淺談太陽能電池的發(fā)展和趨勢(shì)

1、    淺談太陽能電池的發(fā)展和趨勢(shì)    葉鑫（長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 湖北荊州 434020）摘要：隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，能源是影響當(dāng)今社會(huì)進(jìn)步的重要因素，但是現(xiàn)階段人類社會(huì)發(fā)展大部分還是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布極不均衡，并且不可再生，而且燃燒化石能源帶來的環(huán)境污染、霧霾氣候和溫室效應(yīng)嚴(yán)重影響到了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而太陽能是一種可再生清潔能源，可以提供充足的能量供人類使用，因此開發(fā)新能源，是人類社會(huì)薪火相傳，世代相傳的重要保證。相對(duì)于風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能和潮汐能等新能源，太陽能以污染小、可利用率高、資源分布廣泛和使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)

2、，成為最具有發(fā)展前景的能源之一。目前，隨著太陽能電池制備技術(shù)的不斷完善，其技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)走向商業(yè)化、大眾化，特別是一些小功率、小器件的太陽能電池在一些地區(qū)都已經(jīng)大量生產(chǎn)而且廣泛使用。所以誰先開發(fā)光電轉(zhuǎn)換效率高、制備成本低的太陽能電池就能在將來的市場(chǎng)搶占先機(jī)。關(guān)鍵詞：太陽能；薄膜電池；趨勢(shì)不可再生能源的過快消耗對(duì)當(dāng)今的環(huán)境形勢(shì)提出了新的挑戰(zhàn)。例如如何解決溫室效應(yīng)，臭氧空洞等問題。有限的化石能源以及在開發(fā)利用不可再生能源的過程中出現(xiàn)的負(fù)面影響，不僅阻礙了人類經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，而且還嚴(yán)重影響到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，發(fā)展一種新型能源已然成為世界各國提升自己綜合國力和倡導(dǎo)能源發(fā)展的一個(gè)重要手段。一、

3、太陽能電池的發(fā)展（一）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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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

4、優(yōu)勢(shì)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。（二）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

5、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(duì)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。（三）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

6、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

7、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(shì)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(shì)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。二、 太陽能電池的未來發(fā)展趨勢(shì)薄膜電池需要技術(shù)突破。無錫尚德在薄膜太陽能領(lǐng)域的知難而退，在某些業(yè)內(nèi)人士看來，并非意味著薄膜電池已經(jīng)沒有出路，只

8、是無錫尚德更好發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)下的市場(chǎng)化選擇。業(yè)內(nèi)人士表示，美國第一太陽能的薄膜電池產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化率達(dá)到11%-12%。無錫尚德相比差距較大，故而作出關(guān)停薄膜電池生產(chǎn)線的選擇也在情理之中。由于在建設(shè)荒漠電站中，薄膜電池弱光響應(yīng)較好的技術(shù)特點(diǎn)，在國內(nèi)，也不乏將薄膜太陽能電池作為進(jìn)軍光伏產(chǎn)業(yè)突破口的上市公司。其中，綜藝股份旗下的江蘇綜藝光伏有限公司首條26mw薄膜太陽能電池生產(chǎn)線已于2009年底正式投產(chǎn)。公司可以為市場(chǎng)提供初始效率達(dá)到8.8%、穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7%以上的非晶硅薄膜太陽能電池。公司的非晶硅薄膜項(xiàng)目，由于采用普通玻璃，使用自鍍導(dǎo)電膜等工藝，使其較同行有一定成本優(yōu)勢(shì)。有機(jī)薄膜太陽能電池使用

9、塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板，因此，它的實(shí)用化程度極高。研究人員表示，通過進(jìn)一步研究，希望能開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)20%、可投入實(shí)際使用的有機(jī)薄膜太陽能電池。由此可見，未來5年內(nèi)薄膜太陽能電池將會(huì)大幅降低成本，到時(shí)候這種薄膜太陽能電池將廣泛用于各個(gè)行業(yè)，例如窗簾、手表、計(jì)算器、甚至服裝行業(yè)。科學(xué)家就發(fā)明了一種太陽能電池，這種電池比頭發(fā)還要細(xì)。因?yàn)槠渌褂玫陌雽?dǎo)體原料遠(yuǎn)較一般太陽能電池為少，所以可解決太陽能電池價(jià)格高昂的問題。后來，研究人員使用稱為cis的復(fù)合半導(dǎo)體的技術(shù)，將23微米厚的cis放在玻璃等物料上，制成薄膜太陽能電池。它比傳統(tǒng)以矽制成的太陽能電池薄100倍，實(shí)際上比頭發(fā)還要薄，它亦較輕和使用較少半導(dǎo)體物料，成本較低并可大量使用。傳統(tǒng)的矽電池需大量半導(dǎo)體物料，價(jià)格昂貴，而且由于較笨重，其應(yīng)用范圍受限制。然而，薄膜電池卻只需要將廉價(jià)物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可，成本交底而且攜帶方便。目前，世界上至少有40個(gè)國家在研發(fā)這種低成本、高效率的薄膜太陽能電池。參考文獻(xiàn)：1中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的國際競(jìng)爭力研究j. 謝光亞，李曉光.對(duì)外經(jīng)貿(mào)實(shí)務(wù). 2012（02）2中國太