簡(jiǎn)介
【詞語(yǔ)】:太陽(yáng)電池
【注音】:tàiyángdiànchí
【英文】:solarcell
【釋義】:用半導(dǎo)體硅﹑硒等材料將太陽(yáng)的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長(zhǎng)﹐無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)﹐可做人造衛(wèi)星﹑航標(biāo)燈﹑晶體管收音機(jī)等的電源。
太陽(yáng)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(yáng)電池最初為空間航天器使用,空間航天器用單晶硅太陽(yáng)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(ài)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(shí)際已達(dá)到15%以上。
單晶砷化鎵太陽(yáng)電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為24%,實(shí)際達(dá)到18%。它能在高溫、高光強(qiáng)下工作,耐輻射損傷能力高于硅太陽(yáng)電池,但鎵的產(chǎn)量較少,成本高。級(jí)聯(lián)p-n結(jié)太陽(yáng)電池是在一塊襯底上疊加多個(gè)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(zhǎng)逐漸增長(zhǎng),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(yáng)電池的性能,可以采取淺結(jié)、密柵、背電場(chǎng)、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(yáng)電池陣的焊接點(diǎn),提高可靠性。
發(fā)展歷史
太陽(yáng)電池發(fā)展歷史可以追溯到1839年,當(dāng)時(shí)的法國(guó)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(gè)硒制太陽(yáng)電池才由美國(guó)科學(xué)家CharlesFritts所制造出來(lái)。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(duì)光線敏感的儀器上,例如光度計(jì)及照相機(jī)的曝光針上。
中國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)電池
而現(xiàn)代化的硅制太陽(yáng)電池則直到1946年由一個(gè)半導(dǎo)體研究學(xué)者RussellOhl開(kāi)發(fā)出來(lái)。接著在1954年,科學(xué)家將硅制太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率提高到6%左右。隨后,太陽(yáng)電池應(yīng)用于人造衛(wèi)星。1973年能源危機(jī)之后,人類(lèi)開(kāi)始將太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)向民用。最早應(yīng)用于計(jì)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(yáng)電池表面的硅結(jié)晶面,蝕刻出許多類(lèi)似金字塔的特殊幾何形狀。有效降低太陽(yáng)光從電池表面反射損失,這使得當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)電池能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%。
1976年以后,如何降低太陽(yáng)電池成本成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的重點(diǎn)。1990年以后,電池成本降低使得太陽(yáng)電池進(jìn)入民間發(fā)電領(lǐng)域,太陽(yáng)電池開(kāi)始應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電。
分類(lèi)
分類(lèi)太陽(yáng)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(lái)區(qū)分,太陽(yáng)電池可分為以下幾個(gè)階段:
第一代太陽(yáng)電池:晶體硅電池;
第二代太陽(yáng)電池:各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池(a-Si)、碲化鎘太陽(yáng)電池(CdTe)、銅銦鎵硒太陽(yáng)電池(CIGS)、砷化鎵太陽(yáng)電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽(yáng)電池等;
第三代太陽(yáng)電池:各種超疊層太陽(yáng)電池、熱光伏電池(TPV)、量子阱及量子點(diǎn)超晶格太陽(yáng)電池、中間帶太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、下轉(zhuǎn)換太陽(yáng)電池、熱載流子太陽(yáng)電池、碰撞離化太陽(yáng)電池等新概念太陽(yáng)電池。
按電池結(jié)構(gòu)劃分,太陽(yáng)電池可分為晶體硅太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池。
按照使用的基本材料不同,太陽(yáng)電池可分為硅太陽(yáng)電池、化合物太陽(yáng)電池、染料敏化電池和有機(jī)薄膜電池幾種。
發(fā)展情況
硅基太陽(yáng)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(yáng)電池中,多晶硅和單晶硅太陽(yáng)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。
單晶太陽(yáng)電池板
單晶太陽(yáng)電池板硅系列太陽(yáng)能電池中,單晶硅大陽(yáng)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(kāi)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(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)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(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%,國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)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(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。
?。?)多晶硅太陽(yáng)電池
多晶硅太陽(yáng)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(chǎng),是現(xiàn)在太陽(yáng)電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。多晶硅太陽(yáng)電池已經(jīng)成為全球太陽(yáng)電池占有率最高的主流技術(shù)。但多晶硅太陽(yáng)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。
?。?)非晶硅太陽(yáng)電池
非晶硅的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)于可見(jiàn)光譜的吸光能力很強(qiáng)(比結(jié)晶硅強(qiáng)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(yáng)電池成為可能。主要缺點(diǎn)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(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減,使電池性能不穩(wěn)定)。因此在太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力,而多用于功率小的小分型電子產(chǎn)品市場(chǎng)。如電子計(jì)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(yáng)電池材料,當(dāng)年非晶硅太陽(yáng)電池出現(xiàn),曾引起大量投入。從1985到1990年初,非晶硅太陽(yáng)電池的比例曾創(chuàng)下全球太陽(yáng)電池總量三分之一,但之后卻因?yàn)榉€(wěn)定性不佳問(wèn)題未能獲得有效改善,使得產(chǎn)量下滑。
薄膜太陽(yáng)電池
依據(jù)材料種類(lèi)不同,薄膜電池可細(xì)分為:微晶硅薄膜硅太陽(yáng)電池(ThinFilmCrystallineSiliconSolarCell,簡(jiǎn)稱(chēng)c-Si);非晶硅薄膜太陽(yáng)電池(ThinFilmAmorphousSiliconSolarCell,簡(jiǎn)稱(chēng)a-Si)、Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽(yáng)電池(碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅)、Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池
典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽(yáng)電池為砷化鎵(GaAs)電池,轉(zhuǎn)換率達(dá)到30%以上,這是因?yàn)棰?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(zhǎng)GaAs薄膜所制成的薄膜太陽(yáng)電池,因效率較高,應(yīng)用在太空。而新一代的GaAS多接面太陽(yáng)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(yáng)電池種類(lèi)。而且性能穩(wěn)定,壽命也相當(dāng)長(zhǎng)。不過(guò)這種電池價(jià)格昂貴,平均每瓦價(jià)格可高出多晶硅太陽(yáng)電池?cái)?shù)十倍以上,因此不是民用主流。
因?yàn)榫哂兄苯幽芟都案呶庀禂?shù),而且耐反射損傷性佳且對(duì)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(gè)主要領(lǐng)域。
從2007年8月開(kāi)始,砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶?yáng)能發(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。砷化鎵高效聚光電池在國(guó)外正在被證明是低成本規(guī)模建造太陽(yáng)能電站的有效途徑。
?。?)Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽(yáng)電池
?、?Ⅵ族化合物太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)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(wèn)題是發(fā)展該薄膜電池的一項(xiàng)隱患。不過(guò)美國(guó)和德國(guó)已經(jīng)推行CdTe太陽(yáng)電池回收及再生機(jī)制,為市場(chǎng)注入正面力量。由于該電池制作過(guò)程耗時(shí)只有幾分鐘,易于快速批量生產(chǎn),因此美國(guó)方面相當(dāng)看好市場(chǎng)前景。認(rèn)為未來(lái)可能超過(guò)非晶硅太陽(yáng)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(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵胤N類(lèi)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(cè)試下最高也達(dá)到了19.5%水平,可以和單晶硅太陽(yáng)電池媲美。除了適合用在大面積的地表用途外,Cu(InGa)Se2太陽(yáng)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(yáng)電池片
經(jīng)過(guò)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(shì)。因此,如何使得太陽(yáng)電池量產(chǎn)技術(shù)成熟化大幅降低制造成本是未來(lái)努力的課題。另一個(gè)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(huì)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(guò)程,也是降低制造成本的一個(gè)重點(diǎn)。在低材料成本及高模組效率的市場(chǎng)潛力吸引下,近年來(lái),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(yáng)電池發(fā)展的隱患是In及Ga的蘊(yùn)藏量有限,在其他半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)競(jìng)相使用下,可能面臨目前硅材料不足的同樣問(wèn)題。同時(shí),制造工藝復(fù)雜,投資成本高,因而制約市場(chǎng)成長(zhǎng);CdS具有潛在毒性的缺點(diǎn),因此限制了市場(chǎng)發(fā)展。
柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池
美國(guó)Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室初始效率達(dá)到了13%,他們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(yáng)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(yáng)電池的研制,已經(jīng)建成了多條兆瓦量級(jí)的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。
Sanyo公司最早在無(wú)人駕駛的太陽(yáng)能飛機(jī)上采用了柔性襯底非晶太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guó)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開(kāi)展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān),目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動(dòng)了''FLEXCELLENCE''項(xiàng)目,為期3年,目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對(duì)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(bào)道,目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10.8%,VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。
我國(guó)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(lái)南開(kāi)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?cè)?.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(kāi)始了項(xiàng)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(lái)準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國(guó)外進(jìn)口,預(yù)計(jì)電池成本偏高。總的來(lái)說(shuō),國(guó)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(guó)外的差距較大。
太陽(yáng)能用途
1.用戶太陽(yáng)能電源
衛(wèi)星太陽(yáng)電池板
太陽(yáng)電池片
[1]小型電源10-100W不等,用于邊遠(yuǎn)無(wú)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(jī)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(wú)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(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。
衛(wèi)星太陽(yáng)電池板
3.通訊/通信領(lǐng)域
太陽(yáng)能無(wú)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(jī)、士兵GPS供電等。
4.石油、海洋、氣象領(lǐng)域
石油管道和水庫(kù)閘門(mén)陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等
太陽(yáng)能路燈
5.家庭燈具電源
如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。
6
太陽(yáng)電池服裝
.光伏電站
10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光(柴)互補(bǔ)電站、各種大型停車(chē)廠充電站等。
太陽(yáng)電池服裝7.服裝
太陽(yáng)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(duì),在其首創(chuàng)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水/醇溶性聚合物太陽(yáng)電池界面調(diào)控材料與技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)協(xié)同創(chuàng)新,利用一種倒置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.214%的聚合物太陽(yáng)電池,刷新了單結(jié)聚合物異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率的世界最好水平。該項(xiàng)成果也于近日入選2012年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。
該成果由國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者吳宏濱教授和中國(guó)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(duì)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(yáng)電池,實(shí)現(xiàn)了9.214%的能量轉(zhuǎn)換效率,這一效率得到國(guó)家光伏質(zhì)檢中心的獨(dú)立認(rèn)證。研究成果在國(guó)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(diǎn)。
內(nèi)容來(lái)自百科網(wǎng)