淺談太陽能電池的發(fā)展和趨勢

王玉娟

摘 要：隨著全球一次性能源緊缺的趨勢越來越嚴(yán)峻，開發(fā)和利用清潔能源以及二次能源已經(jīng)成為世界各行業(yè)研究的重點(diǎn)課題。太陽能電池是可以將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，在目前溫室效應(yīng)愈演愈烈的環(huán)境下可以為資源進(jìn)行一定數(shù)量的補(bǔ)充，文章將會(huì)對太陽能電池的應(yīng)用以及發(fā)展趨勢做出分析，為我國電力資源的供應(yīng)奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能電池發(fā)展；趨勢

1 太陽能電池的發(fā)展

1.1第一代太陽能電池

第一代太陽能電池是發(fā)展時(shí)間最久，制備工藝最為成熟的一代電池，一般按照研究對象我們將其可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅電池。按照應(yīng)用程度來說前兩者單晶硅與多晶硅在市場所占份額最多，商業(yè)前景最好。

單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。從單晶硅太陽能電池發(fā)明開始到現(xiàn)在，盡管硅材料有各種問題，但仍然是目前太陽能電池的主要材料，其比例約占整個(gè)太陽電池產(chǎn)量的90%以上。我國北京市太陽能研究所從20世紀(jì)90年代起開始進(jìn)行高效電池研究，采用倒金字塔表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、背場等技術(shù)，使單晶硅太陽能電池的效率達(dá)到了19.8%。多晶硅太陽能電池的研究開發(fā)成本較低，穩(wěn)定性也比較好，這兩大優(yōu)勢引起了科研工作者的注意。其光電轉(zhuǎn)換效率隨著制備工藝的成熟不斷提高，它達(dá)到的最高的光電轉(zhuǎn)換效率為21.9%，但是它的電池效率在目前的太陽能電池中仍處于一般水平。

1.2第二代太陽能電池

第二代太陽能電池以各種薄膜為基底制造出的電池。膜技術(shù)所需的材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池。我國南開大學(xué)于20世紀(jì)80年代末開始研究銅銦硒薄膜電池，目前在該研究領(lǐng)域處國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)地位。其制備的銅銦硒太陽電池的效率已經(jīng)超過12%。銅銦硒薄膜太陽電池的試生產(chǎn)線亦已建成。我國在染料敏化納米薄膜太陽電池的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都與世界研究水平相接近。在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都取得與世界相接近的科研水平，在該領(lǐng)域其有一定的影響。其唯一的問題是材料的來源，電池中的一些元素如銦、鎵等屬于稀有元素，導(dǎo)致了這種電池價(jià)格昂貴，從而限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。但是鎘的劇毒性讓人們對它望而卻步，進(jìn)而制約了以CdS和CdTe等為材料的電池的發(fā)展。GaAs、InGaAs、CIGS、InGaAs等電池具有較高的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。其唯一的問題是材料的來源，電池中的一些元素如銦、鎵等屬于稀有元素，導(dǎo)致了這種電池價(jià)格昂貴，從而限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

1.3第三代太陽能電池

第三代太陽電池必須具有以下條件：薄膜化，轉(zhuǎn)換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還在進(jìn)行概念和簡單的試驗(yàn)研究。已經(jīng)提出的第三代太陽電池主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電等。雖然太陽能電池材料的研究已到了第三個(gè)階段，但是在工藝技術(shù)的成熟程度和制造成本上，都不能和常規(guī)的硅太陽能電池相提并論。硅太陽能電池的制造成本經(jīng)過幾十年的努力終于有了大幅度的降低，但是與常規(guī)能源相比，仍然比較昂貴，這又限制了它的進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。鑒于此點(diǎn)，開發(fā)低成本，高效率的太陽能電池材料仍然有很長的路要走。在制備過程中加入了有機(jī)物和實(shí)施了納米技術(shù)，為了進(jìn)一步改善前兩代電池存在問題，使電池的光電性能及轉(zhuǎn)換效率得到提高，近些年各國科學(xué)界將研究重點(diǎn)放到了疊層式薄膜太陽能電池的研究。由于在研發(fā)試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出比前兩代電池具有更強(qiáng)的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。目前已知電池種類有光化學(xué)太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、納米晶太陽能電池。其中有機(jī)物和無機(jī)物的優(yōu)勢結(jié)合在一起就形成了有機(jī)/無機(jī)雜化太陽能電池。電子傳輸層一般是用TiO2作為基底材料，這種無空穴傳輸層的電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性相比之前幾代都有所提高。有機(jī)太陽能電池是近些年來發(fā)展起來的一種新的太陽能電池但由于其載流子遷移率低的不足，使得有機(jī)聚合物太陽能電池短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化很難。

2 太陽能電池的發(fā)展趨勢

至今，國際上的太陽能電池已經(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，工化產(chǎn)品效率一般為百分之十五以內(nèi)，目前可工業(yè)化生產(chǎn)可獲得利潤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。國際國內(nèi)市場正在火熱進(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：為薄膜化、高效率、原材料豐富和無毒性?？赏麑?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。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、工藝簡單的CIS電池。

國際上在目前對太陽能電池材料硅化物的綜合利用主要有兩個(gè)發(fā)展趨勢，一方面是以四氯化硅為原料生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品如白碳黑、有機(jī)硅、硅酸乙酯、光纖預(yù)制棒等；另一方向是氫化還原為三氯化硅對四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用。太陽能電池的主要組成部件多晶硅的生產(chǎn)提純過程耗電量非常大，加上其他部件生成過程的能耗，其生產(chǎn)過程超過了現(xiàn)有社會(huì)條件所能接受的范圍。因此，降低精餾提純?nèi)葰涔柽^程的能耗對提高中國企業(yè)競爭力具有重要意義。

3 結(jié)語

為了降低環(huán)境污染以及能源消耗的危機(jī)，各個(gè)國家和行業(yè)都在開展太陽能電池的開發(fā)和研制工作，其中以硅基太陽能電池為主，但是也有很多的材料可以將其高昂的價(jià)格進(jìn)行取代，因此研究部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)太陽能電池材料的研究工作，為降低我國能源消耗數(shù)量做出貢獻(xiàn)。

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（作者單位：英利能源（中國）有限公司）