太阳能电池调研报告

图二 光谱平移示意图
3、 可调制的吸收光谱。 量子点是指直径在几个纳米，通常包来自百度文库几十甚至上百个原子的
晶体颗粒。量子点的带宽随尺寸的变化而变化，这样就可以通过控 制量子点的尺寸来调控它对于太阳光不同波段的吸收，由此就可以 利用不同尺寸和不同材料的量子点来设计全波段吸收的太阳能电 池。 4、 中间带和量子阱太阳能电池
四、太阳能电池新模型
制约太阳能电池效率的因素有以下几点： 1、 能量低于半导体带隙的光子不能被吸收产生电子-空穴对， 2、 能量高于半导体带隙的光子激发出一对高能电子-空穴对， 它们会与晶格相互作用，很快分别驰豫到导带底和价带 顶，高于带隙的那部分能量以热的形式散发出去；
针对以上两点因素，人们从拓展电池对入射光的吸收以及利用高于 半导体尽带宽度的光子能量两方面入手，提出了一些新的太阳能电池模 型。
1、 叠层太阳能电池。 叠层太阳能电池就是把不同带隙的子电池堆垛在一起，其中窄
带隙的在下，宽带隙的在上。当光向下辐射时，高能光子先被宽带 隙子电池吸收，激发出电子和空穴，而低能光子穿过上面的电池被 下面的窄带隙子电池吸收、激发[1]。这样就把宽的太阳光谱分割 成不同部分吸收，最大限度地利用了不同能量的太阳光，提高了转 换效率。同时电池的总电压是各级子电池的电压之和，增加了电池 的输出电压值。 2、 光谱转移：上转换和下转换
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]。
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，还是电池效率都不能和无 机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还 有待于进一步研究探索。 4、 燃料敏化太阳能电池 1991年，瑞士科学家Michael Grätzel等人在Nature上报道了 他们制作的基于染料敏化纳米晶TiO2膜的光化学太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)，其能量转换效率达到 7.1%~7.9%，在散射光的条件下更是达到了12%，从此开辟了染料敏
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]
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H2、CH4等化学燃料[1]。
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
化太阳能电池这一新领域，并迅速在世界范围内掀起一股染料电池 的研究热潮。该种类型的电池优点在于它廉价的成本和简单的工艺 及稳定的性能。目前，其光电转换效率超过11%[5]。DSSC的制作成 本只有硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命能达到2O年以上。但由于 此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市 场。
其基本原理是通过添加中间带或量子阱在电池的导带和价带间 增加能级，从而使不同能量的光子都能有效地吸收，激发出更多的 电子和空穴。其中，量子阱给电池提供了定域化得能级，而中间带 给电池提供了连续的小的能带[1]。
五、太阳能电池发展现状
自从1954年第一个可实用性的硅半导体太阳能电池在Bell实验室问 世 [1]，太阳能电池就在世界范围内日益发展起来。据Dataquest的统计 资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮 中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生 产各种相关的节能新产品。图三显示的是1990年到2006年世界太阳能电 池生产量的发展情况，2006年已经达到2500MWp的产量[6]。另外，据有 关机构统计，2008年，世界太阳能电池产量已达5456MW，组件产量已达
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、CdTe、CuInSe2、CIGS等太阳能电 池。
6791MW。可以看出目前太阳能电池的发展越来越快。
图三 世界太阳能电池历年生产量[6]
目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划, 美国能源部推出 国家光伏计划, 计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光 伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究 工作。另外美国还推出了"太阳能路灯计划",旨在让美国一部分城市的 路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电 800 度。日 本也正在实施太阳能“7万套工程计划”，一个标准家庭可安装一部发 电3000瓦的系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家 庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。欧洲则将研究开发太阳能电池列 入著名的"尤里卡"高科技计划，推出了“10万套工程计划”。此外，日 本、韩国以及欧洲地区总共8个国家携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地 区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面 积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供 100万千瓦的电能。20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15% 的增幅持续不断地发展。
光谱频移的办法，即利用上转换（up-conversion）和下转换 （down-conversion）将太阳的宽波段光谱转换成窄波段的光谱， 如图2所示[1]。这样，只要选取合适的半导体材料，就能吸收几乎 所有的光，激发出更多的电子和空穴，提高转换效率。
针对上转换和下转换，人们分别作了理论和实验方面的研究。 经过理论计算人们发现，用上转换器的太阳能电池，其最高理论转 换效率在光聚焦下可达63.2%，而在不聚焦时为47.6%；相比之下， 采用下转换器的带隙为1.1eV的太阳能电池，其最高理论转换效率 在6000K的黑体辐射光谱下可达39.3%。然而，实验上的进展还很缓 慢，还没有利用上转换和下转换的太阳能电池的报道。
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。
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。