關(guān)于太陽能光電技術(shù)的新材料、新技術(shù)的探究

童晨 王成 舒劍

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山 245099）

關(guān)于太陽能光電技術(shù)的新材料、新技術(shù)的探究

童晨 王成 舒劍

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山 245099）

在跨入新千年之際，人類將面臨實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出，因此，人類要解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能作為新能源，具有諸多優(yōu)點。本文則是對太陽能光電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及其原理和發(fā)展前景，和其光電技術(shù)的新材料，新技術(shù)進行了探究。

太陽能光電技術(shù) 新材料 新技術(shù)

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求也越來越大。而人類所利用的一次性能源主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。這些化石能源是數(shù)萬年前太陽能輻射到地球儲存到生物里，歷經(jīng)萬年的演變而形成的。這些化石能源是不可再生的，經(jīng)過人類數(shù)千年的消耗，其儲存量所剩不多了。而然隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科技的進步，人類生活水平的提高，人類對能源的需求量將會增加?？傆幸惶旎茉磿蝗祟愊耐辏S其產(chǎn)生的環(huán)境污染也是人類所面對的又一重大問題。所以人類，正面臨實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

作為可再生能源核心的太陽能，其具有能量大、易獲取、不枯竭、清潔低碳等特點，且來源廣泛、使用方便、無污染等優(yōu)點，在航空、航天、通訊及微功耗電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。自太陽能被問世以來，受到各國的研究，因其優(yōu)點眾多，所以其在各個領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，而太陽所輻射出的大部分是光能（高能光子），這種光能可以用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電能，因而本文對太陽能光電轉(zhuǎn)換這一技術(shù)進行探究。

2 太陽能光電池基本原理及其結(jié)構(gòu)

圖1 太陽能電池結(jié)構(gòu)

2.1 太陽能光電轉(zhuǎn)換的新技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，人類的進步，各行業(yè)對領(lǐng)域?qū)茉吹倪^度消耗，導致全球能源枯竭，而太陽能作為可再生能源的核心，被人們重視起來，其中最為突出的太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，被廣泛研究。太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)即使把太陽能中的光能轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)在最為廣泛使用的就是太陽能電池。太陽能電池是太陽能光伏的基礎(chǔ)和核心，其結(jié)構(gòu)如下圖1。

它利用半導體材料P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)，當太陽能照射到PN結(jié)時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)就會發(fā)生變化，形成新的空穴-電子對，在P-N結(jié)的兩邊產(chǎn)生電動勢，在P-N結(jié)的作用下空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就行成電流，這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。這一類太陽能電池一般由晶體硅構(gòu)成，一般把晶體硅電池稱為第一代，薄膜太陽能電池則是第二代的太陽能電池它是由在廉價的玻璃，不銹鋼或塑料底上附上厚度只有幾微米的感光材料制成。硅基薄膜太陽能電池代表了太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。新技術(shù)是采用射頻等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)制備非晶硅頂電池，采用高頻等離子體增強化學氣想沉積技術(shù)制備微晶硅底電池。薄膜太陽能電池主要有硅基薄膜太陽能電池，非硅基薄膜太陽能電池（尤其是銅銦鎵硒薄膜），有機太陽能電池和染料敏華太陽能電池等形式和品種。其中多晶硅薄膜材料具有單晶硅材料的高遷移率及非晶硅材料的大面積，低成本制備的優(yōu)點，目前制備多晶硅薄膜的方法有：（1）低壓化學氣相沉積，（2）固相晶化，（3）準分子激光晶體化，（4）快速熱退火等。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有成本低污染小，不衰退，弱光性能好等特點，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首接近于晶體硅太陽能電池，而成本只是它的1/3.其新技術(shù)是太陽能電池的內(nèi)側(cè)電極層形成之前，先使穩(wěn)定的化合物-硅酸鹽玻璃在基板上形成薄層，通過控制這一薄層形成的條件，來控制透過內(nèi)側(cè)電極層到達其上方的光吸收層的堿性物質(zhì)的數(shù)量。使用表面光滑的陶瓷作為基板，再加上新技術(shù)，原理如圖2：

圖2 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池原理圖

圖3 太陽能電池原理圖

有機薄膜太陽能電池則是采用低成本印刷和涂覆技術(shù)，可將活性材料負載自輕量哈柔性基質(zhì)上。多層設(shè)置相當于兩個電池串聯(lián)。其原理圖如圖3：

太陽能電池作為太陽能中最為核心的技術(shù)，被越來越多的機構(gòu)所研究，而太陽能光電技術(shù)則被運用的越來愈廣泛，如太陽能聚光熱發(fā)電（CSP），混合式太陽能/氣體透平發(fā)電站，隨其的發(fā)展提高太陽能的光電轉(zhuǎn)換率則越來越被重視。如今的新技術(shù)有太陽能跟蹤器，增加太陽能電池的面積，改變光伏方陣傾角，改變其轉(zhuǎn)換器件的材料。

2.2 太陽能光電轉(zhuǎn)換的新材料

作為太陽能光電轉(zhuǎn)換的材料一般都是晶體硅為基礎(chǔ)的，晶體硅主要包括多晶硅和單晶硅，多晶硅又是加工單晶硅的原料。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球?qū)Χ嗑Ч璧男枨罂焖僭鲩L市場供不應(yīng)求，價格也隨之上漲。人們開始研究如何降低成本，道康寧公司稱其名為PV1101的太陽能級硅材料可以減少太陽能產(chǎn)業(yè)對多晶硅的依賴。比如說10t的多晶硅原料可以混合2t左右的PV1101硅材料可以形成12t左右的太陽能用硅原料。而日本智索公司的SOG-SI技術(shù)基于四氯化硅，用鋅還原反應(yīng)生產(chǎn)多晶硅。美國的1366技術(shù)公司則是使硅電池機構(gòu)的創(chuàng)新與制造工藝的改進組合在一起，一百年使多硅晶太陽能電池在成本課余煤炭發(fā)電相當。1366技術(shù)公司改進電池表面結(jié)構(gòu)與金屬導體化，使硅太陽能電池效率提高25%。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所新開發(fā)出的一種高性能色素增感型太陽能電池，所謂色素增感型太陽能電池，是指在玻璃基板或塑料基板上的兩片透明電極的基板之間加入色素和電解液的電池。近年來新興薄膜太陽能電池也是一種新材料太陽能電池，目前薄膜光伏模塊使用的材料，如無定形硅（a-SI）、碲化鎘（CdTe）、硒化銅銦鎵（CIGS），該薄膜有助于降低成本，有通用性好的優(yōu)點。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)先進，太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)所用的材料將會變得越來越普遍，越來越廉價。

3 前景展望

隨著新材料和新技術(shù)的引入，太陽能電池的應(yīng)用將更加廣泛。具體變現(xiàn)有：太陽能電池的低轉(zhuǎn)化率的問題會因為新材料和新的加工工藝兒得到大大改善，就常規(guī)工藝而言，擴散工序高方阻，背腐蝕工序背場剖光，絲印工序采用新型網(wǎng)版與擴散工序匹配，采用一些高效材料比如PV17A等等。對于非常規(guī)工藝，RIE制絨，SE技術(shù)，MWT，Double Printing技術(shù)等等，總之，染料敏化納米二氧化鈦薄膜太陽能電池具有低成本、高效率等眾多優(yōu)點，雖然日前還存在一些問題，但我們相信，在不久的將來，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，這種太陽能電池將會有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

［1］高援朝，沙永玲，王建新.Solar Thermal Technology and Construction.人民郵電出版社.

［2］錢伯章.太陽能技術(shù)與應(yīng)用.科學出版社，2010-8.

［3］日本太陽能學會.太陽能利用新技術(shù).科學出版社，2009-3.

［4］Majid Ghassemi、Alma Cota，SOLAR ENERGY Renewable Energy and the Enviroment，人民郵電出版社2010-7.

［5］吳金星.能源工程概論.機械工業(yè)出版社，2014-5.

［6］Zekai Sen.Solar Energy Fundamentals and Modeling Techniques：Atmosphere，Environment，Climate Change and Renewable Energy.電子工業(yè)出版社，2013-1.

［7］呂勇軍，鞠振河.太陽能應(yīng)用檢測與控制技術(shù).人民郵電出版社，2013-8.

［8］Eduardo F.Camacho、Manuel Berenguel、francisco R.Rubio、Diego Martinez，CONTROL OF SOLAR ENERGY SYSTEMS，科學出版社2013-9.

［9］homas E.Kissell ，Introduction to Solar Principle.機械工業(yè)出版社，2014-1.