太阳能电池的研究

太阳能电池研究进展

文献综述

吴雨航

（乐山师范学院物理与电子工程学院乐山 614000 ）

摘要：能源和污染问题伴随人类的脚步进入21世纪。太阳能作为清洁能源,是解决人类能源困境的最佳选择。在太阳能的各种有效利用方式中,太阳能电池由于其可以直接将光能转换成电能的优点,成为最简洁光电转换方式。本文主要阐述了文章主要从太阳能电池的发展历程，太阳能电池的种类以及太阳能电池的现状

。

关键词：太阳能电池；太阳能电池种类；光伏效应；研究进展

引言：能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题,据专家估算,以现在的能源消耗速度,可开采的石油资源将在几十年后耗尽,煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源,能很好地同时解决能源和环境两大难题,具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大,大约40min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此,制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景,而且也是时代所需。

1954年美国贝尔实验室制造出第一块实用的硅太阳电池（转换效率只有6％），初期由于价格昂贵只能用于一些特殊的应用，如人造地球卫星上。到了20世纪60年代和70年代初期，太阳电池价格昂贵，每峰瓦的价格以百美元计，只能应用在无电又特别需要电的特殊场合，如航标灯、通讯和照明等。通过半个世纪的努力，大规模生产的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到14％~15％，太阳电池的造价和发电成本已分别降至每峰瓦3美元和每度电25美分，世界太阳电池的年产量达到了540MW。即使如此，其主要应用范围仍然是边远无电地区，解决照明、电视、冰箱、录音机用电以及微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵等的用电。

由于太阳能发电具有无污染、安全、寿命长、维护简单、资源永不枯竭等特点，随着世界范围内能源的短缺以及人们环保意识的增强，太阳能被认为是21世纪最重要的新能源。自20世纪80年代以来其产业得到了迅速发展，光伏产业成为了全球发展最快的新兴行业之一。而作为整个光伏产业的核心，太阳电池也得到了快速发展。

1.太阳能电池的发展进程

1.1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％。

1.2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。

1.3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、多带隙太阳电池等。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[1]。

2．太阳能电池的种类

2.1 硅太阳能电池

硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在大规模应用和工业生产中，单晶硅太阳能电池占据主导地位，但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层(多结)非晶硅太阳电池。

2.2多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm 的高质量硅片上制成的，这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，上世纪70年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前较成功的为化学气相沉积法:包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺。此外，液相外延法(LPE)[2]和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。德国夫朗霍费太阳能研究所采用RTCVD法在SSP衬底上制备的太阳能电池转换效率可达8%以上，国内的北京太阳能研究所也采用RTCVD对多晶硅薄膜太阳能电池的制备作了尝试。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.12%。中国光电发展技术中心的陈哲艮[3]研究员采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率高于非晶硅薄膜电池,具有良好的发展前景。

2.3非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展[4]。目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，以PECVD 法最为成熟。该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过12.15 %[5]。日本中央研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为13.12 %[6]。南开大学的耿新华等[7]采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20×20cm2、转换效率为8.128%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池。由于非晶硅的光学带隙为1.7eV，使材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应[8]，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,该方面研究已取得两大进展:第一，三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%;第二,三叠层太阳能电池年生产能力达5MW[9]。

2.4 多元化合物薄膜太阳能电池

单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。与非晶硅薄膜太阳能电池相比，上述电池具有效率高、成本低、易于大规模生产的特点。但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换