材料技術(shù)在發(fā)展太陽能電池的關(guān)鍵作用

1、材料技術(shù)在開展太陽能電池的關(guān)鍵作用論文導(dǎo)讀：本文將就太陽能電池的材料研究現(xiàn)狀以及開展趨勢進(jìn)行討論。提出了第三代太陽能電池的概念。環(huán)保理念，材料技術(shù)在開展太陽能電池的關(guān)鍵作用。關(guān)鍵詞：環(huán)保理念，太陽能電池，第三代太陽能電池1文明的危機(jī)環(huán)境破壞是始于農(nóng)業(yè)畜牧文明的形成，在農(nóng)牧文明上形成了城市文明，進(jìn)一步推進(jìn)了環(huán)境的破壞。古代文明繁榮的地區(qū)美索不達(dá)亞、埃及、印度全都徹底地破壞了環(huán)境。發(fā)表論文，環(huán)保理念。古代中國的小麥文明在黃河流域產(chǎn)生時(shí)，生長著高大的樹木，極其茂密的森林。隨著文明程度的提高，逐漸地由采集轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕，由狩獵轉(zhuǎn)變?yōu)樾竽?，森林作為木材砍伐，木材又制造出各種用具。雖然農(nóng)耕文明的誕生維持了幾千

2、年的文明，但農(nóng)耕不知不覺消滅了森林，使土地變成了不毛之地，結(jié)果徹底的破壞了環(huán)境。而這種文明的開展圖式一直延續(xù)到現(xiàn)在，污染了河流，污染了空氣。使得現(xiàn)在的黃土高原變成了寸草不生的一片肅殺的景象?？吹近S河流域發(fā)祥地的荒涼情景，不經(jīng)讓人不寒而栗，這是文明帶來的后果嗎？這種加速環(huán)境惡化的做法，興旺國家的呼聲最大。一方面是批評的聲音，認(rèn)為興旺國家不應(yīng)該購置第三世界國家的原材料。而另一方面是不斷限制開展中國家的能源消費(fèi)。這些做法固然可以防止森林被消滅。發(fā)表論文，環(huán)保理念。但實(shí)際上，興旺國家在開展過程中其實(shí)不斷地破壞環(huán)境，如美國原先更廣闊的原始森林，現(xiàn)在都開墾出來畜牧。歐洲的英國、德國都砍伐了森林，變?yōu)檗r(nóng)場或

3、牧地。當(dāng)開始注意到文明的開展伴隨著環(huán)境的破壞時(shí)，興旺國家已經(jīng)沒有森林了。因此，空洞地要求不去開發(fā)第三世界的森林資源并不能夠解決環(huán)境的問題【1】。除了限制砍伐和消滅森林，興旺國家更應(yīng)該用現(xiàn)在所擁有的土地來植樹造林！同時(shí)，開展中國家希望今后經(jīng)濟(jì)上富裕起來，而興旺國家卻自私的將共存、循環(huán)之類的概念強(qiáng)加于他們。京瓷株式會(huì)社創(chuàng)始人稻盛和夫認(rèn)為，興旺國家必須主動(dòng)付出犧牲，如開展中國家開始有限地使用石油資源，就必須減少興旺國家的能源消費(fèi)量，以取得消費(fèi)的平衡。但當(dāng)美國、日本、西歐等興旺國家把每人能源消費(fèi)量減少一半，也不能使得中國和印度人均消費(fèi)額增加到現(xiàn)代興旺國家的一半。因此，我們現(xiàn)在所處的是非常嚴(yán)重的狀態(tài)。環(huán)

4、境的破壞問題是人類的最重大的問題。近代對自然的觀念是：自然是人的奴隸。在笛卡爾，培根的思想中，人越是了解自然，就越能驅(qū)使自然。進(jìn)入20世紀(jì)后，由于科學(xué)技術(shù)的開展，反把自然當(dāng)作奴隸了，這是現(xiàn)代人的文明。對于環(huán)境，重要的是一邊競爭一邊共存。人類沒有任何競爭而同其他萬物眾生共存，就會(huì)否認(rèn)社會(huì)的開展。我們需要在現(xiàn)實(shí)根底上重新建立新的文明。在靠采集狩獵生活的遠(yuǎn)古時(shí)代，人類和自然協(xié)調(diào)共存。隨能源消費(fèi)文明的誕生和開展，森林減少、沙漠化等問題越來越嚴(yán)重。另外身處孤島或窮鄉(xiāng)僻壤的人們，很難得到電的恩惠，無法過上現(xiàn)代化的便利生活。人類怎么才能不影響環(huán)境而實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)開展呢？其答案，就是太陽能發(fā)電。它必將成為人

5、類生活必不可少的能源，這成為全世界的共識(shí)，正以全球規(guī)模不斷在城市、森林、沙漠以及等待新能源的人們之中普及開來。太陽電池的本錢取決于太陽電池的組件、電力的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，電池組件的支持與架設(shè)、土地與場地及設(shè)備的費(fèi)用等，在所有的這些費(fèi)用中，材料費(fèi)用是最大的支出，占總本錢的60-80%，因此，從太陽電池產(chǎn)業(yè)的開展上看，可以從以下幾個(gè)方面來改良：首先，要減少材料消耗；其次，要減少制造過程中的能耗；第三，要減少生產(chǎn)線設(shè)備投資，降低太陽電池產(chǎn)業(yè)的入門檻。本文將就太陽能電池的材料研究現(xiàn)狀以及開展趨勢進(jìn)行討論。2. 太陽能電池的材料研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展太陽每年投射到地面上的輻射能高達(dá)約1千瓦時(shí)，相當(dāng)于1.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤

6、。按目前太陽的質(zhì)量消耗速率計(jì)，可維持6萬多年?？梢哉f它是取之不盡，用之不竭;的能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板組件、控制器和逆變器三大局部組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、無噪聲、無污染、不受地域限制、安裝維護(hù)簡便、規(guī)模大小隨意【2】。更誘人的是在太陽能與建筑一體化的過程中的親合力。太陽電池組件不僅可以作為能源設(shè)備，還可作為屋面和墻面材料，既供電節(jié)能，又節(jié)省了建材【3】。發(fā)表論文，環(huán)保理念。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。發(fā)表論文，環(huán)保理念。但

7、目前，太陽能電池還只太陽光譜中的可見光和近紅外區(qū)域進(jìn)行吸收和，能量轉(zhuǎn)化率只有15%左右。光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力、微波中繼電源、以及移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在興旺國家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。自20世紀(jì)80年代以來，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)化得到迅速開展，全球光伏市場每年以30%40%的速度持續(xù)高速增長。2005年全球太陽電池產(chǎn)量為1727MW,比2004年增長了44%,日本占總產(chǎn)量的46%,歐洲占總產(chǎn)量的28%。2005年全球興建新的太陽電池制造廠的投

8、資超過了10億美元【4】。我國政府已將可再生能源的開發(fā)利用作為國家能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一，將可再生能源定位為戰(zhàn)略替代能源;。2006年?中華人民共和國可再生能源法?的實(shí)施促進(jìn)了可再生能源的開發(fā)資源。2021 年北京奧運(yùn)場館外墻貼光伏電池，周圍80%-90%的路燈和洗浴熱水我國太陽能光伏發(fā)電的將會(huì)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而且大規(guī)模開展沙漠電城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。太陽電池產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)列為十一五產(chǎn)業(yè)規(guī)劃重點(diǎn)，?可再生能長期規(guī)劃?中提出：到2021年，我國太陽能光電總?cè)萘繉⒌竭_(dá)40萬kW，2021年到達(dá)220萬kW。新政策將促進(jìn)我國太陽能光伏發(fā)電的開展，使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個(gè)新平臺(tái)。太陽能電池中最重要，最關(guān)鍵的組

9、成局部就是半導(dǎo)體材料層，它與太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率有重要的聯(lián)系。根據(jù)材料的種類和狀態(tài)的不同，太陽電池按結(jié)晶狀態(tài)可為結(jié)晶系和非結(jié)晶系兩大類，前者又分為單結(jié)晶型和多結(jié)晶型；按材料分為硅薄膜型、化合物半導(dǎo)薄膜型和有機(jī)聚合物薄膜型。第一代單晶硅太陽電池效率高,但高純硅工藝復(fù)雜且本錢高。非晶硅薄膜太陽電池制備工藝相對簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，已在1980年開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但非晶硅薄膜太陽電池存在光致衰減效應(yīng)，因而阻礙了它的進(jìn)一步開展。多晶硅薄膜太陽電池因同時(shí)具有單晶硅的高遷移率及非晶硅材料本錢低可大面積制備的優(yōu)點(diǎn)，且無光致衰減效應(yīng)，因而在薄膜太陽能電池方面得到了越來越多的重視。另外，CIGS薄膜作為一種

10、性能優(yōu)異的化合物半導(dǎo)體光伏材料應(yīng)用在薄膜太陽能電池上也成為各國研究的熱點(diǎn)之一，其光電轉(zhuǎn)化效率高,性能穩(wěn)定而且不會(huì)發(fā)生光致衰減效應(yīng)。2.1 晶體硅太陽電池晶體硅太陽電池是光伏市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)、工藝最成熟，電池轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，是過去20多年太陽電池研究、開發(fā)和生產(chǎn)主體材料。 其缺點(diǎn)是生產(chǎn)本錢高。人們探索各種各樣的電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)來改良電池性能，進(jìn)一步提高效率. 如發(fā)射極鈍化、反面局部擴(kuò)散、激光刻槽埋柵和雙層減反射膜等。2.2 硅基薄膜太陽電池多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽電池大幅度降低太陽電池價(jià)格。非晶硅是硅和氫約10%的一種合金，非晶硅的光吸收系數(shù)大，因而薄膜厚度可以大大降低；其次

11、，非晶硅薄膜太陽電池的制造工藝簡單，沉積溫度低約200，可直接沉積在玻璃、不銹鋼和塑料膜等廉價(jià)的襯底材料上，生產(chǎn)本錢低，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是由于非晶硅禁帶寬度為1.7eV，對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，且其效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減即光致衰退，使電池性能不穩(wěn)定；另外沉積速率低，后續(xù)加工困難，沉積過程中存在大量的雜質(zhì)，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。多晶硅薄膜是由許多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。發(fā)表論文，環(huán)保理念。它在長波段具有高光敏性,對可見光能有效吸收,且具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性,因此被公認(rèn)為高效、低耗的最理想的光伏器件材料。其產(chǎn)量占硅太陽能電池的50%左右，

12、使太陽能的主要產(chǎn)品之一，澳大利亞新南威爾大學(xué)采用熱交換發(fā)生長的多晶硅制備的多晶硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率到達(dá)19.8%，日本京都陶瓷公司研制的15cm*15cm 的多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)17%。但由于對多晶硅薄膜材料的研究還不夠深入，膜生長技術(shù)還在探索，以及薄膜多晶式在原理上的研究還在探討階段，致使多晶硅薄膜電池還處于開發(fā)階段。2.3 化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池主要有銅銦硒CIS和銅銦鎵硒、碲化鎘、砷化鎵等，直接帶隙材料，帶隙寬度在1-1.6eV之間，具有大范圍太陽光譜響應(yīng)特性。所需材料只要幾個(gè)微米厚就能吸收陽光的絕大局部，是具有極大開展?jié)摿Φ奶柲茈姵夭牧稀aAs太

13、陽能電池目前轉(zhuǎn)化效率超過40%，但GaAs材料非常昂貴且As有毒，所以限制了大面積推廣。CIS電池中所需薄膜厚度很小約2m，吸收率高達(dá)105/cm。CIS中的In用Ga替代，使得半導(dǎo)體的禁帶寬度可以在1.04-1.65eV變化，CIS和CIGS電池晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵穩(wěn)定，尚未發(fā)現(xiàn)光致衰退效應(yīng)，因而其使用壽命更長。廉價(jià)、高效、性能穩(wěn)定和較強(qiáng)的抗輻射能力得到各國 重視，成為最有前途新一代太陽電池，非常有希望在未來十年大規(guī)模應(yīng)用。日本殼牌石油公司已經(jīng)完成技術(shù)開發(fā),并準(zhǔn)備建設(shè)10-20MW級生產(chǎn)線，日本本田公司、美國Shell Solar公司、德國的Wurthsolar公司也開始開展產(chǎn)業(yè)化路線。但其缺點(diǎn)

14、是Se、In都是稀有元素，材料來源受到一定限制。CdTe電池的帶隙1.5eV,光譜響應(yīng)與太陽光譜十分吻合，性能穩(wěn)定，光吸收系數(shù)極大，厚度為1m的薄膜，足以吸收大于CdTe禁帶能量的輻射能量的99%，是理想化合物半導(dǎo)體材料，理論效率為30%【5】，是公認(rèn)的高效廉價(jià)薄膜電池材料。缺點(diǎn)是Cd有毒，會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，CdTe電池適合在空間等特殊環(huán)境。2.4 染料敏化 TiO2納米薄膜太陽電池1991年瑞士Gratzel教授以納米多孔TiO2為半導(dǎo)體電極，以Ru絡(luò)合物作敏化染料，并選用I2-/I3-氧化復(fù)原電解質(zhì)，開展了一種新型的染料敏化TiO2 納米薄膜太陽電池DSC。DSC具有理論轉(zhuǎn)換效率高，

15、透明性高，廉價(jià)本錢和簡單工藝等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室光電效率穩(wěn)定在10%以上【6】。缺點(diǎn)是使用液體電解質(zhì)，帶來使用不便以及對環(huán)境影響。染料敏化TiO2納米化學(xué)太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。發(fā)表論文，環(huán)保理念。目前對它的研究處于起步階段，近年來成為世界各國爭相開發(fā)研究熱點(diǎn)。2.5 第三代太陽能電池新南威爾士大學(xué)隊(duì)太陽能電池中能量損失機(jī)理進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)造成太陽電池的能量損失主要是熱損失。光生載流子對很快將能帶多余的能量以熱的形式損失掉；另一主要的能量損失是由電子-空穴對的重新結(jié)合引起的；還有一局部能量損失是由PN結(jié)和接觸電壓損失引起的。為減少熱損失，設(shè)法讓通過太陽能電池的光子能量剛剛大于能帶能量，

16、使得光子的能量激發(fā)出的光生載流子沒有多余的能量可以損失;為減少電子-空穴結(jié)合所造成的損失，設(shè)法延長光生載流子的壽命，消除不必要的缺陷;減小PN結(jié)的接觸電壓損失，可聚集太陽光，加大光子密度的方法來實(shí)現(xiàn)?；谝陨戏治?，提出了第三代太陽能電池的概念。第三代太陽能電池主要有前后重疊電池、多能帶電池、熱太陽能電池、熱載流子電池、和沖擊離子化太陽能電池或量子點(diǎn)電池等。表一太陽能電池的開展Table 1 Three generations of solar cells 開展階段 材料類型 光電轉(zhuǎn)換效率 特征 第一代太陽能電池 單晶硅 15%-24.7%UNSW 光、電、力學(xué)性能均勻，造價(jià)高，工藝成熟，商品化

17、 多晶硅 12-20% 鑄錠成型，性能穩(wěn)定，本錢較低，產(chǎn)業(yè)化程度高 第二代太陽能電池 薄膜技術(shù) 非晶硅a-Si 6%-16.6% 吸收系數(shù)較高，節(jié)省硅材料。但存在光致衰退效應(yīng) 多晶硅(poly-Si) 10%-11% 良好的長波吸收特性 銅銦(鎵)硒CIS/CIGS 11%-19.2% 廉價(jià)、高效、穩(wěn)定、電池良品率低，未產(chǎn)業(yè)化 碲化鎘CdTe 16.5% 高校、穩(wěn)定、廉價(jià)，鎘為有毒物質(zhì) 砷化鎵GaAs 25.7%-30% 高溫下有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，用作航天系統(tǒng) 染料敏化 11% 效率低、不穩(wěn)定、廉價(jià) 有機(jī)聚合物 2%以下 本錢低、可彎曲、面積大、毒性小、實(shí)驗(yàn)階段 第三代太陽能電池 疊層、多帶

18、隙、碰撞離化、熱載流子、熱光伏 50%以上 實(shí)驗(yàn)階段 3 太陽能電池材料的關(guān)鍵問題3.1 硅原料制造太陽能電池材料的禁帶寬度應(yīng)在1.1eV-1.7eV之間，以1.5eV左右為佳，最好采用直接遷移型半導(dǎo)體，較高的光電轉(zhuǎn)換效率，材料性能穩(wěn)定，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，易大面積制造和工業(yè)化生產(chǎn)。開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高效率和降低本錢。太陽光能轉(zhuǎn)換過程中的損失主要在熱損失，以及電子與空穴的復(fù)合，再就是pn結(jié)和接觸電壓引起。為了提高轉(zhuǎn)換效率，可以對電池組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。據(jù)理論預(yù)測，其轉(zhuǎn)換效率可到達(dá)40%以上【4】?，F(xiàn)有的太陽能市場中，高純度的太陽能級硅是必有可少的一個(gè)因素，硅材料供給量短缺或過分

19、的供不應(yīng)求的問題已經(jīng)成為影響太陽能行業(yè)各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸;。長期以來，太陽能電池制造商都在購置IC制造商的邊角廢料;，即利用硅錠的末端局部，有缺陷的以及其他的廢料。這種方式一直運(yùn)作良好到太陽能電池產(chǎn)業(yè)開始以每年20%的速度增長。硅材料供給的嚴(yán)重缺乏制約了電池與組件制造商擴(kuò)產(chǎn)容量，無法滿足全球光伏市場需求。這一狀況阻礙了行業(yè)增長與經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，使市場不能為消費(fèi)者提供較低的產(chǎn)品。這種嚴(yán)重的形式，甚至使太陽能安裝商無法保證最根本的組件需求量。作為太陽能電池材料的硅的供給日益緊張,業(yè)界對有助于降低本錢的硅用量削減技術(shù)也加大了開發(fā)力度。減少硅用量的方法包括:將硅底板厚度減小、減小與硅底板厚度差不多的切割

20、損失、減少單晶硅與非晶質(zhì)硅界面生成過和碳等雜質(zhì)的技術(shù)、制作面積大而薄的非晶質(zhì)硅薄膜層的技術(shù)、為減少電池外表反射制作凸凹均勻電池外表的技術(shù)。京瓷開發(fā)出可將硅底板厚度減小30%左右的技術(shù)以及可將硅用量減少至目前1/5的球狀硅太陽能電池;的開發(fā)方案。Clean Venture 21 等數(shù)家公司也在開發(fā)球狀硅太陽能電池。3.2 薄膜技術(shù)及原料隨著硅能源的緊缺,薄膜太陽能電池作為一種光電功能薄膜,可以有效地解決能源短缺問題。但是薄膜光伏電池不僅存在塊狀光伏電池產(chǎn)業(yè)化開展中遇到的普遍問題，還存在著現(xiàn)有薄膜技術(shù)無法到達(dá)以下要求：沉積薄膜的速率在每分鐘1m以上；沉積的溫度在600以下；薄膜的厚度在10m以下；

21、成長的晶粒大小在1m以下；少數(shù)載子的擴(kuò)散長度超過10m。所以雖然電池的薄膜技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛接受,被認(rèn)為是最具有潛力的方式。但是目前為止仍然沒有任何一種技術(shù)可以進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。另外,由材料來源看,由于III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制備,即使它們所制備的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率很高,將來也不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而其他薄膜類電池還處于探索階段,短時(shí)間內(nèi)不可能替代硅系太陽能電池。3.3 第三代太陽能電池的開展根據(jù)理論計(jì)算，太陽的熱動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換效率限為93%，如果無限增加電池層數(shù)目，電池的理論效率可達(dá)86.8%。當(dāng)突破單結(jié)器件的概念，集合堆垛電池具有不同的能帶間隙，可以運(yùn)用低維納微結(jié)構(gòu)材料，超晶格、多層

22、膜，及量子阱、量子線、量子點(diǎn)的特殊性能，以及半導(dǎo)體的雜質(zhì)工程和能帶工程，人工制造出高效、低價(jià)、使用的光伏材料及器件。根本原理是設(shè)法使光子的能量剛好高于電池能帶，當(dāng)光子通過使用多層電池時(shí)，每層電池的能帶都不同，最高能帶的電池位于最高位置，往下能帶依此減小。隨著能帶降低，被吸收的光子能量可以得到很好的過濾，能量高的光子被能帶高的電池吸收，能量低些的光子被能帶低的電池吸收有效地提高了太陽能電池的效率。所謂多層薄膜材料，就是在一層厚度只有納米級的材料上，再鋪上一層或多層性質(zhì)不同的其他薄層材料，最后形成多層固態(tài)涂層。由于各層材料的電、磁及化學(xué)性質(zhì)各不相同，多層薄膜材料會(huì)擁有一些奇異的特性。目前，這種制造工藝簡單的新型材料正受到各國關(guān)注，已從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入商業(yè)化階段，可以廣泛應(yīng)用于防腐涂層、燃料電池及生物醫(yī)學(xué)移植等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1稻盛和夫，梅原猛，回歸哲學(xué)-探求資本主義的新