定的保护气氛下反响生成硅原子,并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2或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,解决这一问题的方法是先用LPCVD在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高。德国费莱堡太阳能系统研究所采用区域再结晶技术在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的电池效率达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%。中国光电开展技术中心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。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅材料远较单晶硅少,又无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制成,其本钱远低于单晶硅电池,而效率高于非晶体硅薄膜电池,因此,预计多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。3.1.3非晶体硅薄膜太阳能电池由于非晶体硅薄膜太阳能电池的本钱低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速开展。早在20世纪70年代初,Carlson等就已经开始了对非晶体硅电池的研制工作,目前世界上己有许多公司生产这种产品。非晶体硅作为太阳能电池材料尽管是一种很好的材料,但由于其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这就限制了非晶体硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S﹣W效应,使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳能电池是在制备的p－i－n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个p－i－n子电池制得的。叠层太阳能电池能提高转换效率、解决单结电池的不稳定性,其关键在于:(1)把不同禁带宽度的材料组合在一起,提高了光谱的响应范围;(2)顶电池的i层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保证i层中的光生载流子抽出;(3)底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰退效应减小;(4)叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反响溅射法、PECVD法、LPCVD法等,反响原料气体为H2稀释的SiH4,衬底主要为玻璃及不锈钢片,制成的非晶体硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶体硅太阳能电池的研究取得两大进展:(1)三叠层结构非晶体硅太阳能电池转换效率到达13%,创下新的记录;(2)三叠层太阳能电池生产能力达5MW。美国联合太阳能公司(VSSC)制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%,三带隙三叠层电池最高转换效率为13%,上述最高转换效率是在小面积(0.25cm2)电池上取得的。曾有文献报道,单结非晶体硅太阳能电池转换效率超过12.5%,日本中央研究院采用一系列新措施,制得的非晶体硅电池的转换效率为13.2%。国内关于非晶体硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多,南开大学的耿新华等采用工业用材料,以铝背电极制备出面积为20cm×20cm、转换效率为8.28%的a﹣Si/a﹣Si叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池由于具有本钱低、重量轻、转换效率较高和便于大规模生产等而有极大的开展潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决其稳定性问题和提高转换率问题,那么,非晶体硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要开展产品之一。3.2多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,主要有砷化镓IIIV族化合物电池、硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池和铜铟硒薄膜电池。3.2.1硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶体硅薄膜太阳能电池效率高,本钱较单晶硅电池低,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产品。3.2.2砷化镓(GaAs)III﹣V化合物电池GaAs属于III﹣V族化合物半导体材料,其能降为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,转换效率可达28%,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了GaAs电池的普及。GaAs等III﹣V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术,其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反响压力、III﹣V比率、总流量等诸多参数的影响。除GaAs外,其他III﹣V族化合物,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,GaAs作为上电池,下电池用的是GaSb,所得到的电池效率达31.1%。3.2.3铜铟硒薄膜电池铜铟硒薄膜电池(简称CIS)材料的能降为1.1eV,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意。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CIS。CIS薄膜电池从20世纪80年代最初8%的转换效率开展到目前的15%左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池,其光电转换效率为15.3%(面积1cm²)。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.l%的CIS太阳能电池,2000年CIS电池的转换效率到达20%,相当于多晶硅太阳能电池。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,将成为今后太阳能电池开展的一个重要方向,唯一的是材料的来源问题,由于铟和硒都是比拟稀有的元素,因此,这类电池的开展必然受到限制。3.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好、制作容易、材料来源广泛和本钱低等优势,从而对大规模利用太阳能有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究刚开始,不管是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料,特别是硅电池相比,能否开展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。3.4纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近开展的,优点在于其廉价的本钱、简单的工艺及稳定的性能,其光电效率稳定在10%以上,制作本钱仅为硅太阳电池的1/5~1/10,寿命能到达20年以上。但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。4.太阳能电池产业现状中国的太阳能资源非常丰富，理论储量到达每年17000亿t标准煤。太阳能资源开发利用的潜力是非常广阔的。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，20世纪90年代中期进入稳步开展时期。太阳能电池及组件产量逐年稳步增加，中国可再生能源开展工程办公室在《中国光伏产业开展研究报告》指出在最近几年世界太阳能光伏产业的快速开展中，中国的开展尤其明显〔见图3〕“十二五〞规划太阳能光伏发电装机总量目标已明确上调至1000万kW·h，比该规划初稿中的目标翻了一番。虽然受2023年金融危机影响，硅材料的价格大幅度下跌，使得发电本钱出现了下降。在此情况之下，中国各大太阳能电池制造企业于2023年4月会聚一堂，发表了“2023年实现1元/kW·h〞的“洛阳宣言〞，提升了业内人士的士气。而且，在2023年实现GridParity〔太阳发电本钱下降至与传统发电本钱相当〕的路线也愈发清晰。2023年6月金家井1+10MW太阳能光伏电站成功并网发电，投入商业运行，并且是具备阳光跟踪系统的光伏电站。1MW光伏发电工程每年可节约标煤约5500t，减少二氧化碳排放15000t，减少二氧化硫排放13.2t。将续建的10MW光伏发电工程，上网发电量约1540万kW·h/a，产值约1760万元/a。2023年7月5日，山东省最大的企业援藏工程———西藏日喀那么太阳能光伏电站一期工程完工并网运行。该电站年发电量2023万kW·h，可满足日喀那么市10万户农牧民用电需求，每年还可节约标准煤9000t，减排二氧化碳约17820t。与此同时，二期20MW工程奠基仪式在日喀那么经济技术开发区举行。我国对于太阳能光伏发电日趋重视，太阳能电池也将迎来新的顶峰。5.太阳能电池展望能源是国民经济开展的重要根底之一，随着国民经济的开展，能源在国民经济中的地位越显突出。为了应对能源与环境问题以及金融危机，世界各国政府加大了对于可再生清洁能源的重视程度，其中太阳能发电是重点开展的对