太陽電池

　　簡介

　　【詞語】：太陽電池

　　【注音】：tàiyángdiànchí

　　【英文】：solarcell

　　【釋義】：用半導(dǎo)體硅﹑硒等材料將太陽的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長﹐無污染等優(yōu)點﹐可做人造衛(wèi)星﹑航標(biāo)燈﹑晶體管收音機等的電源。

　　太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。太陽電池最初為空間航天器使用，空間航天器用單晶硅太陽電池的基本材料為純度達(dá)0.999999、電阻率在10歐·厘米以上的P型單晶硅，包括p-n結(jié)、電極和減反射膜等部分，受光照面加透光蓋片（如石英或滲鈰玻璃）保護(hù)，防止電池受外層空間范愛倫帶內(nèi)高能電子和質(zhì)子的輻射損傷。單體電池尺寸從2×2厘米至5.9×5.9厘米，輸出功率為數(shù)十至數(shù)百毫瓦，它的理論光電轉(zhuǎn)換效率為20%以上，實際已達(dá)到15%以上。

　　單晶砷化鎵太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為24%，實際達(dá)到18%。它能在高溫、高光強下工作，耐輻射損傷能力高于硅太陽電池，但鎵的產(chǎn)量較少，成本高。級聯(lián)p-n結(jié)太陽電池是在一塊襯底上疊加多個不同帶隙材料的p-n結(jié)，帶隙大的頂結(jié)靠光照面，吸收短波光，往下帶隙依次減小，吸收的光波波長逐漸增長，這種電池可以充分利用日光，光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。

　　為了提高單體太陽電池的性能，可以采取淺結(jié)、密柵、背電場、背反射、絨面和多層膜等措施。增大單體電池面積有利于減少太陽電池陣的焊接點，提高可靠性。

　　發(fā)展歷史

　　太陽電池發(fā)展歷史可以追溯到1839年，當(dāng)時的法國物理學(xué)家Alexander-EdmondBecquerel發(fā)現(xiàn)了光伏特效應(yīng)（Photovoltaiceffect）。直到1883年，第一個硒制太陽電池才由美國科學(xué)家CharlesFritts所制造出來。在1930年代，硒制電池及氧化銅電池已經(jīng)被應(yīng)用在一些對光線敏感的儀器上，例如光度計及照相機的曝光針上。

　　中國第一個太陽電池

　　而現(xiàn)代化的硅制太陽電池則直到1946年由一個半導(dǎo)體研究學(xué)者RussellOhl開發(fā)出來。接著在1954年，科學(xué)家將硅制太陽電池的轉(zhuǎn)化效率提高到6%左右。隨后，太陽電池應(yīng)用于人造衛(wèi)星。1973年能源危機之后，人類開始將太陽電池轉(zhuǎn)向民用。最早應(yīng)用于計算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性（anisotropic）的蝕刻（etching）特性，慢慢的將太陽電池表面的硅結(jié)晶面，蝕刻出許多類似金字塔的特殊幾何形狀。有效降低太陽光從電池表面反射損失，這使得當(dāng)時的太陽電池能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%。

　　1976年以后，如何降低太陽電池成本成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的重點。1990年以后，電池成本降低使得太陽電池進(jìn)入民間發(fā)電領(lǐng)域，太陽電池開始應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電。

　　分類

　　分類太陽電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。從產(chǎn)生技術(shù)的成熟度來區(qū)分，太陽電池可分為以下幾個階段：

　　第一代太陽電池：晶體硅電池；

　　第二代太陽電池：各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池（a-Si）、碲化鎘太陽電池（CdTe）、銅銦鎵硒太陽電池（CIGS）、砷化鎵太陽電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽電池等；

　　第三代太陽電池：各種超疊層太陽電池、熱光伏電池（TPV）、量子阱及量子點超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉(zhuǎn)換太陽電池、下轉(zhuǎn)換太陽電池、熱載流子太陽電池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。

　　按電池結(jié)構(gòu)劃分，太陽電池可分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。

　　按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化電池和有機薄膜電池幾種。

　　發(fā)展情況

　　硅基太陽電池

　　硅基電池包括多晶硅、單晶硅和非晶硅電池三種。產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池的效率可達(dá)到14%～20%(單晶體硅電池16%～20%，多晶體硅14%～16%)。目前產(chǎn)業(yè)化太陽電池中，多晶硅和單晶硅太陽電池所占比例近90%。硅基電池廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。

　　(1)單晶硅太陽能電池

　　單晶太陽電池板

　　單晶太陽電池板硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高（16%～20%），技術(shù)也最為成熟。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。

　　提高轉(zhuǎn)化效率主要是單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合．通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下。

　?。?）多晶硅太陽電池

　　多晶硅太陽電池成本低，轉(zhuǎn)化效率較高（14%～16%），生產(chǎn)工藝成熟，占有主要光伏市場，是現(xiàn)在太陽電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。多晶硅太陽電池已經(jīng)成為全球太陽電池占有率最高的主流技術(shù)。但多晶硅太陽電池效率低于單晶硅電池。比較單位成本發(fā)電效率，兩者接近。

　　（3）非晶硅太陽電池

　　非晶硅的優(yōu)點在于其對于可見光譜的吸光能力很強（比結(jié)晶硅強500倍），所以只要薄薄的一層就可以把光子的能量有效吸收。而且這種非晶硅薄膜生產(chǎn)技術(shù)非常成熟，不僅可以節(jié)省大量的材料成本，也使得制作大面積太陽電池成為可能。主要缺點是轉(zhuǎn)化率低（5%-7%），而且存在光致衰退(所謂的S-W效應(yīng)，即光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，使電池性能不穩(wěn)定)。因此在太陽能發(fā)電市場上沒有競爭力，而多用于功率小的小分型電子產(chǎn)品市場。如電子計算器、玩具等。

　　在1980年代，非晶硅是唯一商業(yè)化的薄膜型太陽電池材料，當(dāng)年非晶硅太陽電池出現(xiàn)，曾引起大量投入。從1985到1990年初，非晶硅太陽電池的比例曾創(chuàng)下全球太陽電池總量三分之一，但之后卻因為穩(wěn)定性不佳問題未能獲得有效改善，使得產(chǎn)量下滑。

　　薄膜太陽電池

　　依據(jù)材料種類不同，薄膜電池可細(xì)分為：微晶硅薄膜硅太陽電池（ThinFilmCrystallineSiliconSolarCell，簡稱c-Si）；非晶硅薄膜太陽電池（ThinFilmAmorphousSiliconSolarCell，簡稱a-Si）、Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池（碲化鎘（CdTe）、硒化銦銅）、Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵銦（InGaP）。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池可以利用多層薄膜結(jié)構(gòu)達(dá)到高于30%以上的轉(zhuǎn)換效率外，其他的集中薄膜型太陽電池效率一般多在10%以下。

　　目前已產(chǎn)業(yè)化的薄膜光伏電池材料有三種：非晶硅(a-Si)、銅銦硒(CIS，CIGS)和碲化鎘(CdTe)，其中，非晶硅薄膜電池生產(chǎn)比重最大。2007年，占全球總產(chǎn)量的5.2%。

　?。?）Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池

　　典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池為砷化鎵（GaAs）電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到30%以上，這是因為Ⅲ-Ⅴ族是具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，僅僅2um厚度，就可在AM1的輻射條件下吸光97%左右。在單晶硅基板上，以化學(xué)氣相沉積法成長GaAs薄膜所制成的薄膜太陽電池，因效率較高，應(yīng)用在太空。而新一代的GaAS多接面太陽電池，因可吸收光譜范圍高，所以轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到39%以上，是目前轉(zhuǎn)換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長。不過這種電池價格昂貴，平均每瓦價格可高出多晶硅太陽電池數(shù)十倍以上，因此不是民用主流。

　　因為具有直接能隙及高吸光系數(shù)，而且耐反射損傷性佳且對溫度變化不敏感，所以適合應(yīng)用在熱光伏特系統(tǒng)（thermophotovolaicsTRV）、聚光系統(tǒng)（concentratorsystem）及太空等三個主要領(lǐng)域。

　　從2007年8月開始，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶柲馨l(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。砷化鎵高效聚光電池在國外正在被證明是低成本規(guī)模建造太陽能電站的有效途徑。

　　（2）Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池

　?、?Ⅵ族化合物太陽電池包括碲化鎘薄膜電池和銅銦鎵硒薄膜電池。

　　碲化鎘電池具有直接能隙，能隙值為1.45eV，正好位于理想太陽電池的能隙范圍內(nèi)。此外，具有很高的吸光系數(shù)。成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。此外，可利用多種快速成膜技術(shù)制作，由于模組化生產(chǎn)容易，因此近年來商業(yè)性表現(xiàn)較佳，CdTe/glass已經(jīng)用于大面積屋頂材料。但鎘污染問題是發(fā)展該薄膜電池的一項隱患。不過美國和德國已經(jīng)推行CdTe太陽電池回收及再生機制，為市場注入正面力量。由于該電池制作過程耗時只有幾分鐘，易于快速批量生產(chǎn)，因此美國方面相當(dāng)看好市場前景。認(rèn)為未來可能超過非晶硅太陽電池占有量。

　　銅銦鎵硒吸光范圍非常廣，而且戶外環(huán)境下穩(wěn)定性相當(dāng)好。由于其具有高轉(zhuǎn)換效率和低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵胤N類之一。在轉(zhuǎn)換效率方面，若利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到30%左右，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試下最高也達(dá)到了19.5%水平，可以和單晶硅太陽電池媲美。除了適合用在大面積的地表用途外，Cu（InGa）Se2太陽電池也具有抗輻射損傷能力，所以也具有應(yīng)用在太空領(lǐng)域潛力。

　　太陽電池片

　　經(jīng)過30年發(fā)展，CIGS電池普及性仍然不高。小規(guī)模的量產(chǎn)階段并未明確看到它被世人期待的成本優(yōu)勢。因此，如何使得太陽電池量產(chǎn)技術(shù)成熟化大幅降低制造成本是未來努力的課題。另一個發(fā)展方向，是發(fā)展比較寬能隙（大于1.5eV）的CIGS技術(shù)，而不會造成效率損失。發(fā)展可以制造高品質(zhì)的CIGS薄膜低溫制造過程，也是降低制造成本的一個重點。在低材料成本及高模組效率的市場潛力吸引下，近年來，除了ShellSolar，WrthSolar，ShowaShell，ZSW等持續(xù)投入研發(fā)外，甚至本田也跟進(jìn)生產(chǎn)。CIGS太陽電池發(fā)展的隱患是In及Ga的蘊藏量有限，在其他半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)競相使用下，可能面臨目前硅材料不足的同樣問題。同時，制造工藝復(fù)雜，投資成本高，因而制約市場成長；CdS具有潛在毒性的缺點，因此限制了市場發(fā)展。

　　柔性襯底薄膜太陽電池

　　美國Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽電池領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，其單結(jié)非晶硅鍺電池實驗室初始效率達(dá)到了13%，他們的技術(shù)團(tuán)隊參與組建了MWOE和Xunlight公司，并在積極籌劃更大的產(chǎn)能。

　　日本在柔性襯底太陽電池的研究方面也走在世界前列。在日本，Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力從事柔性襯底非晶硅太陽電池的研制，已經(jīng)建成了多條兆瓦量級的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。

　　Sanyo公司最早在無人駕駛的太陽能飛機上采用了柔性襯底非晶太陽電池作為能源，完成了橫跨美洲大陸的飛行，顯示了柔性非晶薄膜太陽電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制備的非晶硅太陽電池目前已能生產(chǎn)面積為286cm2的組件，效率已達(dá)8.1%，小面積電池的效率已達(dá)11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩(wěn)定效率達(dá)到9%，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶硅電池的產(chǎn)量2006年達(dá)15MW。

　　歐盟則聯(lián)合其成員國的多個研究機構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動了''FLEXCELLENCE''項目，為期3年，目標(biāo)是開發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對卷生產(chǎn)的設(shè)備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產(chǎn)線，并希望將生產(chǎn)成本控制在每瓦0.5歐元。據(jù)2007年的報道，目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實驗室效率達(dá)到10.8%，VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。

　　我國的柔性襯底薄膜電池的研究進(jìn)展較慢。哈爾濱chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結(jié)薄膜電池，電池初始效率為4.63%，功率重量比為231.5W/kg，但此后進(jìn)展不大。近年來南開大學(xué)在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進(jìn)展，他們在0.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結(jié)薄膜電池的初始效率為4.84%，功率重量比為341W/kg。

　　柔性襯底電池的產(chǎn)業(yè)化方面，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，30MW生產(chǎn)線已經(jīng)開始了項目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，未來準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國外進(jìn)口，預(yù)計電池成本偏高?？偟膩碚f，國內(nèi)目前具備了非晶硅薄膜電池研制的技術(shù)基礎(chǔ)，但是在柔性襯底上的研究還處于剛剛起步的階段，和國外的差距較大。

　　太陽能用途

　　1.用戶太陽能電源

　　衛(wèi)星太陽電池板

　　太陽電池片

　　[1]小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；

　　[2]3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；

　　[3]光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

　　2.交通領(lǐng)域

　　如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

　　衛(wèi)星太陽電池板

　　太陽能路燈

　　3.通訊/通信領(lǐng)域

　　太陽能無人值守微波中繼站、衛(wèi)星、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。

　　4.石油、海洋、氣象領(lǐng)域

　　石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等

　　太陽能路燈

　　5.家庭燈具電源

　　如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

　　6

　　太陽電池服裝

　　.光伏電站

　　10KW-50MW獨立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

　　太陽電池服裝7.服裝

　　太陽能服裝、太空服等。

　　最新進(jìn)展

　　華南理工大學(xué)高分子光電材料與器件研究所研究團(tuán)隊，在其首創(chuàng)并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水/醇溶性聚合物太陽電池界面調(diào)控材料與技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過協(xié)同創(chuàng)新，利用一種倒置結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.214%的聚合物太陽電池，刷新了單結(jié)聚合物異質(zhì)結(jié)太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率的世界最好水平。該項成果也于近日入選2012年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

　　該成果由國家杰出青年科學(xué)基金獲得者吳宏濱教授和中國科學(xué)院院士曹鏞教授所在的高分子光電材料與器件研究團(tuán)隊完成，他們發(fā)明的一種高效、新穎的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽電池，實現(xiàn)了9.214%的能量轉(zhuǎn)換效率，這一效率得到國家光伏質(zhì)檢中心的獨立認(rèn)證。研究成果在國際著名學(xué)術(shù)雜志《NaturePho？tonics》(《自然光子學(xué)》)上發(fā)表，并被該期雜志選為研究亮點。