太阳能电池材料的研究及其发展趋势

太阳能电池材料的研究及其发展趋势

摘要：近几十年来，随着全球气候随着全球气候变暖、化石燃料价格高涨，太阳能为主的可再生能源的开发与应用日益得到各个国家和国际组织的认同与支持，这一领域的研究也得以快速发展。太阳能的充分开发和利用，离不开太阳能材料和技术的发展。本报告主要从太阳能光伏发电材料的研究现状入手，收集各种太阳能电池材料的资料，对现今光伏电池材料局势作出分析，并指出其发展趋势。关键词：关键词：太阳能电池材料；光伏发电材料

引言

作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式，光伏发电技术正在全球范围内逐步得到应用。光伏发电技术的实行离不开太阳能电池材料。1839 年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏打效应” 1954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳。能电池，从此太阳能转换为电能的实用光伏发电技术诞生。如今太阳能电池的种类不断增加，应用范围日益广阔，市场规模逐步扩大，太阳能电池的研究在欧洲，美洲，亚洲大规模展开。近几年，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近 40%，美国和日本相继出台了太阳能研究开发计划。随着光伏技术及应用材料的飞速发展，光电材料成本不断下降，光电转换效率逐渐升高，太阳能光伏发电将会越来越显现出优越性。

1 太阳能光伏发电

1.1 太阳能光伏发电的工作原理 1839 年，法国的 Edmond Becquerel 发现了“光伏效应”，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体 P-N 结接受太阳光照产生光伏效应，将光能转化为电能的能量转换器，比光-热-电的转化方式效率高且成本低。图 1 中，太阳光照射到光伏电池表面，吸收了光子，在内部产生处于非平衡状态的电子——空穴对；在 P—N 结内建电场的作用下，电子、空穴对分别被驱向 N，P 区，从而在 P —N 结附近形成与内建电场方向相反的光生电场；光生电场抵消 P—N 结内建电场后的多余部分使 P，N 区分别带正、负电，于是产生由 N 区指向 P 区的光生电动势；当外接负载后，则有电流从 P 区流出，经负载从 N 区流入光伏电池。

1.2 光伏发电运用到的材料

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。

2 太阳能光伏发电材料的研究现状

2.1 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，它被用做人造卫星、太阳能汽车的电源以及城市路灯或街头时钟的电源。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，太阳电池生产的原料是半导体工业的边角废料。多晶硅光电池的转换效率最高达 18.6%，明显不如单晶硅[3]。随着光伏产业的快速发展和半导体工业复苏，来自半导体行业的边角废料已经不能满足光伏产业生产发展的需要。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。在未来几年中，光伏产业将以 25%～30%的速度增长，预计到 2010 年世界光伏产业市场需求多晶硅原料 4.73 t。[1] 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、计算器电池等低功耗电源；a-Si 膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的“大电池”；a-Si 太阳电池的制造方法灵活多样，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。

2.2 第二代光伏发电材料

第二代太阳电池的核心是一种可粘接的薄膜。这种薄膜的优势：一是可以大批量、低成本地生产；二是能更好地利用太阳能。该薄膜的表面呈绒面结构，在显微镜下观察，如同锉刀表面一般，粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。当阳光照在这种薄膜上，光线斜射入电池内，经过各斜面不同角度的折射后，光线又会从电池板的背面反射回表面，大部分光线还能再次从表面反射回电池内，如此多次反复，使光线在电池内的传播路线大大加长。实验证明，光在这种电池内的传播路线是在表面光滑的电池体内所传播路线长度的 25 倍，可大幅度地提高光能的利用效率。[2]CdTe、CIS 等薄膜光伏电池已逐步进入市场，随着薄膜光伏电池技术不断进步，薄膜光伏电池的市场份额将快速增长;多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池，成本远低于晶体硅光伏电池，发展前景广阔;叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限，且有原材料丰富、无毒等优点;光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步，光伏电池生产规模及生产能力快速增长，光伏模块价格大幅降低。

3 光伏发电电池材料的发展趋势

物理学家正试图寻找全新的途径研制新的太阳能电池，他们设想在单晶硅中掺入一些杂质，有意形成晶体内的缺陷，以利用这些缺陷导致额外的光电势能。这样也许可以提高光子电流，但却会丢失一部分开路电压，因此要应用全新的材料。 1、提高光电转换效率的材料从理论研究看，在阳光集中辐照时，利用希泽光电效应可能达到的光电转换效率的极限值为63.2%，但只有使用理想的材料才能达到。若使晶体结构中形成的缺陷能准确无误地出现在所需要的地方，实际上也很难做到。德国科学家正在进行这方面的实验，他们在单晶硅中掺入稀土金属元素铒 Er）来制造太阳电池，以测试它对转换效率可能产生的影响。理论上讲，太阳电池的最高转换效率可以达到 95%，但实际上最多也仅能达到 85%。对于研究太阳能的科学家们来说，能够在现今已取得的光电转换效率最好纪录是 24.8%。 2、降低目前主流光伏电池材料的成本降低硅材料用量是降低价格的主要途径。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。

4 结论

通过了解光伏发电转换原理，我了解了光伏发电过程中的一些发电材料的运用。从一代的单晶硅，多晶硅和非晶硅等材料，到二代的以一种可粘接的薄膜为核心的发电材料，无不展示着世界光伏发电产业的迅速发展和光伏发电材料的进步。最后，通过简单的两点建议提出了未来光伏电池材料的发展趋势主流仍在于提高光电转换效率以及降低电池材料的成本。

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