光伏材料的发展前景

光伏材料的发展前景

[摘要]光伏材料作为新能源的一种，在目前转化率暂且还不是很高的情况下，仍然具备很高的利用价值。目前，科技领先国正大力研发新型材料来提高光伏转化率。在目前环境问题越来越突出的情况下，光伏材料无疑是一种很好的替代材料。但是，研究过程也遇到过许多问题，包括光伏材料自身也有着许多使用限制，但是总的来说，研发升级光伏材料是有重要意义的，本文就光伏材料的发展前景进行探讨，希望能得到一些启示和预示。

[关键词]光伏材料；发展前景

[Abstract]Photovoltaic materials as a kind of new energy, at the current conversion rate is not very high, still has very high use value. At present, science and technology leading countries are vigorously developing new materials to improve the photovoltaic conversion rate. Under the condition of the current environmental problems more and more prominent, photovoltaic material is undoubtedly a good alternative. However, the research process also encountered many problems, including photovoltaic material itself also has many use restrictions, but overall, the research and development to upgrade photovoltaic material was of great signif icance, this paper discusses the prospects of the development of photovoltaic materials, hope to get some enlightenment and predicted.

[Key words]Photovoltaic materials;Prospects for development

绪论

[研究背景]光伏产业是一个创造神的产业，有传奇也有英雄，然而，随着全球金融危机的渗透，以及国内产业自身等多方面因素的影响，整个光伏产业，无论是上游的多晶硅，还是下游组件厂，无一例外地经历了断崖式下滑。虽然近期多晶硅价格出现了反弹回暖迹象，但专业人士分析，国内光伏产业的发展依旧迷雾重重。PHOTON咨询公司指出，太阳能市场以十分强劲的态势增长，并将持续保持，2005~2010年的年均增长率超过50%，但是多晶硅供应商的市场机遇受到价格、供应和需求巨大变化的影响。后危机时代太阳能模块设施增长的强劲复苏致使多晶硅市场吃紧。按照PHOTON咨询公司的2010年年度太阳能市场报告，在现行政策和经济环境下，预计多晶硅供应在2010~2014年的年均增长率为16%，将达到2014年29万吨/年。能力增长主要受到主要生产商的扩能所驱动，这些生产商包括美国Hemlock半导体公司、OCI公司和瓦克化学公司。分析指出，光伏部门受刺激政策的拉动，正在扩能之中，预计多晶硅供应的年均增长率可望达43%，将使其能力达到2014年近50万吨。

[研究思路]从光伏材料的原理开始研究，通过比较一代代的材料变化，总结规律和经验，推出光伏材料的发展前景。

一、什么是光伏材料

光伏材料【solar cell materials】是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。

二、光伏材料的工作原理

“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年，法国科学家贝克勒尔(A．E．Becqure1)首先发现了“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池(Solar Cel1)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图1所示。PN结两侧因多数载流子(N 区中的电子和P区中的空穴)向对方的扩散而形宽度很窄的空间电荷区w，建立自建电场E i。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子(N 区中的空穴和P区中的电子)却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，如图la、b所示，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子一空穴对，其中的光生非平衡少数载流子(即N 区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子)可以被内建电场E i 牵引到对方区域，然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场E PV一当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

光能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化，从而产生电动势和电流。光电转换材料是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料，主要用于制作太阳电池。太阳电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。而太阳电池主要原料有：晶体硅电池：多晶硅电池：多晶硅(polycrystalline silicon)及单晶硅电池：单晶硅(monocrystalline silicon)。而多晶硅和单晶硅的原料都是多晶硅料(polysilicon),经过提拉（形成单晶硅）铸锭（形成多晶硅）。另外的薄膜电池和第三代电池，大部分都是依靠不同的化学品进行层层的沉积合成，最后得到电池。

三、光伏材料研究现状

第一代光伏发电材料：

当前，太阳能光伏电池材料主要有晶体硅材料，晶体硅包括单晶硅，多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料，高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工工艺基础上。目前，单晶硅电池工艺已近成熟，提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在光照充足的最佳角度，单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20%～24%。多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料，多晶硅光电池的转换效率最高达

18.6%，明显不如单晶硅。为适应光伏市场需求的持续稳定增长，太阳能电池企业不得不以较高的价格购买半导体级硅来生产光伏电池，这无疑增加了光伏产业的成本，制约了光伏产业的发展。随着光伏产业的进一步发展，多晶硅的需求量会越来越大。非晶硅太阳电池具有独特的优势：材料和制造工艺成本低、易于形成大规模生产能力。a-Si 太阳电池易于实现集成化。各种功率、输出电压、输出电流的器件都可以设计制造出来，可以较方便地生产适合不同需求的多种产品。

a-Si 太阳电池光吸收系数高、暗电导量低，适合制作手表电池、计