太阳能电池种类、发展历史及发展现状

太阳能电池种类、发展历史及发展现状

摘要：太阳是一个巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约3.8×10M焦耳的能量，有22亿分之一投射到地球上。太阳光被大气层反射、吸收之后，还有70%透射到地面。尽管如此，地球上一年中接受到的太阳能仍然高达1.8×10^18kW·h。由于不可再生能源的减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展；太阳电池的发展也日新月异。本文综述了太阳能电池的种类，发展历程以及发展现状。

关键词：发展进程、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、染料敏化层叠太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、纳米晶化学太阳能电池、现状

引言：太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与传统矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可再生等独特优点。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径有很多，有光热电间接转换和光电直接转换，前者主要有太能能热水器等，后者主要指太阳能电池。

太阳能电池发展进程第一代太阳能电池：包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90％以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8％。第二代太阳能电池：第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大规模生产。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。我国南开大学于20世纪80年代末开始研究铜铟硒薄膜电池，目前在该研究领域处国内领先、国际先进地位。其制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过12％。铜铟硒薄膜太阳电池的试生产线亦已建成。我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域其有一定的影响。第三代太阳能电池：第三代太阳电池必须具有以下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究。已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电等。虽然太阳能电池材料的研究已到了第三个阶段，但是在工艺技术的成熟程度和制造成本上，都不能和常规的硅太阳能电池相提并论。硅太阳能电池的制造成本经过几十年的努力终于有了大幅度的降低，但是与常规能源相比，仍然比较昂贵，这又限制了它的进一步大规模应用。鉴于此点，开发低成本，高效率的太阳能电池材料仍然有很长的路要走[3]。

1、单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

为了降低生产成本，地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P>N结。

然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

单晶硅太阳能电池的特点：

(1) 作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。

(2) 单晶制备以及pn 结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。

(3) 硅的密度低，材料轻。即使是50 μm 以下厚度的薄片也有很好的强度。

(4) 与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。

(5) 电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20 年以上的工作寿命。单晶硅太阳能电池因为资源丰富，转换效率高，所以是现在开发最快的产业。但因其制造工艺复杂，需消耗大量的能源，所以有成本高，能回收周期长的缺点。

研究现状：单晶硅太阳能电池因为原料丰富，转换效率高，所以是现在发展最快的产业之一。但单晶硅电池对硅的纯度要求较高，制造工艺复杂，需要消耗大量的能源，加之高纯单晶硅大部分都是从外国进口的，所以成本较高，很难实现商业化普及。单晶硅太阳能电池的转化效率较高，规模生产的电池组件效率可达到12---16%，实验室记录最高达到的转换效率为24.4%。单晶硅太阳能电池要想进一步发展普及，必须降低成本并提高转化效率。

2多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池是以多晶硅为基体材料的太阳能电池。

特点：多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右。高效率多晶硅太阳能单晶硅太阳能电池的缺点是制造单晶过程复杂，能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976 年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达14%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，多晶硅太阳能电池的转换率可以做到比单晶硅太阳能电池的转换率低1.5 个百分点，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。

研究现状：效率低是目前多晶硅薄膜太阳能电池所面临的1个主要问题。因此提高廉价衬底上多晶硅薄膜太阳能电池的效率将是今后一个主要研发方向。实际上，目前几乎所有的制备高效体硅太阳能电池的工艺都用在了薄膜太阳能电池的制备上。由此看来，多晶硅薄膜太阳能电池的效率的提高主要取决于多晶硅薄膜的质量改进。因此，通过采取各种工艺措施在廉价衬底上制备大晶粒、高质量的多晶硅薄膜将依然是今后多晶硅薄膜太阳能电池研发的核心课题。多晶硅薄膜的沉积技术各种各样，至今还没有定论哪种技术是最佳选择。但也可以看出沉积技术一直是沿着低温沉积和高温沉积2个方向发展。固这2条技术路线各有利弊，所以在今后相当长的一段时间内这种局面不会改变。衬底材料的选择范围也很宽，最主要的衬底材料包括低成本硅、玻璃及陶瓷。至今还没有定论何种衬底最佳，可以预见在今后相当长的一段时间内这3种衬底材料的薄膜太阳能电池将共存。

3微晶硅太阳能电池

微晶硅太阳能电池是由介于非晶硅和单晶硅之间的一种混合相无序半导体材料组成的。

微晶硅太阳能电池的优势：