新能源材料论文

摘要

本文根据制作材料的种类和状态的不同将太阳能电池分为以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，并对每种太阳能电池进行了简要的介绍。对于不同材料的太阳能电池的优缺点进行了比较和分析，从而为以后改进与发展提供依据。采用图表的方式，介绍了目前世界各国不同太阳能电池的实际生产量。由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。概括介绍了几种新的技术探索方向，为今后的科学研究指明了方向。

关键词太阳能电池工作原理单晶硅多晶硅化合物有机物薄膜纳米晶

引言

当今世界，随着人类对传统资源如煤矿等的过度开采和利用，引发了一些环境污染问题，也引起了社会各界人士的广泛关注，如今，能源问题已成为全球关注的重大问题。各大国在经济竞争的同时，也在竞争着对新能源的开发及利用。因而，为了使人类更加合理地利用自然资源，同时也为了国家的可持续发展，新能源材料的研发已经成为国家科技战略的基本内容。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式，主要包括太阳能、地热能、风能、海洋能以及由可再生能源衍生出的生物燃料和氢所产生的能量。

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。新能源材料主要包括：太阳能电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料、反应堆核能材料。

一.材料介绍

1、光伏材料

太阳能光伏材料是目前我国正大力发展的新能源材料。

光伏材料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、非晶硅、多晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。其中单晶硅、多晶硅、非晶硅材料已实现批量生产。我国财政部现已出台十大措施助力光伏产业发展，其中一条是"金太阳工程"。该工程的重点内容将是以国家财政补贴的形式，支持国内光伏市场的启动，计划在近2-3年的时间内，在全国建立500兆瓦的光伏发电示范项目。除此之外，光伏电站和光伏并网发电等项目，都将成为“金太阳”工程补贴的重点。

目前我国国内著名的太阳能公司有无锡尚德，江西赛维LDK，保定天威英利，晶澳太阳能，浙江昱辉。

然而太阳能光伏产业依然面临着挑战：如何进一步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的应用创造条件。

2、反应堆核能材料

反应堆核能材料以铀、氘、氚为代表。

其中铀是高能量的核燃料，１千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤。虽然陆地上铀的储藏量并不丰富，且分布不均匀，只有少数国家拥有，然而在海

水中，却含有丰富的铀矿资源。海水中溶解的铀有45亿吨，然而海水中含铀的浓度很低，1000吨海水只含有3克铀。要从海水中提取铀，需要处理大量海水，技术工艺十分复杂。其中海水提铀的主要方法是吸附法、共沉法、气泡分离法以及藻类生物浓缩法等。

氘和氚都是氢的同位素。它们的原子核在一定的条件下，互相碰撞聚合成较重的原子核 --氦核，同时释放巨大的核能。氘-氚反应时能放出1780万电子伏特的能量。然而氘 -氚的核聚变反应，需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。这样的反应，已经在氢弹上得以实现。但是用于生产目的的受控热核聚变在技术上还有许多难题，需待科学家们去解决。

3、镍氢电池材料

镍氢电池由氢氧化镍正极、储氢合金负极、电解液等组成。

储氢合金负极材料主要包括AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型储氢合金、Laves 相合金。

镍氢电池是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一，具有单体容量大、放电特性平稳、通用性强、发热量小等优点。缺点是体积大、自身重量大。

镍氢电池标称电压1.2V，在充足电的情况下可达1.35V，与普通AA类碱性电池电压相近，基本上可以通用，镍氢电池的放电特性非常好，放电曲线也非常平滑，到电力快要消耗完时，电压突然跌落，这一点接近于镍铬电池，但是瞬间放电电流不如镍铬电池。另外，镍氢电池采用无汞设计，这对于环境保护具有重大意义。

同镍铬电池一样，镍氢电池也采用化学物质的可逆反应来实现充电与放电过程。所以在充放电过程中，电池内部会产生大量气体，电池内部的压力相对较大，因此，镍氢电池都设计有排气用的排气孔，防止因内部压力过大发生爆炸。目前我们所接触到的GP系列电池，之所以看不到排气孔，是因为电池顶部安装有一个圆形的塑料片，用来防止异物堵塞排气孔和防止正极帽同负极的外壳短路。

4、锂离子电池材料

目前锂离子电池的负极材料以碳质材料为主，包括中间性炭微球和改性天然石墨等，锂离子电池正极材料主要为LiCo02，同时LiMn204，LiFePO4和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。

锂离子电池的优点有：工作电压高；比能量高；循环寿命长；自放电小；记忆效应小；对环境无污染。

我们平时所使用的手机电池、笔记本电池都是锂离子电池，锂离子电池产业在我国也发展得十分繁荣。

新能源材料的研发是全球科研的趋势，作为当代大学生，应当抓住这个机遇，积极投身新能源事业，通过提高新能源的技术工艺，克服生产难关，来达到绿色、环保、和

谐的科技创新之路。

二.太阳能电池的种类及发展方向

根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以个别简单介绍。

单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池。硅的禁带宽度为1.leV，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到12—16%。

与其他种类的太阳能电池相比，单晶硅电池的转换效率为最高。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量地以较便宜的价格得到。最新的动向是向超薄、高效发展，不久可有100μm左右甚至更薄的单晶硅太阳能电池问世。德国的研究已经证实40μm厚的单晶硅电池的效率达到20％。

单晶硅太阳能电池以半导体材料制成大面积P—N结进行工作，单晶硅太阳能电池一般采用同质P—N结的结构，即在面积约10cm2的P型硅片上用扩散法制出一层很薄的经过重掺杂的N型层。在N型层上面制作金属栅线，形成正面接触电极；在背面制作金属膜，作为欧姆接触电极。为减少光的反射损失，在整个表面覆盖一层膜，即减反射膜。

当阳光从电池表面入射到内部时，入射光分别被各区的价带电子吸收并激发到导带，产生电子一空穴对。势垒的作用将电子扫人N区，而将孔穴扫入P区。各区产生的光载流子在内建电场的作用下，反方向越过势垒，形成光生电流，实现光一电转换过程。如图1所示为P—N结光电转换的原理图。

图1 P—N结光电转换的原理图

单晶硅太阳能电池的实验室实现的转换效率达到24．7％，为澳大利亚新南威尔士大学创造并保持，是目前除了GaAs以外效率最高的太阳能电池产品。与GaAs不同，

高效单晶硅电池实现了规模化生产。

多晶硅太阳能电池

单晶硅电池以其转换效率高、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛应用。但单晶硅对原料的纯度要求高，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广和应用。

多晶硅太阳能电池以其转换效率较高(19．8％)、性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。多晶硅太阳能电池使用的材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳能电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，电耗低，总的生产成本较低。

多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的不同之处在于电池的表面存在多种界面，与单晶硅的(100)晶面相比，得到理想的绒面结构比较困难，因此要有多种形式的减反射处理。

非晶硅太阳能电池

非晶硅是硅和氢(约10％)的一种合金，它对阳光的吸收系数高，其光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。1μm厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足单晶硅的1／100。活性层对硅材料的需求量大大减少，可明显节省昂贵的半导体材料。同时沉积温度低(约200℃)，减少能源消耗，并可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产。另外，由于非晶硅材料光学带隙相对较宽，所以比单晶硅有更好的温度特性。在同样的工作温度下，非晶硅太阳能电池的饱和电流远小于单晶硅太阳能电池，而短路电流的温度系数却高于单晶硅电池的1倍，这十分有利于在较高温下保持较高的开路电压和曲线因子。

在盛夏，太阳能电池表面温度经常达到60～70℃，具有良好的温度特性十分重要。据报道，在空间应用时，由于辐照和高温的原因，初始稳定效率为9％的非晶硅太阳能电池，其性能优于初始效率为14％的单晶硅太阳能电池。缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1．7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减(即光致衰退)，使电池性能不稳定。

目前非晶硅电池仍处在发展之中。与晶体硅太阳能电池不同，非晶硅薄膜太阳能电池在制备过程中可实现单体电池的内连接，即非晶硅电池可直接制成所需的电参数的组件形式。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好。非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照的时间加长而减少，经过170℃—200℃的退火处理，又可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler和Wronski发现，被称为S—K效应。S—K 效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。

非晶硅的制备多用硅烷作为原料，主要可通过化学气相沉积工艺。目前生产非晶硅太阳能电池多采用等离子增强化学气相沉积，可用单室沉积，也可多室沉积。掺杂气主要有硼烷和磷烷。

有机太阳能电池

有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。

有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计合成.材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。

与无机硅太阳能电池相比，其具有结构可设计性、材料重量轻、制作成本低、加工性能好、便于制造大面积太阳能电池和能吸收可见光等优点，尽管这类电池的光电转化效率目前还比较低，但由于上述优良的性能，已被国际上誉为第四代太阳能电池。有机太阳能电池存在着室外条件下长时间的稳定性、温度变化对太阳能电池性能的影响、液体电解质溶液的封装和泄露等关键问题。要实现有机太阳能电池的适用化，必须解决在有机太阳能电池中遇到的这些关键问题，或者研究和发展有机固体太阳能电池。自1992年Heeger等发现从共轭聚合物到富勒烯的光诱导快速电子转移，电荷分离的量子效率接近100％以来，有机太阳能电池(含富勒烯)的研究取得了长足的进展，得到了光电转换效率为3．5％的有机太阳能电池器件。

有机太阳能电池的工作原理（如图3）是基于半导体的光伏打(photovoltic)效应，所以太阳能电池又称为光伏打电池。其基本原理：①一定光照射到光敏材料时，具有能量的光子被光敏材料吸收，就会激发一个电子从价带跃迁到导带，而在价带处留出空位，这一空位称为空穴，空穴带有正电荷。这样在材料内部产生新的电子和空穴对，从而改变了材料的导电性质；②在传统的半导体中，被激发的电子和形成的空穴会自由地向相反电极移动，而在导电聚合物中，受入射光子激发而形成的电子和空穴则会以束缚的形式存在，成为激子；③通常这些电子一空穴是在光子激发时形成，如果在电场或在界面处，这些电子一空穴对就会分离成电子和空穴，也就是所谓地带电载流子，它们地迁移就形成了光电流。

图3有机太阳能电池的工作原理

为了有效地将光能转化成电能，有机太阳能电池必须满足以下条件：①在有机太阳能电池的激活区域光吸收必须尽可能的大；②光子被吸收后产生的自由载流子必须足够的多，表明存在内部电场；③产生的载流子应能低损耗地到达外部电路，这样才能得到较大的光电转换效率。

三.太阳能电池的现状和发展方向

1954年，美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4％，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。后来，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4kW的屋顶家用光伏系统可以满足一个普通家庭

的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。

的用电需要，每年因此少排放的CO

2

由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本

将可与火力发电竞争。

目前，太阳能电池能源的年均增长率为35％，是能源技术领域发展最快的行业。图5所示世界各国太阳能电池实际生产量的分配比例。（1-单晶硅；2-多晶硅p-Si；3-非晶硅；4-其他）

图5世界各国太阳能电池实际生产量的分配比例。

提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。在降低成本方面，硅太阳能电池主要还是通过减少硅片厚度实现；而在提高转换效率方面，对新的太阳能电池技术的探索已经开始：

（1）叠层电池技术

将不同带隙宽度（Eg）的材料，按Eg大小从上到下迭合起来制成。选择性的吸收太阳光谱的不同区域，可大幅度的提高转换效率。计算表明，两结叠层电池的理论转换效率为50％，三结电池为56％，36结为72％，无限多结为86.6％。

（2）多光谱太阳电池技术

将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱，而不用多结，可降低成本。先利用热激发光发射二极管产生窄带光谱，再通过热光和光电转换，理论效率为50％；还能利用特殊的能带结构，吸收一个高能光子而产生两个电子空穴对，提高转换效率。

（3）多能级、多带技术

利用耦合多量子阱和量子点结构形成的子带，可充分利用太阳光谱，提高转换效率。在带隙中引入N个带会扩大吸收长波光子的能量范围，理论预测其效率为86.8％。

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