低成本高性能可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池項(xiàng)目合作可行性研究分析報(bào)告

1、低成本高性能可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池項(xiàng)目合作可行性報(bào)告目錄第一章太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.1太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程11.2太陽(yáng)能電池的分類(lèi)21.2.1硅系太陽(yáng)能電池21.2.2化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池41.2.3染料敏化納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池41.3太陽(yáng)能電池發(fā)展的瓶頸51.4太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)6 TOC o 1-5 h z 第二章國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀8第三章低成本高性能可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池103.1可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池研究的重大意義103.2可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)103.3可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的制備技術(shù)113.4關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新11第四章可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的研發(fā)計(jì)劃124.

2、1現(xiàn)有研究進(jìn)展124.2研究工作基礎(chǔ)和條件124.3課題組介紹154.4下一步研究計(jì)劃15第五章可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)前景185.1太陽(yáng)能電池發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境18 5.1.1豐富的太陽(yáng)能資源185.1.2嚴(yán)峻的能源與環(huán)保形勢(shì)205.1.3可再生能源法實(shí)施帶來(lái)巨大機(jī)遇 225.2太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)現(xiàn)狀225.2.1不愁銷(xiāo)路的產(chǎn)品225.2.2需求強(qiáng)勁的國(guó)外市場(chǎng)235.2.3起步階段的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)255.2.4高額的利潤(rùn)回報(bào)255.2.5太陽(yáng)能電池上市公司受到熱烈追捧 265.3太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)預(yù)測(cè)27 TOC o 1-5 h z 5.4可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)前景285.4.1太陽(yáng)能電池的消費(fèi)

3、結(jié)構(gòu)285.4.2晶硅太陽(yáng)能電池發(fā)展的隱憂(yōu)305.4.3可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)315.4.4可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)份額及盈利預(yù)測(cè)31第六章國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能電池生產(chǎn)現(xiàn)狀326.1世界太陽(yáng)能電池的產(chǎn)能及其分布326.2國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)及其規(guī)模34第七章可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化策略38附：圖表目錄 圖1從石英砂到晶硅太陽(yáng)能電池的工藝流程 3圖2晶硅系太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)5圖3可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu) 10圖4我國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖18圖5全球太陽(yáng)能電池實(shí)際產(chǎn)量（需求量）預(yù)測(cè) 23圖6全球1992年2004年累計(jì)安裝的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng) 24圖7 SolarWorld股價(jià)走勢(shì)圖26圖8

4、Tokuyama股價(jià)走勢(shì)圖27圖9各種能源形式發(fā)電成本30表1我國(guó)各種太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室研究的最高效率8表2中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)20表3全球太陽(yáng)能行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)28表4我國(guó)近年與將來(lái)的光伏發(fā)電市場(chǎng)消費(fèi)結(jié)構(gòu) 29表5多晶硅原料成本構(gòu)成30表6世界十大太陽(yáng)能電池廠商20032005年排名與產(chǎn)量32表7太陽(yáng)能電池產(chǎn)量地區(qū)分布33表8 1999-2004年各類(lèi)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量百分比33表9我國(guó)太陽(yáng)能電池的主要生產(chǎn)企業(yè)及其產(chǎn)能 37第一章太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.1太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程自從公元1800年意大利人伏特發(fā)明第一個(gè)電池后，人類(lèi)的生活就注定要與“電”結(jié)下密不可分的關(guān)系。1879年美國(guó)人愛(ài)迪生發(fā)明電燈，

5、不僅點(diǎn)亮了黑暗 的夜晚，更照亮了人類(lèi)光明璀璨的歷史文明。電的產(chǎn)生方式有很多種，包括：石 油、瓦斯、煤、鈾、等。但是這些能源的儲(chǔ)量有限，在人類(lèi)高度的開(kāi)發(fā)利用 下，終有消耗殆盡的一天。因此，世界各國(guó)無(wú)不積極地研發(fā)新的替代能源，太陽(yáng) 能電池就是一種最佳的選擇。太陽(yáng)能電池又稱(chēng)光電池，光生伏打電池。是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半 導(dǎo)體器件。工作原理是基于半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池表面受到光照 時(shí)，在電池內(nèi)部產(chǎn)生的光生電子一空穴對(duì)擴(kuò)散到P-N結(jié)并受結(jié)電場(chǎng)影響而分開(kāi)，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，這樣在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)外 電路連接起來(lái)時(shí)就有電流通過(guò)。目前太陽(yáng)能電池已經(jīng)在電力、 通訊

6、、電子產(chǎn)品及 交通運(yùn)輸?shù)确矫?，占有舉足輕重的地位，尤其在太空及部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，更是扮演 無(wú)可取代的角色。第一個(gè)太陽(yáng)能電池是在1954年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）所制造出來(lái) 的，當(dāng)時(shí)是希望能替偏遠(yuǎn)地區(qū)的通訊系統(tǒng)提供電源。不過(guò)由于效率太低（只有 6%）,而且造價(jià)太高（357美元/瓦），因而缺乏商業(yè)上的價(jià)值。就在此時(shí)，開(kāi)創(chuàng)人類(lèi)歷史的另一項(xiàng)計(jì)劃一一太空計(jì)劃也正如火如荼地進(jìn)行 著，而因?yàn)樘?yáng)能電池具有不可取代的重要性， 使得太陽(yáng)能電池得以找到另一片 發(fā)展的天空。從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開(kāi)始，太陽(yáng)能電池就肩負(fù)著太 空飛行任務(wù)中一項(xiàng)重要的任務(wù)，一直到 1969年美國(guó)人登陸月球，太陽(yáng)能電池

7、的 發(fā)展可以說(shuō)達(dá)到顛峰?？墒且?yàn)樘?yáng)能電池高昂的造價(jià)，使得太陽(yáng)能電池的應(yīng)用范圍受到限制。1970年代初，由于中東戰(zhàn)爭(zhēng)，石油禁運(yùn)，工業(yè)國(guó)家的石油供應(yīng)中斷造成能源危機(jī)，迫使人們不得不再度重視太陽(yáng)能電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)的可行性。在20世紀(jì)70年代中期，研制出超薄單晶硅光伏電池。1990年以后，人們開(kāi)始將太陽(yáng)能電池發(fā)電與民生用電結(jié)合，于是“與市電并聯(lián)型太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)”(grid-co nn ected photovoltaic system)開(kāi)始推 廣。此即把太陽(yáng)能電池與建筑物的設(shè)計(jì)整合在一起，并與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相連結(jié)，如此就可以從這兩種方式取得電力， 除了可以減少尖峰用電的負(fù)荷外，剩余的電 力還可

8、儲(chǔ)存或是回售給電力公司。到目前，太陽(yáng)能電池已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代太陽(yáng)能電池主要是基于硅晶片，采用單晶硅和多晶硅及 GaAs材料制作。其技術(shù)已發(fā)展成熟，但高昂的材料 成本在全部生產(chǎn)成本中占據(jù)主導(dǎo)地位。要真正達(dá)到大規(guī)模利用太陽(yáng)能電池的目 標(biāo)，降低材料的成本就成為降低光伏電池成本的主要手段。以至于使得人們不惜以犧牲電池的轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)來(lái)開(kāi)發(fā)薄膜電池。第二代太陽(yáng)能電池是基于薄膜技術(shù)的一種太陽(yáng)能電池。構(gòu)成薄膜太陽(yáng)能電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、 非晶硅、碲化鎘以及銅銦硒，其中以多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池性能最優(yōu)。第三代太 陽(yáng)能電池是21世紀(jì)以來(lái)的主要發(fā)展方向，主要本著以提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低 生產(chǎn)成本

9、為根本目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)。目前投入應(yīng)用的主要有疊層太陽(yáng)能電池、納米太陽(yáng)能電池、玻璃窗式太陽(yáng)能電池等結(jié)構(gòu)。1.2太陽(yáng)能電池的分類(lèi)按應(yīng)用可將太陽(yáng)能電池分為空間用太陽(yáng)能電池與地面用太陽(yáng)能電池。 地面用 太陽(yáng)能電池又可分為電源用太陽(yáng)能電池與消費(fèi)電子產(chǎn)品用太陽(yáng)能電池。 對(duì)每種太 陽(yáng)能電池的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求不同?？臻g用太陽(yáng)能電池要求耐輻射、 轉(zhuǎn)換率高、單位 電能所需的重量?。坏孛骐娫从锰?yáng)能電池要求發(fā)電成本低、 轉(zhuǎn)換效率高；消費(fèi) 電子用太陽(yáng)能電池則要求薄而小、可靠性高等。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池主要可分為硅系太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo) 體太陽(yáng)能電池和染料敏化納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池。 下面主要按這種分類(lèi)來(lái)介紹太 陽(yáng)能

10、電池。1.2.1硅系太陽(yáng)能電池121.1單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池是開(kāi)發(fā)最早、發(fā)展最快的一類(lèi)太陽(yáng)能電池，目前單晶硅太 陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15流右，最大已達(dá)到24.7%，為澳大利亞新南威爾 士大學(xué)創(chuàng)造并保持。代表性的單晶硅電池商品主要有荷蘭 Shell Solar,西班牙 Isofoton,印度 Microsol 等廠家。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工 藝基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)在單晶硅的電池工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面 織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開(kāi)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)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)

11、構(gòu)處理和分區(qū)摻 雜工藝。在此方面，德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。 該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一 13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合，通過(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)程增 加?xùn)艠O的寬度和高度的比率；通過(guò)以上制得的電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)23%最大值可達(dá)23.3 %。Kyocera公司制備的大面積（225cm2單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為 19.44%,國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi) 發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cmx 2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%,刻槽埋柵 電極晶體硅電池（5cmX 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8

12、.6%。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)疑是最高的， 在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占 據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響， 致使單晶 硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。 為了節(jié)省高質(zhì)量材 料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池，其中多晶硅薄膜 太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表。121.2 多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池的主要優(yōu)勢(shì)是降低成本。由于單晶硅太陽(yáng)能電池需要高純硅材料（空間太陽(yáng)能電池用硅材料純度9N,地面太陽(yáng)能電池用硅材料純度 68N，其材料成本占電池總成本的一半以上。相比之下，多晶硅電池材料制備 方法簡(jiǎn)單、耗能少，可連

13、續(xù)化生產(chǎn)。但多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率較低， 目前商業(yè)化電池的效率僅為14流右。實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到 20.3%,為德國(guó)研究 機(jī)構(gòu)獲得。具有代表性的商品有 Q-Cell, Motech, Sun tech 等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。人們從70年代中期就開(kāi)始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅 膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們 一直沒(méi)有停止過(guò)研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué) 氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD 工藝。此外，液相外延法（LPPE和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池?；瘜W(xué)氣相

14、沉積主要是以SiH2CI2、SiHCI3、SiCl4或SiH4為反應(yīng)氣體，在一 定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、Si02、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在 晶粒間形成空隙。解決這一問(wèn)題辦法是先用LPCVDS襯底上沉積一層較薄的非晶 硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外 采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)， 這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率 明顯提

15、高。德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)熔再結(jié)晶技術(shù)在 FZSi襯底上制得的 多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%,日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)16.42%。液相外延（LPE法的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國(guó)Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12.2 %。我國(guó)光電發(fā)展技術(shù)中 心的陳哲良教授采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長(zhǎng)出硅晶粒，并設(shè)計(jì)了一種類(lèi)似于晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池，稱(chēng)之為“硅?！碧?yáng)能電池，但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見(jiàn)到。從石英砂制備單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的工藝流程如下圖所示。工業(yè)蛙圖1從石英砂到晶硅太陽(yáng)能電池的工藝流程121.3非晶硅太陽(yáng)能電池非晶

16、硅太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)是硅資源消耗少、生產(chǎn)成本低，近年來(lái)發(fā)展迅速。目前非晶硅單結(jié)電池的最高效率已可達(dá)到 14.6%左右，大量生產(chǎn)的可達(dá)到8%10流右。疊層電池的最高效率可達(dá)到 21.0%。比較代表性的非晶硅電池生產(chǎn)廠家有德國(guó) RWE Schott Solar，日本 Ken aka 和美國(guó) Un ited Solar由于非晶硅對(duì)太陽(yáng)光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽(yáng)能電池可以做得很薄， 通常硅膜厚度僅為1-2卩m是單晶硅或多晶硅電池厚度（0.5mm左右）的1/500, 所以制作非晶硅電池資源消耗少。非晶硅太陽(yáng)能電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷（SiH4）氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低（200

17、C左右），因此制作時(shí)能量消耗少，成本 比較低，且這種方法適于大規(guī)模生產(chǎn)，單片電池面積可以做得很大（例如 0.5mx 1.0m），整齊美觀。非晶硅電池的另一特點(diǎn)是對(duì)藍(lán)光響應(yīng)好，在一般的熒 光燈下也能工作，因此被廣泛用作電子計(jì)算器和手掌電腦的電源，估計(jì)全世界使用量達(dá)到每月1千萬(wàn)片左右。非晶硅中由于原子排列缺少結(jié)晶硅中的規(guī)則性，往往在單純的非晶硅p-n結(jié)構(gòu)中存在缺陷，隧道電流占主導(dǎo)地位，無(wú)法制備太陽(yáng)能電池。因此要在p層與 n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以非晶硅太陽(yáng)能電池一般 具有pin結(jié)構(gòu)。如果制成pin/pin/pin的多層結(jié)構(gòu)便形成疊層結(jié)構(gòu)，在提高非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和改

18、善穩(wěn)定性方面， 疊層太陽(yáng)能電池是一個(gè)重要的發(fā)展 方向。非晶硅由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和大量氫原子的存在，具有光疲勞效應(yīng)（Staebler Wron ski效應(yīng)），故非晶硅太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性存在問(wèn) 題。近10年來(lái)經(jīng)努力研究，雖有所改善，但尚未徹底解決問(wèn)題，故作為電力電 源，尚未大量推廣。非晶硅太陽(yáng)能電池的研究，現(xiàn)在主要著重于改善非晶硅膜本 身性質(zhì)，以減少缺陷密度，精確設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間的界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。1.2.2化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池突破了由硅原料-硅錠-硅片-太陽(yáng)能電池的工藝路線(xiàn)，采用直接由原材料到太陽(yáng)能電池的工藝路線(xiàn)，發(fā)

19、展了薄膜太陽(yáng)能技術(shù)，這適應(yīng)了太陽(yáng)能電池的高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)化發(fā)展的要求。目前，化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池的主要類(lèi)型有CdS系太陽(yáng)能電池、CdTe系太陽(yáng)能電池、CuI nSe2系列太陽(yáng)能電池、CdS/C uln Se2太陽(yáng)能電池、GaAs系列 太陽(yáng)能電池和InP系列太陽(yáng)能電池。上述電池中，盡管CdS CdTe多晶薄膜電池 的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)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，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng) 能電池最理想的替代。GaAs及 CuInSe2系列薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重 視。GaAs屬于III-V 族

20、化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太 陽(yáng)光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等 III-V 化合物薄膜電池的制備主要采用MOVP和LPE技術(shù)，其中MOVP方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、 反應(yīng)壓力、III-V 比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。除GaAs外,其它III-V 化合物如Gasb GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。 1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的 GaAs太陽(yáng)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 GaAs Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在 一起，

21、GaAs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CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIS。CIS材料的能降為1.leV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn) 換，另外，CIS薄膜太陽(yáng)能電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此， CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的 蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用 H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成 均勻的CISoCIS薄膜電池從80年代最初8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15%左右。 日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻傢的 CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3 % （面 積1cm2 o

22、1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17.1 %的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。CIS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等 優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源， 由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受到限制。1.2.3染料敏化納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池受到綠色植物光合作用的啟發(fā)，納米晶材料太陽(yáng)能電池于20世紀(jì)90年代誕 生。有人稱(chēng)這種納米晶太陽(yáng)能電池為“人造樹(shù)葉”，也有人稱(chēng)其為分子電子器件。 目前納米晶太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 78%使用壽命可達(dá)15年以上，加上 它的成本僅為硅太陽(yáng)

23、能電池10%20%納米晶太陽(yáng)能電池引起了全世界的關(guān)注。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池（簡(jiǎn)稱(chēng)NPCt池）是一種光電化學(xué)電池，它與自然界 的光合作用有兩點(diǎn)相似：利用有機(jī)染料吸收光和傳遞太陽(yáng)能；利用多層結(jié)構(gòu)來(lái)吸 收和提高收集效率。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池是由一種窄禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能 隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過(guò)渡金屬 Ru以及Os等的有機(jī)化 合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米多晶 Ti02并制成電極，此外NPC電池 還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。納米晶 TiO2太陽(yáng)能電池工作原理：染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶,染料中失去的電子

24、則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。納米晶TiO2太陽(yáng)能電池的優(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。但由于此類(lèi)電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。 目前納米晶太陽(yáng)能電池材料的研究熱點(diǎn)是：使用摻雜技術(shù)提高TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率；開(kāi)發(fā)新的寬頻光電效應(yīng)和高光電轉(zhuǎn)換效率的新型納米晶體材料；尋找在低溫下燒結(jié)制備電極的途徑；開(kāi)發(fā)固體電解質(zhì)新材料。1.3太陽(yáng)能電池發(fā)展的瓶頸我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)20多年不懈努力，已達(dá)到一定技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模。但 現(xiàn)階段，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)還存在一些瓶頸。 盡管目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏電池生 產(chǎn)技術(shù)基本

25、上與國(guó)際同步，但是相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈非常不健全，原材料和生產(chǎn)設(shè)備幾乎 全部依賴(lài)進(jìn)口。此外，貸款難、人才稀缺、投資巨大等，也是制約國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能企 業(yè)發(fā)展的“攔路虎”。另外，技術(shù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不盡完善。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能電池是晶體硅太陽(yáng)能電池，而生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)能電池的原材料一一高純度多晶硅在我國(guó)卻極度短缺，絕大部分需要依賴(lài)進(jìn) 口。我國(guó)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池所需的硅原料呈現(xiàn)“兩頭在外”的格局，即90鳩上的原料進(jìn)口，90%勺產(chǎn)品出口。據(jù)我國(guó)工程院的專(zhuān)家調(diào)查，2005年我國(guó)對(duì)多晶硅的需求量為3800噸，其中 光伏產(chǎn)業(yè)需求2691噸，而2004年我國(guó)多晶硅的產(chǎn)量只有60噸，主要企業(yè)為峨 嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅有

26、限公司， 即使全部供應(yīng)光伏產(chǎn)業(yè)，也僅是市場(chǎng)需 求的2.6 %，其余只能依賴(lài)進(jìn)口。據(jù)報(bào)道，四川新光硅業(yè)科技有限責(zé)任公司是我 國(guó)最大的多晶硅生產(chǎn)單位，目前已投資 11億元正在建設(shè)1200噸多晶硅生產(chǎn)線(xiàn), 預(yù)計(jì)2006年年底投產(chǎn)，洛陽(yáng)中硅高科技有限公司300噸多晶硅項(xiàng)目于2005年9 月投產(chǎn)。但與巨大的原料需求而言，仍無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池廠家的需求。而目前國(guó)際市場(chǎng)上的多晶硅也供不應(yīng)求。 電子和太陽(yáng)能兩個(gè)行業(yè)使用的高純 度硅從2004年的31000噸增長(zhǎng)到2005年的35000噸左右，這個(gè)增長(zhǎng)是由電子行 業(yè)5%勺年用量增長(zhǎng)和太陽(yáng)能行業(yè) 20%勺年用量增長(zhǎng)推動(dòng)的。太陽(yáng)能行業(yè)中，按照 從硅料到電池的產(chǎn)業(yè)

27、劃分，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈明顯的金字塔結(jié)構(gòu)。圖 2晶硅系太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高居塔尖的是7家太陽(yáng)能多晶硅廠商：Tokuyama Mitsubishi Material 、Mitsubishi Polysilic on、 Hemlock Semic on ductor、 Adva need Silic onMaterials、Solar Grade Silicon 、Wacker Piktsilicon;第二層是 15 家硅片廠商，包括 RWE Schott Solar、Sharp、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera 等，在這一環(huán)節(jié)主要的技術(shù)流程包括鑄錠（或單晶生長(zhǎng)）、切方滾磨、

28、用多線(xiàn)切 割機(jī)切片、化學(xué)腐蝕拋光，其中鑄錠（或單晶生長(zhǎng)）環(huán)節(jié)屬于高能耗，切割機(jī)等 投資規(guī)模亦相對(duì)較大，設(shè)備投資約占初期總投資的60%上；第三層是太陽(yáng)能電池制造，按照2004年產(chǎn)量，Sharp為全球最大之電池制造商，Shell SolarKyocera、BP Solar、RWE Schott Solar 分列二至五位，根據(jù) 2004 年底數(shù)據(jù), 全球電池廠商有40余家；下面是組件，將制作好的電池封裝，技術(shù)含量相對(duì)較 低，進(jìn)入門(mén)檻亦低，屬于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，全球廠商數(shù)量超過(guò) 200家，國(guó)內(nèi)亦 有相當(dāng)多企業(yè)進(jìn)行封裝作業(yè)。由于市場(chǎng)供不應(yīng)求，多晶硅的價(jià)格大幅上漲，一公斤太陽(yáng)級(jí)多晶硅材料由兩 三年前的13

29、美元，一路猛漲到46美元，漲幅高達(dá)250%，甚至達(dá)到60美元80 美元。但由于制作太陽(yáng)能電池所需的提純硅技術(shù)主要被西方國(guó)家壟斷。所以，目前在國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有企業(yè)能生產(chǎn)高純度硅原料，大部分依靠進(jìn)口，而我國(guó)大多數(shù)光 伏企業(yè)通過(guò)外購(gòu)電池片封裝加工組件， 不但增加成本，更失去了掌握市場(chǎng)的主動(dòng) 性。國(guó)外主要多晶硅生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)已形成了企業(yè)聯(lián)盟，嚴(yán)格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球硅材料市場(chǎng)，抬高多晶硅價(jià)格。這使得國(guó)內(nèi)有的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠在當(dāng)前遭遇 了即使出高價(jià)也購(gòu)買(mǎi)不到多晶硅的“無(wú)米下鍋”局面。 目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)太陽(yáng)能電 池制造企業(yè)產(chǎn)能都有放空現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)正在興起一股太陽(yáng)能電池投資熱潮，這將進(jìn)一步引起原料的爭(zhēng)奪大戰(zhàn)，從而加劇

30、原料供應(yīng)的緊張。由于晶硅原料占太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的40%左右，因此，原料成本進(jìn)一步提高了多晶硅太陽(yáng)能電池制造成本，這將威脅到晶硅基太陽(yáng)能電池的發(fā)展。但另一方面，為非硅基太陽(yáng)能電池（如低成本高性能可見(jiàn)光響 應(yīng)型太陽(yáng)能電池）的發(fā)展創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。1.4太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)人類(lèi)利用太陽(yáng)能已有幾千年的歷史， 但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開(kāi)發(fā) 利用只是近半個(gè)世紀(jì)的事情。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一塊太 陽(yáng)能電池，從此揭開(kāi)了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的新篇章， 之后，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力地促進(jìn)了太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利 用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實(shí)施，

31、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用又被推到新高度。21世紀(jì)初至中葉將是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的重要發(fā)展時(shí)期。世界范圍內(nèi)的 能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利 用。光伏技術(shù)的發(fā)展，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過(guò)渡到薄膜太陽(yáng) 能電池和各種新型太陽(yáng)能電池的發(fā)展。 如前所述，晶體硅太陽(yáng)能電池具有轉(zhuǎn)換效 率高、性能穩(wěn)定、商業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問(wèn) 題。高效新型太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展是降低光電池成本的一條切實(shí)可行的途徑， 近年來(lái)，一些新型高效電池不斷問(wèn)世：銅銦硒(CuinSe2，CIS)薄膜太陽(yáng)能電池：1974年CIS電池在美國(guó)問(wèn)世，1993年美國(guó)國(guó)家可再生能

32、源實(shí)驗(yàn)室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達(dá)16.7 %，由于CIS太陽(yáng)能電池具有成本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過(guò)增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效 率(理論值為單晶30%，多晶24%)、沒(méi)有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點(diǎn)，各 國(guó)都在爭(zhēng)相研究開(kāi)發(fā)，并積極探索大面積應(yīng)用的批量生產(chǎn)技術(shù)。硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池：通過(guò)非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用 長(zhǎng)波太陽(yáng)光，提高非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。它具有成本低、耗能 少、工序少、價(jià)廉高效等優(yōu)點(diǎn)。用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)III-V 族化合物太陽(yáng)能電池：III-V 族 化合物(如GaAs InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，這些材料的多層匹配可將太陽(yáng) 能

33、電池轉(zhuǎn)換效率提高到35%以上。而這種多層結(jié)構(gòu)很容易用 CBE法制作，并能降低成本獲得超高效率大面積光伏納米電池：1991年瑞士 M. GRATZE博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，用納米TiO2粉水溶液作涂料，和含有過(guò)渡族金屬有機(jī)物的多種染料及玻璃等材料制 作出微晶染料敏感太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)稱(chēng)納米電池。計(jì)算表明，可制造出轉(zhuǎn)換效率至 少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應(yīng)用于建筑物外表面提供了廣闊的 前景。隨著研發(fā)投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專(zhuān)家斷言，只 要有一、二種新型電池取得突破，就會(huì)使光電池局面得到極大的改善。隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，使得太陽(yáng)能制氫成 為氫能產(chǎn)

34、業(yè)的最佳選擇。20世紀(jì)90年代在太陽(yáng)能制氫方面獲得了較大進(jìn)展，1990 年德國(guó)建成一座500KW攵陽(yáng)能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為 350KW 的太陽(yáng)能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4800萬(wàn)美元，在每 年有300個(gè)晴天的塔爾沙漠中建造一座500KW攵陽(yáng)能電站制氫，用光伏一電解系 統(tǒng)制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來(lái)，保證運(yùn)輸?shù)陌踩?。氫能具有重量輕、 熱值高、爆發(fā)力強(qiáng)、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)。隨著太陽(yáng)能制氫技術(shù)的發(fā) 展。用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹?21世紀(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高，光伏技術(shù)將逐步由農(nóng) 村、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及

35、其它特殊應(yīng)用場(chǎng)合向城市推進(jìn)，伴隨著更多國(guó)家屋頂計(jì)劃的實(shí) 施，光伏發(fā)電將走進(jìn)城市的千家萬(wàn)戶(hù)。隨著人類(lèi)航天技術(shù)以及微波輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，空間太陽(yáng)能電站的設(shè)想可望得到實(shí)現(xiàn)。由于空間太陽(yáng)能電站不受天氣、 氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出 美好的前景，是人類(lèi)大規(guī)模利用太陽(yáng)能的另一條有效途徑。第二章國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能電池的研究主要集中在實(shí)用型的單晶硅太陽(yáng)能電池、高效單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、砷化傢太陽(yáng)能電池、 空間用的硅太陽(yáng)能電池及其系統(tǒng)、 銅銦硒及碲化鎘化合物薄膜太陽(yáng)能電池、 聚光 太陽(yáng)能電池及系統(tǒng)和納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池。對(duì)一些太陽(yáng)能電池用的材料也進(jìn)行 了

36、研究和國(guó)產(chǎn)化。目前，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的研究機(jī)構(gòu)主要集中在大學(xué)和研究所，如北京市太陽(yáng)能研究所、信息產(chǎn)業(yè)部第18研究所、上海811研究所、中科院半導(dǎo)體所、等離 子體所和廣州能源研究所、西安交通大學(xué)太陽(yáng)能研究所、南開(kāi)大學(xué)、上海交通大 學(xué)、云南師范大學(xué)、四川大學(xué)等等。光伏企業(yè)中，無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力公司建立 了研發(fā)中心。表1我國(guó)各種太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室研究的最高效率類(lèi)型最咼效率（%）面積(cm2 )單晶硅電池20.42214-16商業(yè)化GaAs電池21.9仆1多晶硅電池16.02213-15商業(yè)化Cui nSe2 電池12.11匯1CdTe電池13.360. 5多晶硅薄膜電池13.6仆1,非活性硅襯底11.2

37、（單結(jié)）幾平方毫米11.4（雙結(jié)）幾平方毫米非晶硅電池8.610 匯 107.920漢206.230漢30二氧化鈦納米有機(jī)電池101匯1南開(kāi)大學(xué)從1978年開(kāi)始對(duì)非晶硅材料和非晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，至今已有二十多年的歷史。在這期間，南開(kāi)大學(xué)取得了15項(xiàng)研究成果；并獲得實(shí)用新型專(zhuān)利一項(xiàng)；獲得國(guó)家科委、國(guó)家教委“3 0cm*30cm非晶硅太陽(yáng)電池 中試線(xiàn)”重大科技成果獎(jiǎng)一項(xiàng)。并成功地建設(shè)了非晶硅太陽(yáng)能電池試驗(yàn)線(xiàn)和中試 線(xiàn)。為其產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。四川大學(xué)太陽(yáng)能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)下， 率先在我國(guó)開(kāi)展 了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的研究。 在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻

38、關(guān)計(jì)劃課題：“U -切族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽(yáng)電池的研制”?，F(xiàn)在承擔(dān)的“碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的制造技術(shù)及中試生產(chǎn)線(xiàn)”是國(guó)家863計(jì)劃中的重點(diǎn)課題之一，再次創(chuàng)造我國(guó)碲化鎘電池轉(zhuǎn)換效率的新紀(jì)錄一一 13.38%,也創(chuàng)造了我國(guó) 各種新型太陽(yáng)能電池的新紀(jì)錄。專(zhuān)家們認(rèn)為，這項(xiàng)紀(jì)錄是在沒(méi)有使用減反射膜的 情況下得到的，實(shí)際上已接近世界領(lǐng)先水平。目前，該項(xiàng)目已申請(qǐng)和獲得了11項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，所提供的成果既包含全套大面積碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的 制造技術(shù)，還包含1000萬(wàn)元以上的關(guān)鍵設(shè)備。單晶硅太陽(yáng)能電池由于制作工藝復(fù)雜， 使得生產(chǎn)成本很高，遠(yuǎn)不能達(dá)到大規(guī) 模推廣應(yīng)用的要求。多晶硅、非晶硅及鎘碲化合物半導(dǎo)體

39、太陽(yáng)能電池中光的吸收 和電子-空穴的分離幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，為了避免電子-空穴的復(fù)合，所用材料必 需具有高純度而且沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷，這樣造成了半導(dǎo)體材料的高成本。同時(shí)像CdTe、Ga In等還有毒性，這些因素限制了這類(lèi)液結(jié)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步 發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們一直在探索高比表 TiO2薄膜的制備方法，并用光敏化材料對(duì)其敏化以提高光電轉(zhuǎn)換特性， 但是轉(zhuǎn)換效率低，單色光的光電轉(zhuǎn) 換效率一直低于3 % 1991年，瑞士的Gratzel等人提出了一種以羧酸聯(lián)吡啶釘 (II)配合物染料敏化TiO2納米薄膜為光陽(yáng)極，選用含I - / 13 -等低揮發(fā)性鹽作電解質(zhì)制成的納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池 (

40、Na nocrystilli ne PhotoelectrochemicalCell簡(jiǎn)稱(chēng)NPC電池)取得了模擬太陽(yáng)光下(AM 1.5) 7. 1 % 的光電能轉(zhuǎn)換效率。 這種染料敏化的NPC僅在一個(gè)帶上產(chǎn)生載流子，即陽(yáng)極發(fā)生敏化后，電子注入納 米TiO2導(dǎo)帶，而空穴仍留在表面的染料上，因此電荷的重新復(fù)合受到抑制，從 而可以使用純度不高的材料，成本大為降低。此后，NPC電池引起了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。我國(guó)無(wú)論在NPC電池的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都取得了不少階段 性的成果。在科學(xué)研究上，北京大學(xué)黃春暉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在純有機(jī)染料、電極材料的修飾以及多聯(lián)吡啶釘染料的優(yōu)化都取得了較好的結(jié)果；中科院化學(xué)

41、研究所的肖緒瑞教授，林原教授等人在凝膠復(fù)合染料和半固態(tài)電解質(zhì)等方面取得了一 定的結(jié)果；中科院物理所表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孟慶波教授等人在固態(tài)電解質(zhì) 和緊湊有序陣列電極等方面有所創(chuàng)新；中科院等離子所戴松元教授等人對(duì)染料敏 化太陽(yáng)能電池組件及封裝技術(shù)做出了較系統(tǒng)的研究，浙江大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)和華僑大學(xué)對(duì)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池研究也取得較好的成果，在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都與國(guó)際水平相接近，且在該領(lǐng)域具有一定的影響。在產(chǎn)業(yè)化研究上，經(jīng)過(guò)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目和中國(guó)科 學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目的資助，現(xiàn)已在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所建成產(chǎn)業(yè)化初 步實(shí)驗(yàn)線(xiàn)，并接近中試規(guī)模。

42、其中，單片大面積染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池 (15cmx 20cm)的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在5%以上，并通過(guò)拼裝的方式組裝成實(shí)用的 太陽(yáng)能電池板，面積達(dá)到40cmx 60cm以上，室外測(cè)試電池效率達(dá)到 5.5%以上，接近未來(lái)實(shí)用化水平，為目前國(guó)際較高水平，并已突破染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能 電池在電極、密封和連接等應(yīng)用“瓶頸”，近期，在實(shí)驗(yàn)室小批量實(shí)用化生產(chǎn)和 技術(shù)研究上取得重大進(jìn)展，建成500瓦規(guī)模的小型示范電站，其電池方陣面積為14.4平方米，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5% 2005年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟慶波研 究員和陳立泉院士等合作，合成了一種新型的具有單碘離子輸運(yùn)特性的有機(jī)合成 化合物固態(tài)電解質(zhì)，研

43、制的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 了 5.48 %。這些工作都為NPC電池的最終產(chǎn)業(yè)化，知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí) 的基礎(chǔ)。但對(duì)NPC電池來(lái)說(shuō)，目前還存在著以下一些制約因素?，F(xiàn)在公認(rèn)使用效果最好的RuL2(SCN)2的制備過(guò)程比較復(fù)雜，而釘本身 又是稀有金屬，因而價(jià)格比較昂貴，來(lái)源也較困難。另外，二氧化鈦易使染料光 解，從而導(dǎo)致接觸不好。因此，尋找低成本而性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一 個(gè)熱點(diǎn)。在NPC電池研制過(guò)程中，染料光敏化劑的光譜吸收特性和穩(wěn)定性是很 重要的因素，若能找到具有更寬吸收范圍的染料光敏化劑， 有助于提高光電能量 轉(zhuǎn)換率。大量的實(shí)驗(yàn)表明，染料的多層吸附是不可取的

44、，因?yàn)橹挥蟹浅？拷趸伇砻娴拿艋瘎┓肿硬拍馨鸭ぐl(fā)態(tài)的電子順利注入到二氧化鈦導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的存在反而會(huì)阻礙電子的輸送，導(dǎo)致光電能量轉(zhuǎn)換率下降。為使單層吸附的效率提高，可以采取以下方法：使用高比表面的多孔膜來(lái)代替平整膜；提高染料在電極表面的吸附能力，因?yàn)槿玖系募ぐl(fā)態(tài)壽命很短， 只有與電極緊密結(jié)合的染料才有可能將能量及時(shí)傳遞給電極，所以染料最好能化 學(xué)吸附在電極上。另外，設(shè)計(jì)更多、更有效的多吡啶釘化合物，或者其他替代物 也是重要的努力方向第三章低成本高性能可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池3.1可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池研究的重大意義近年來(lái)太陽(yáng)能電池發(fā)展很快，1999年以來(lái)，每年的發(fā)展速度都在 35沖上，

45、 2004年全球產(chǎn)量更是達(dá)到1194MWV可謂發(fā)展迅速。即便如此，世界太陽(yáng)能電池 產(chǎn)量仍然供不應(yīng)求，尤其是德國(guó)實(shí)行了新的并網(wǎng)電價(jià)后， 光伏發(fā)電在德國(guó)成了很 有前途的產(chǎn)業(yè)，吸引德國(guó)民眾踴躍參與，更是加劇了這種供應(yīng)緊張趨勢(shì)。 這種現(xiàn) 象并不是暫時(shí)的，需求量尚未達(dá)到最高峰，隨著歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和一些發(fā) 展中國(guó)家包括中國(guó)繼續(xù)實(shí)施龐大的光伏屋頂計(jì)劃， 對(duì)太陽(yáng)能電池的需求會(huì)更加迫 切。不過(guò)與目前的常規(guī)能源相比，太陽(yáng)能電池的使用成本還是很高。 通過(guò)改進(jìn)現(xiàn) 有的制造工藝，設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本， 提 高光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池研發(fā)的主要方向。 許多科研工作者在這些方面進(jìn)行 了

46、大量的研究工作，南京大學(xué)用可見(jiàn)光響應(yīng)型光電極制備的太陽(yáng)能電池作為新一 代太陽(yáng)能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創(chuàng)性，結(jié)果表明有廣泛 的實(shí)用化前景。它實(shí)際上是一種新型的納米晶太陽(yáng)能電池， 不用或少用染料敏化 劑，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，方便大規(guī)模生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，發(fā)展 可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池具有重要的意義。3.2可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶氧化物半導(dǎo)體薄 膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液（含超敏化劑）和透明電極組成，每層厚度不大 于200nm導(dǎo)電玻璃層除外。其工作原理是，染料分子吸收太陽(yáng)光能后躍遷到激 發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子

47、快速注入到緊鄰的氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶， 而且氧化物半導(dǎo)體本身價(jià)帶上的電子也能被激發(fā)到導(dǎo)帶。 半導(dǎo)體和染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜， 然后通 過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。e-模擬龍陽(yáng)光（AM-1.5,10OmW/cm2（ J1S-陶）導(dǎo)電ftURSnS電解酒辱電性SnO2、皺璃基版圖3可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)注：AM-1.5, 100mW/cm2, JIS-A組是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是指在每平方厘米上有相當(dāng)于100mV的太陽(yáng)能照射。3.3可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的制備技術(shù)可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的制備工藝主要為絲網(wǎng)印刷。清洗并烘干玻璃襯底，用化學(xué)氣相沉積法先在上

48、面沉積一層 SnO2膜制成透明導(dǎo)電玻璃，然后在透 明導(dǎo)電玻璃上鍍一層多孔納米晶氧化物薄膜， 熱處理后吸附上起電荷分離作用的 單層染料構(gòu)成光電極，對(duì)電極由鍍有催化劑（如鉑、碳等）的導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，中 間充入具有氧化還原作用的電解液（如含 I-/I3-的有機(jī)溶劑），經(jīng)密封劑封裝 后，從電極引出導(dǎo)線(xiàn)。3.4關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新該課題組用已開(kāi)發(fā)出的新型可見(jiàn)光響應(yīng)型復(fù)合氧化物半導(dǎo)體制備光電極來(lái)開(kāi)發(fā)新型可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池，波長(zhǎng)在800nm以?xún)?nèi)的光能激發(fā)這種太陽(yáng)能電 池。在不使用有機(jī)染料條件下其太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化率已達(dá)到1.0%;從根本上解決了染料敏化太陽(yáng)能電池壽命低且不穩(wěn)定的弱點(diǎn)。 該課題組最新研究結(jié)果表明，由多種

49、新型可見(jiàn)光響應(yīng)型復(fù)合氧化物半導(dǎo)體制備的光電極配以少量的染料來(lái)敏化電極 可獲得更高的電流和電壓而不會(huì)影響新型可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的壽命。這是世界上第一次可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的研究。用可見(jiàn)光響應(yīng)型光電極制備的太陽(yáng)能電池作為新一代太陽(yáng)能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創(chuàng)性，結(jié)果表明有廣泛的實(shí)用化前景。本項(xiàng)目的 創(chuàng)新之處是利用自己開(kāi)發(fā)的可見(jiàn)光響應(yīng)型電極材料制備太陽(yáng)能電池，有效利用半導(dǎo)體和染料的光吸收，使二者在產(chǎn)生電流過(guò)程中相輔相成， 有望更高的能量轉(zhuǎn)化 效率。該研究成果可以向市場(chǎng)提供高效率、 低價(jià)格的光電轉(zhuǎn)換器件等一系列新產(chǎn) 品，用于民用及軍事之目的。第四章可見(jiàn)光響應(yīng)型太陽(yáng)能電池的研發(fā)計(jì)

50、劃4.1現(xiàn)有研究進(jìn)展該課題組已經(jīng)成功合成了在可見(jiàn)光領(lǐng)域動(dòng)作的氧化物半導(dǎo)體光催化劑，從根本上解決了可見(jiàn)光響應(yīng)型光電極材料。這一成果已于2001年末在Nature上發(fā)表，并開(kāi)發(fā)出一系列新型光催化劑，在更寬的可見(jiàn)光領(lǐng)域（至600nn）有反應(yīng),已申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利4.2研究工作基礎(chǔ)和條件可見(jiàn)光響應(yīng)型光電極材料是整個(gè)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵， 其性能的好壞直接關(guān)系 到太陽(yáng)能電池的效率。該課題組針對(duì)光電極材料做了大量研究工作， 目前已獲得 和申請(qǐng)七項(xiàng)專(zhuān)利：（一）堿金屬和Ag的鉍系復(fù)合氧化物可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑及其應(yīng)用授權(quán)公告日：2005年8月17日專(zhuān)利號(hào)：ZL03158264.8鄒志剛、陳延峰、葉金花【摘要】堿金

51、屬和Ag的鉍系復(fù)合氧化物可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑， 一般式：MBiO3?nH2O 表示的復(fù)合氧化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的光催化劑（在式中，M必須表示Li、Na K、Ag 中的至少一個(gè)元素，0W n 6680 5.1桔紅好5850- 66804.5 - 5.1黃一般5000- 58503.8 - 4.5淺藍(lán)較差4200 50003.2 - 3.8深藍(lán)很差 4200 3.2根據(jù)各地接受太陽(yáng)總輻射量的多少，可將全國(guó)劃分為如下五類(lèi)地區(qū)：一類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為32003300h,年太陽(yáng)輻射總量 6680-8400 MJ/m2相當(dāng)于日輻射量 5.1-6.4KWh/m2，225285kg標(biāo)

52、準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá)8400 MJ/m2（日輻 射量6.4KWh/ m2),居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。二類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為30003200h,年太陽(yáng)輻射總量為5852-6680 MJ/m?相當(dāng)于日輻射量 4.5-5.1KWh/m2，200225kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南 部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。三類(lèi)地區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源中等類(lèi)型地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為22003000h,年太陽(yáng)輻

53、射總量為5016-5852 MJ/m?相當(dāng)于日輻射量 3.8-4.5KWh/m2,170200kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括山東、河南、河北東南部、山西南 部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南 部、蘇北、皖北、臺(tái)灣西南部等地。四類(lèi)地區(qū)是我國(guó)太陽(yáng)能資源較貧乏地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為14002200h,年太陽(yáng)輻射總量4190-5016 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量 3.2-3.8KWh/m2, 140170kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建 北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。五類(lèi)地區(qū)主要

54、包括四川、貴州兩省，是我國(guó)太陽(yáng)能資源最少的地區(qū)， 全年日 照時(shí)數(shù)為10001400h,年太陽(yáng)輻射總量3344-4190 MJ/m?相當(dāng)于日輻射量只有 2.5-3.2KWh/m2, 115140kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。一、二、三類(lèi)地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)大于 2000h,太陽(yáng)能總輻射量高于5016MJ /(m2?a),是我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富或較豐富的地區(qū)。這三類(lèi)地區(qū)面積較大，約占全國(guó)總面積的2/3以上，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。特別是一、二類(lèi)地區(qū)， 正是我國(guó)人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠(yuǎn)的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā) 展較為落后?？沙浞掷卯?dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)能資源， 采用太陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng) 濟(jì)，提

55、高人民生活水平。四、五類(lèi)地區(qū)，雖然太陽(yáng)能資源條件較差，但是也有一 定的利用價(jià)值，其中有的地方是可能開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的?？傊瑥娜珖?guó)來(lái)看，我 國(guó)是太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，具有發(fā)展太陽(yáng)能利用事業(yè)的得天獨(dú)厚的優(yōu)越條 件，只要我們?cè)鷮?shí)實(shí)地努力工作，太陽(yáng)能利用事業(yè)在我國(guó)是有著廣闊的發(fā)展前 景的。太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級(jí)氣象臺(tái)站取得， 也可以從國(guó)家氣象局取得。從氣 象局取得的數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)， 包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和 水平面散射輻射?？梢哉f(shuō)，豐富的太陽(yáng)能資源已成為我國(guó)向太陽(yáng)能電池生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)邁進(jìn)的 重要條件。5.1.2嚴(yán)峻的能源與環(huán)保形勢(shì)中國(guó)是世界上重要的能源生產(chǎn)大國(guó)， 更是世界上

56、的能源消費(fèi)大國(guó)。一方面由 于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了對(duì)能源的高需求， 另一方面由于粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng) 方式也帶來(lái)能源利用效率較低和能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)表明：目前每百萬(wàn)美元能 耗，中國(guó)是世界平均水平的3.1倍，是OECD經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織）國(guó)家和地區(qū)的 4.3倍，更是日本的9倍。中國(guó)已探明的常規(guī)能源資源總量（以噸煤當(dāng)量計(jì)）是155Gt，占世界總量的10.7%,但由于我國(guó)人口眾多，人均能源資源（以噸煤當(dāng)量計(jì)）只有 135t，相當(dāng) 于世界平均擁有量264t的51%中國(guó)能源利用終端效率為33%比發(fā)達(dá)國(guó)家約低 10個(gè)百分點(diǎn)。目前，我國(guó)能源的供應(yīng)狀況為：煤炭比重過(guò)大，環(huán)境壓力沉重， 人均能耗遠(yuǎn)低于世界平均水平

57、，能源技術(shù)落后，系統(tǒng)效率低，產(chǎn)品能耗高，資源 浪費(fèi)大。2004年，我國(guó)的能源消費(fèi)總量為19.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2020 年，我國(guó)一次性能源需求量為2533億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。屆時(shí)，按照33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的 需求量來(lái)衡量，我國(guó)的煤炭供應(yīng)量將達(dá)到 2 9億噸，石油為6.1億噸。然而，到 2020年，我國(guó)煤炭產(chǎn)量最多可能只有 22億噸左右，石油的最高產(chǎn)量也只有 2億 噸，供需缺口高達(dá)7億噸煤和4.1億噸油。此外，我國(guó)的能源供應(yīng)在今后還將面 臨兩個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一是能源決策的國(guó)際環(huán)境復(fù)雜化，對(duì)國(guó)外石油資源的依存度快 速加大；二是世界上化石能源的可持續(xù)供應(yīng)能力也遭遇嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。表2中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)年份煤炭（%石

58、油（%天然氣（%水電（%197870.722.73.23.4198072.220.73.14.0198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1199967.123.42.86.7200467.722.72.67.0上表列出中國(guó)近年來(lái)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。 從表中可以看出中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中有 一個(gè)最為不利的因素，即長(zhǎng)期以來(lái)在能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中煤的比例占70%上,以煤炭作為主要能源，造成嚴(yán)重的大氣污染。煤炭使用過(guò)程產(chǎn)生的污染是中國(guó)最 大的大氣環(huán)境污染問(wèn)題。全國(guó)煙塵排放量的 70%二氧化硫排放量的90%氮氧 化物的67%二氧化碳的70%TE來(lái)自于

59、燃煤。在大氣污染物排放中，SO2排放與電力行業(yè)發(fā)展密切相關(guān)。燃煤電廠是煤炭 的主要用戶(hù)，電力耗煤占煤炭總產(chǎn)量的 60%同時(shí)也是SO2排放大戶(hù)。除了能源 消費(fèi)過(guò)程中的污染物排放外，能源在開(kāi)采、煉制及供應(yīng)過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生大量有 害氣體，嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量。2000年，能源生產(chǎn)相關(guān)行業(yè)煙塵排放量占 全國(guó)煙塵總排放量的29.8%,對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。另外，燃煤產(chǎn)生的氮 氧化物就可能從2000年的1880萬(wàn)噸的水平分別增加到2010年和2020年的2467 萬(wàn)噸和2870萬(wàn)噸的水平。如果加上汽車(chē)尾氣排放的氮氧化物， 未來(lái)20年氮氧化 物的產(chǎn)生量還會(huì)增加。因此，未來(lái) 20年減排氮氧化物的任務(wù)將比

60、減排二氧化硫 還要嚴(yán)峻。水污染物排放：據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)煤礦每年產(chǎn)生的各種廢污水約占全國(guó)總廢污水 量的25% 2000年，全國(guó)煤礦的廢污水排放量達(dá)到 27.5億噸，其中，礦井水23 億噸，工業(yè)廢水3.5億噸，洗煤廢水5000萬(wàn)噸，其它廢水4500萬(wàn)噸。二氧化碳排放：二氧化碳排放與能源結(jié)構(gòu)、消費(fèi)量和能源效率等密切相關(guān)。中國(guó)是世界上僅次于美國(guó)的 CO2排放量大國(guó)，1990年至2000年中國(guó)CO2排放量 由6.66億噸碳增至8.81億噸碳，由占全球排放量的11.6%增至13.7%。環(huán)境污染付出了高昂的經(jīng)濟(jì)和公眾健康成本。 世界銀行根據(jù)目前發(fā)展趨勢(shì)預(yù) 計(jì)，2020年中國(guó)燃煤污染導(dǎo)致的疾病需付出經(jīng)濟(jì)代價(jià)達(dá) 3