太陽能電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

趙書利 葉烽 朱剛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司712研究所，武漢430064）

1 引言

太陽能電池，是一種能有效地吸收太陽輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，由于他們利用各種勢(shì)壘的光生伏特效應(yīng)，所以也稱為光伏電池，其核心是可釋放電子的半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體材料是硅。地殼硅儲(chǔ)量豐富，可以說是取之不盡、用之不竭。

當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽光子的激發(fā)，通過光輻射獲取到超過禁帶寬度 Eg的能量，脫離共價(jià)健的束縛從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子空穴對(duì)。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于太陽能電池能量自動(dòng)損耗部分。光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)動(dòng)到P—N結(jié)區(qū)，通過P—N結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對(duì)方區(qū)域，對(duì)外形成與P—N 結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當(dāng)把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會(huì)在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。

制造太陽能電池的半導(dǎo)體材料有合適禁帶寬度非常重要。不同禁帶寬度的半導(dǎo)體，只能吸取一部分波長(zhǎng)的太陽光輻射能以產(chǎn)生電子空穴對(duì)，禁帶寬度越小，所吸收的太陽光譜的可利用部分就越大，而同時(shí)在太陽光譜峰值附近被浪費(fèi)的能量也就越大?？梢姡挥羞x擇具有合適禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，才能更有效地利用太陽光譜。由于直接遷移型半導(dǎo)體的光吸收效率比間接遷移型高，故最好是直接遷移型半導(dǎo)體[1～3]。

2 太陽能電池技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）燃料免費(fèi)；

2）沒有磨損、毀壞或需替換的活動(dòng)部件；

3）保持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)僅需很少的維護(hù)；

4） 系統(tǒng)為組件，可以在任何地方快速地安裝；

5）無噪聲、無有害排放和污染氣體[2]。

3 太陽能電池發(fā)展的意義

1) 保護(hù)氣候；

2) 改善環(huán)境；

3) 節(jié)省空間；

4) 增加就業(yè)；

5) 為農(nóng)村提供電力；

6) 大力推進(jìn)普及電力服務(wù)，為無電人口提供電力；

7) 中國(guó)是最大的發(fā)展中國(guó)家，發(fā)展經(jīng)濟(jì)需要太陽能電池保障能源供給[2]。

4 太陽能電池技術(shù)分類

根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：

1) 硅系太陽能電池；

2) 以無機(jī)鹽如砷化鎵Ⅲ 一V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化臺(tái)物為材料的電池；

3) 納米晶太陽能電池等；

4) 有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池。

不論以何種材料來制作電池，對(duì)太陽能電池材料一般的要求有：

1) 導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；

2) 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；

3) 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；

4) 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。

基于以上幾個(gè)方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以其它材料為基礎(chǔ)的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

5 各類太陽能電池簡(jiǎn)介

1) 硅太陽能電池

晶體硅太陽電池分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池，其中單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。自1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了具備 6%光電效率的電池后，隨著集成電路的發(fā)展，借助于電子級(jí)單晶硅材料制備工藝技術(shù)的成熟，單晶硅太陽電池發(fā)展很快，一直是市場(chǎng)的主角。在電池制作中，一般都要采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，目前開發(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)換效率主要靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。

多晶硅光伏電池比單晶硅光伏電池的材料成本低，是世界各國(guó)競(jìng)相開發(fā)的重點(diǎn)，它的研究熱點(diǎn)包括：開發(fā)太陽級(jí)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)、開發(fā)快速摻雜和表面處理技術(shù)、提高硅片質(zhì)量、研究連續(xù)和快速的布線工藝、多晶硅電池表面織構(gòu)化技術(shù)和薄片化、高效化電池工藝技術(shù)等，以進(jìn)一步降低成本。

2) 以無機(jī)鹽如砷化鎵等Ⅲ 一V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池。

為了尋找單晶硅電池的替代品，人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵等Ⅲ一V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。上述電池中，盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，容易產(chǎn)生環(huán)境污染問題，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代品。

砷化鎵等Ⅲ一V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率而受到人們的普遍重視。CaAs屬于Ⅲ 一V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4 e V，正好為高吸收率太陽光的值，是很理想的電池材料。CaAs等Ⅲ 一V化合物薄膜電池的制備主要采用 M0VPE和 LPE技術(shù)，其中M0VPE方法制備CaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反應(yīng)壓力、Ⅲ 一 V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。除CaAs外，其它Ⅲ 一V化合物如GaSb、GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的 CaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為 24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備CaAs／GaSb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，CaAs作為上電池，下電池用的是GaSb，所得到的電池效率達(dá)到31.1%。

銅銦硒CuInSe 簡(jiǎn)稱CIS，CIS材料的能隙為1.1 e V，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題 因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。[4,5]

3) 納米晶太陽能電池

納米 TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的 1/5～1/10，壽命能達(dá)到 20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。

4) 有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池

以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究?jī)H僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索[6]。

5) 硅薄膜電池

薄膜光伏電池, 其薄膜厚度一般在2～3 μm。其中包括硅薄膜型(主要包括多晶硅、非晶硅和微晶硅)、化合物半導(dǎo)體薄膜型(主要包括非結(jié)晶型(a2Si： H , a2Si： H： F , a2Six2Gel - x： H 等)、III - V族( GaAs, InP等)、II -V I族(Cds系)和磷化鋅( Zn3 P2 )等)、新材料薄膜型電池(主要包括聚合物薄膜太陽能電池和染料敏化太陽能電池。)

多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。

6 各種太陽能電池技術(shù)比較

如表1，列出了主要的太陽能電池技術(shù)比較。

表1 各種太陽能電池技術(shù)比較

7 太陽能電池技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)

至今，太陽能電池已經(jīng)發(fā)展到了第2代。第1代太陽能電池包括單晶硅和多晶硅 2種, 工業(yè)化產(chǎn)品效率一般為 13% ～15%, 目前可工業(yè)化生產(chǎn)、可獲得利潤(rùn)的太陽能電池就是指第1代電池。但是由于生產(chǎn)工藝等因素使得該類型的電池生產(chǎn)成本較高。第2代太陽能電池是薄膜太陽能電池, 其成本低于第 1代, 可大幅度增加電池板制造面積, 但是效率不如第 1代，國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在火熱進(jìn)行第2代產(chǎn)品的投資。在將來的第3代太陽能電池應(yīng)該具有上兩代的綜合特征： 薄膜化、高效率、原材料豐富和無毒性。可望實(shí)現(xiàn)的第3代電池效率的途徑包括； 疊層電池、多帶光伏電池、碰撞離化、光子下轉(zhuǎn)換、熱載流子電池、熱離化、熱光伏電池等[7]。從表 1中列出的實(shí)用化太陽能電池產(chǎn)品中可以大體看出，單晶硅、多晶硅技術(shù)成熟、光電效率轉(zhuǎn)化效率高，但由于成本高，人們致力于價(jià)格低廉的多晶硅、非晶硅薄膜電池的開發(fā)以及砷化鎵等Ⅲ一V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等其他材料太陽能電池的開發(fā)。從技術(shù)成本上看，有希望發(fā)展成與單晶硅、多晶硅太陽能電池相抗衡的是沒有污染、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好的多晶硅薄膜電池和沒有光電效率衰退效應(yīng)、轉(zhuǎn)換率較高、穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單的CIS電池。CIS電池的缺點(diǎn)是使用的銦和硒元素稀缺，發(fā)展會(huì)受到資源的限制。

[1]李衛(wèi)民. 聚合物太陽能電池激勵(lì)及實(shí)驗(yàn)研究. 華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文.

[2]李俊峰, 王斯成, 張敏吉等. 中國(guó)光伏發(fā)展報(bào)告.2007.

[3]范永杰, 於黃忠, 林文健. 太陽能電池的原理及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展. 中國(guó)材料科技與設(shè)備，2008( 2)：16-19.

[4]N. B. Chaure, J. Young, A. P. Samantilleke, et al.Electro-deposition of p-i-n CuInSe2 Multi-layers Forphotovoltaic Applications [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004,81：125-133.

[5]Deb S K. Recent Development in High Efficiency PV Cells[J].Renewable Energy, 1998,15(1/4)：467-472.

[6]Frederik C. Krebs. Fabrication and Processing of Polymer Solar Cells： A Review of Printing and Coating Techniques. [J]Solar Energy Materials and Solar Cells：93(2009)394-413.

[7]成志秀，王曉麗. 太陽能光伏電池綜述. 信息記錄材料，2007(2)：41-47.