太阳能光电材料概述

太阳能光电材料概述
摘要：本文介绍了一些新能源的一些方向，并着重讲述了太阳能光电转换材料的一些发展状况。

并且详细讲述了太阳能材料当下的一些科研成果、主要发展状况、太阳能材料的制造工艺及各自的瓶颈。

关键字：新能源、太阳能、发电、光电材料、单晶硅、多晶硅、薄膜、纳米光电材料
一、最佳新能源与其支撑材料
我国现在应用的能源主要是煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源。

这些能源在使用中会排放能够大量的有害物质(二氧化碳、硫、氮氧化合物等)，是造成大气污染和生态环境破坏的主要原因。

不仅如此在最近的20年里，作为世界上人口最多的中国取得了经济速度的最快增长。

随着收入的增加，中国的消费结构发生较大变化。

现在人的生活已经不再仅仅满足于温饱问题，我国的消费与生活观念也越来越受到了西方文化的影响，在大城市中私人轿车已经成为了主要的交通工具。

汽车的大量使用势必要燃烧大量的能源，这样无可避免的会对环境造伤害。

所以，可再生能源作为常规化石燃料的一种替代能源，由于其清洁、无污染、可再生，符合可持续发展的要求，受到许多国家的青睐，将其作为能源发展战略的重要组成部分。

而如今的新能源发电技术主要有这么几种：太阳能、风能、海洋能、核聚变能、地热能、氢能、生物质能。

但即使在这些新能源中，他们也有优劣之分，或因技术不完善，或因不那么绿色而有所差异。

比如风能发电看似环保，在实际实践中却发现因为阻挡了海洋向大陆的风力，而因此改变了大陆的气候环境，而且占用土地面积大，发电成本高。

又如核能不够稳定，万一泄露或者失去控制，造成的影响和后果是不可逆且不堪设想的。

而我认为其中最有潜能的莫过于太阳能发电。

因为太阳能资源开发利用的潜力非常广阔，我国地处北半球，南北距离和东西距离都在 5000 公里以上。

在我国广阔的土地上，有着取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

太阳能光热发电和太阳能光伏发电是利用太阳能的两个主要途径。

太阳能光热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度，然后通过常规的热动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。

太阳能光热发电技术己基本完成了实验室探索阶段，正处在逐步实现商业化的过程中。

光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能通过光伏发电系统直接转化为电能。

光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便，而且光伏发电的效率较高。

因此不论产销量、发展速度和发展前景，光伏发电均优于光热发电。

（1）
太阳能光电转换主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子一空穴对，在PN 结上可以产生光电流和光电压的现象(光伏效应)，从而实现太阳能光电转换的目的。

通常所用的半导体材料是硅、锗和Ⅲ一V化合物等。

一般对太阳能电池材料有如下要求：要充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不能太宽，否则太阳能辐射利用率太低；有较高的光电转换效率；适合量产且材料性能稳定。

目前太阳能电池占主导市场的是单
晶硅电池。

二多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池也在逐步占领市场，并有可能最终取代单晶硅的主导地位。

近年来，随着材料科学的发展，不断有新材料、新工艺出现，纳米光电材料现了太阳能电池的一个新的发展方向。

从太阳能电池的发展历史来看，材料研究起决定性的作用，每一种新材料出现，都给太阳能电池及太阳能光电利用带来一次变革。

随着新材料、新工艺的不断出现，太阳能电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。

（2）
二、太阳能光电材料的种类、开发和制造技术
2.1单晶硅
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。

目前国内外生产单晶硅主要采用提拉法和区熔两种工艺。

通过现代先进的电池工艺，开发的单晶硅电池可分为平面单晶硅高效电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。

为了达到高效率的目的，在平面单晶硅中采用表面积构化，用光刻腐蚀工艺制成倒金字塔结构(表面开口尺寸为10×lO胛)再进行发射区钝化和分区掺杂处理。

所达到的光电转换效率可达到20％左右。

对刻槽埋栅电极单晶硅电池，则利用单晶硅的各向异性，通过化学腐蚀方法在电池表面形成大小不同的金宇塔锥体，再加上刻槽埋栅电极等措施，也可将转换效率提高到20％左右。

现在单昌硅的电池工艺已近成熟，提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

近期国外有关单位叉通过表面纳米构造减反射处理，使单晶硅电池转换效率已达到23％左右。

总的来看单晶硅电池效率有可能还会提高到接近25％左右。

但由于单晶硅生产工艺复杂及相应的繁琐的电池工艺，致使单晶硅电池成本居高不下。

因此要大规模推广太阳能电池靠单晶硅是不可能。

（3）
2.2 多晶硅薄膜
在太阳能电池中，吸收太阳光能量所需的半导体膜的厚度是很薄的。

对硅来说，在太阳光谱峰值附近500nm～600 nm处，吸收系数值为104cm-1数量级，从原理来讲几微米厚度的硅膜，就可以吸收绝大部分的能量。

凶此人们研制了多晶硅薄膜材料，以降低硅太阳能电池的成本。

在廉价衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池能实验室效率已达18％，远高于非晶硅薄膜太阳能电池的效率。

最新研究表明，多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳能电池，并且具有光电性能稳定的特点。

日前，多晶硅薄膜太阳能电池研究和产业化开发工作主要是：在廉价衬底上高温沉积、低温生长和层转移技术，其中最为成熟的就是第一项技术——在廉价衬底上高温沉积。

目前所采用的衬底主要有：多晶硅衬底或冶金硅衬底、石墨包sic衬底，陶瓷衬底，石英衬底，玻璃衬底，甚至有人使用不锈钢衬底。

日前所获得的较好结果主要有：日本三菱公司在si02衬底上制作的多晶硅薄膜太阳能电池，其效率达16.5％；德国Fraunhofer研究所在石墨和sic陶瓷剌料衬底r的薄膜太阳能电池，效率分别为11％和9.3％。

值得注意的是，在这些较好结果的获得过程中大都采用了ZMR技术。

的衬底材料的不同，高温沉积的多晶硅薄膜太阳能电池大致可分为2大类，即低品质石丰材料和非硅材料。

硅为衬底的最大优势在于：衬底与多晶硅薄膜具有相同的热膨胀系数，如果直接在硅衬底上沉积，多晶硅薄膜将体现良好的外延性能。

S．Reber等人以颗粒硅带(SSP)为衬底，采用PECVD，APCVD技术外延生长活性层，制备的多晶硅薄膜太阳能电池的最高
效率为11.2％。

中科院广州太阳能研究所采用RTCVD技术直接在SSP衬底上外延生长得到转换效率为6.05％。

等。

这些材料具有非硅衬底主要是指一些陶瓷材料，如氧化铝,sic，氮化硅，Si0
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优良的力学性能、稳定的化学性质、优良的耐高温性能，且价格低廉而被大量研究。

氧化铝衬底因其低廉的价格和成熟的制备工艺而被广泛研究。

氧化铝衬底的一个缺点是：氧化铝的热膨胀系数约是硅的2倍，因此这种不匹配将不可避免地导致多晶硅薄膜内较大的应力。

sic陶瓷与硅的热膨胀匹配性良好，因此也被用作衬底材料。

（4）
2.3纳米光电材料
光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料，它具有以下特点。

光电材料颗粒处于纳米尺度范围内时，会显示出与块体不同的光学和电学性质，其原因是随着粒径的减小而产生量子化的结果。

由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带能带过渡为分立的能级，因而有效带隙增大，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸量子效应。

量子尺寸效应不仅造成超微粒的光学性质发生变化，而且它的电学性质也有明显的不同，随着颗粒粒径的减少，有效带隙增大，其光生电子与块体相比具有更负的电位，相应地具有更强的还原性，而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。

纳米半导体的另一个显著特性就是表面效应，粒子表面原子所占的比例增大。

例如，一个5cm CdS粒子约有15%的原子位于粒子表面，当表面原子数增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。

表面原子数的增多，原子配位不满以及高的表面能，导致了纳米微粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性。

因此，纳米光蒂娜材料体现出比块体光电材料更高的光催化活性。

（5）
以下是纳米光电材料制备方法的优缺点比较：
三、总结
目前，太阳电池材料主要以硅材料为主，但是硅材料还面临着许多问题，因此一方
面要寻找更为方便易行的硅材料提纯技术以扩大生产，另一方面要采用新技术，在获得同样电能的基础上减少硅材料用量。

另外，要尽快使纳米晶等其他太阳电池材料技术成熟，达到工业化水平，减轻现有硅材料短缺对太阳能行业的影响。

太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。

每一新材料的出现，都给太阳电池及太阳能光电利用带来一次变革。

随着新材料、新工艺的不断出现，太阳电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。

总之，太阳能光伏发电量在2l世纪的能源比例将逐渐加大。

随着太阳电池的价格逐渐降低，在生产和生活中会有更多的太阳能产品被应用。

（6）
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