太阳能电池调研报告

太阳能电池调研报告

一、太阳能概述

随着人类社会的发展，人们对能源的需求也越来越大。目前全世界每年的能源消耗已经达到了4.1 × 1020焦耳，等价于13TW。预计到2050年，世界能源需求将超过现在的两倍，达到30TW；而到本世纪末，需求将达到46TW[1]。相比之下，常规能源的储备已经日益减少，现有常规能源已经完全不能满足人们对能源的需求，如石油只够再用五十年，而煤也只有两百年，新能源的开发已经迫在眉睫。与此同时，化石燃料的使用使得全球环境污染和气候变化问题越来越严重。作为世界上最大的煤炭消耗国，我国的环境污染问题和生态恶化现象都非常严重，所以更需要开发出清洁的可再生能源以缓解这一矛盾。新型能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等一次能源以及氢能、用于核能发电的核燃料等二次能源[2]。由于新能源的能量密度较小、或品位较低、或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用;但新能源大多数是再生能源。资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。目前世界各国都在加紧新能源的开发和利用。

和其他新能源相比，太阳能具有总量大、分布广泛、使用时间长、无污染、取之不尽的优点。首先，太阳能的总量十分巨大，仅辐射到地球表面上的就有120,000TW，远远超过人类目前的能源需求（13TW）。据估算，只要地球上0.16%的陆地都铺上效率为10%的太阳能转换系统，就能提供约20TW的能源[1]；其次，太阳能分布极其广泛，处处都有太阳能，可以就地利用，仅我国而言，2/3的地区年辐射总量大于5020MJ/m2、年日照时数在2200小时以上，其中青藏高原多年辐射总量更是高达6670～8374 MJ/m2；从太阳的“寿命”看，再过50亿年太阳才演变为红巨星，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的；此外，太阳能电池可以一次投资而长期使用。最后，相比火力发电、核能发电，太阳能的利用不会产生污染。

当然，太阳能也有它自身的缺点。太阳能虽然总量大，能流密度却比较小，1m2面积所能接收到的能量平均只有1kW左右，这就需要比较大的面积来收集太阳能；太阳能的地域分布不均匀，不同海拔、不同纬度的地区接收到的太阳辐射是不一样的；此外，由于昼夜的更替、季节的循环，以及各种天气的变化，太阳能的供应是不稳定的[2]。

太阳能的利用方式主要有三种：光电、光热和光化学。光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，其基本装置就是太阳能电池——光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流；光热转换方式是利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高；而光化学主要指太阳燃料，即利用生物技术和工程，设计出高效的能量转换的植物和生物质，以及合成具有光合作用的

分子体系用来制造H

2、CH

4

等化学燃料[1]。

二、太阳能电池原理

如图1所示，太阳光照在半导体p-n结上，能量高于半导体禁带宽度的光子会被吸收，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理，只要有光的情况下，就会源源不断地产生电流。理想情况下，开路电压是由n区和p区的费米能级决定[1]

图一无机太阳能电池的能级原理图[1]

三、太阳能电池分类

太阳能电池可以分为无机太阳能电池（Inorganic Solar Cell）、有机太阳能电池（Organic Solar Cell）和光电化学太阳能电池（Photoelectrochemical Solar Cell）。其中，无机太阳能电池又包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaSe、、CIGS等太阳能电池。

CdTe、CuInSe

2

1、硅系太阳能电池。

a、单晶硅太阳能电池

单结太阳能电池中，单晶硅太阳能电池的转换效率最高，技术也最为成熟。由于硅是间接带隙半导体，对光的吸收弱，至少需要200多微米才能有效吸收入射的太阳光。单晶硅太阳能电池一般是在200~500微米厚的p型硅表面通过扩散形成0.25微米左右的n型半导体层，构成p-n结。为了减少反射，一般表面会腐蚀成倒金字塔型绒面；还有通过厚的氧化物钝化层和减反射涂层来减少反射。目前，单晶硅电池最高转换效率达24.7%，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品就成了一种有效

的策略。

b、多晶硅太阳能电池。

制备多晶硅，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。其它制作工艺与单晶硅太阳能电池相同。多晶硅太阳能电池一般比相同工艺制作的单晶硅太阳能电池效率低，但由于多晶硅的制备对原材料的纯度要求不高，材料的损耗少，相对的耗能少，因此其成本比单晶硅太阳能电池低。2006年，单晶硅太阳能电池的市场份额为38%，多晶硅太阳能电池的市场份额为46%，高于单晶硅太阳能电池。但是，目前相对于常规发电，单晶硅和多晶

硅太阳能电池成本仍然较高。

c、非晶硅太阳能电池

非晶硅中，电子跃迁不必受动量守恒的限制，对光的吸收比晶体硅更有效率，仅数微米的材料就能吸收大部分的入射光。非晶硅太阳能电池一般采用p-i-n结构。非晶硅太阳能电池成本低，便于大面积制备，且可以沉积在

柔性衬底（金属薄片和塑料等）上，因此受到人们重视并迅速发展；但其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，强光更是如此，使得电池性能不稳定，限制了非晶硅太阳能电池的应用。解决问题的途径就是制备叠层太阳能电池。目前，非晶硅电池最高转换效率达到13%。如何解决稳定性问题及进一步提

高转换效率成为继续研究的关键[3]。

2、多元化合物薄膜电池

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族

化合物、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）及铜铟硒（CIS）薄膜电池等[3]

a、III-V族化合物薄膜太阳能电池。

砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，III-V族化合物

化合物材料都是直接带隙半导体，具有较高的光学吸收系数、十分理想的光学带隙、良好的少数载流子寿命和迁移率。抗辐照能力强,对热不敏感，适

合于制造高效单结电池。，目前，世界上转换效率最高的太阳能电池就是GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，高倍聚光条件下，转换效率高达40.7%[4]。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及，现

在主要用于空间利用。

b、CdTe、CIS薄膜太阳能电池。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转

换效率和多晶硅一样。掺Ga能改变其带隙，使材料光吸收与太阳光谱更好的匹配，铜铟镓硒简称CIGS。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

3、聚合物有机太阳能电池

由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。有机太阳能电池和无机太阳能电池的最大区别就是，有机材料受到光激发产生的是束缚的电子-空

穴对，即激子。首先要将激子分离，激子一般在材料的界面处发生电荷分离。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电