硅太阳能电池的应用研究与进展_黄庆举

2009年12月材　料　开　发　与　应　用文章编号:1003-1545(2009)06-0093-04硅太阳能电池的应用研究与进展黄庆举1,2,林继平3,魏长河2,姚若河2(1.茂名学院物理系,广东茂名　525000;2.华南理工大学电子信息学院,广东广州　510640;3.茂名学院理学院,广东茂名　525000)摘　要:介绍了三代太阳能电池的发展历程和最新研究进展,晶体硅太阳能电池在光伏产业中主要朝高效方向发展,认为廉价、高效多晶硅薄膜太阳能电池,是当前太阳能电池研究的热点,也是未来太阳能电池发展的方向。

关键词:太阳能电池;晶体硅;高效电池;光伏产业中图分类号:T K 512 文献标识码:B收稿日期:2008-12-17基金项目:电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室基金资助(5130804108)。

作者简介:黄庆举,1965年生,男,副教授,研究方向:光伏材料与太阳能电池。

E -m a i l :q j h u a n g @s o h u .c o m 太阳能是人类取之不尽,用之不竭的可再生能源,它不产生任何环境污染,是清洁能源。

太阳能电池就是把太阳辐照的光能量转化为电能[1]。

太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快,最具活力的研究,人们研制和开发了不同类型的太阳能电池[2,3]。

太阳能电池其独特优势,超过风能、水能、地热能、核能等资源,有望成为未来电力供应主要支柱。

据估算,假如把地球表面0.1%的太阳能转换成电能,转换效率仅5%,其每年增发的电量也是目前全球耗能的40倍[4]。

硅是一种良好的半导体材料,储量丰富,是地球上储存量第二大的元素,而且性能稳定、无毒,因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料[5～7]。

晶体硅包括单晶硅、多晶硅和非晶硅[8,9]。

从1800年发现光伏效应至今,太阳能电池材料的发展历程可以分为3个阶段。

1　第一代太阳能电池1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池,开始了利用太阳能发电的新纪元,不久后用于人造卫星。

第一代太阳能电池包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池[10]。

1.1　单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为:半导体硅碎片,半导体单晶硅的头、尾料,半导体用不合格的单晶硅[11]。

目前单晶硅薄膜电池的最高转换效率达24.7%[12],但由于单晶硅价格过于昂贵,人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出太阳能电池市场,但是近年来随着太阳能电池朝超薄化发展,工业上已经生产出厚度小于200μm 的电池片,实验室已制备出40μm 厚的电池片[13],使得单个太阳能电池片对原材料的需求大大降低。

1.2　多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅,或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料[14]。

与单晶硅太阳能电池相比,多晶硅太阳能电池成本较低,而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近,它是太阳能电池的主要产品之一[15]。

随着长晶技术和多晶硅太阳能电池制备技术的不断改进,近年来多晶硅太阳能电池的转换效率得到了大幅度提高[16],在光伏组件的成本中,约50%～60%的造价来自于硅原料[17]。

如果采用薄膜太阳能电池,在廉价衬底上沉积硅薄膜作为活性层,40μm 厚的硅薄膜即可吸收80%太阳光[18],与单晶硅电池中至·93·材　料　开　发　与　应　用2009年8月　少200μm 厚的硅片相比,大幅度地削减了硅原料的消耗,相应地也降低了多晶硅薄膜太阳能电池的每峰瓦造价,而电池效率与多晶硅电池相当。

多晶硅薄膜电池的最高转换效率达21.4%[19]。

商业化多晶硅太阳能电池的效率约为13%～16%[20],多晶硅太阳能电池已经占据了光伏市场的大部分份额。

2　第二代太阳能电池2.1　非晶硅薄膜太阳能电池非晶态硅,其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则,而是一种不定形晶体结构的半导体。

非晶硅属于直接带系材料,对阳光吸收系数高,只需要1μm 厚的薄膜就可以吸收80%的阳光[21]。

非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世,非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产。

由于硅原料不足和价格上涨,促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。

非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足,未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。

但是由于非晶硅缺陷较多,制备的太阳能电池效率偏低,且其效率还会随着光照而衰减,导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制[22]。

目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合,生成非晶硅/微晶硅异质结太阳能电池,这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点,而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度[23],目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17.4%[24]。

非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化,也是目前产业规模最大的薄膜电池。

2.2　多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是近几年来太阳能电池研究的热点。

虽然多晶硅属于间接带隙材料,不是理想的薄膜太阳能电池材料,但是随着陷光技术、钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展,人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳能电池。

目前主要用两种技术路线来制备多晶硅薄膜[25]:一种是采用非硅衬底;另一种是采用低品质的硅衬底。

薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳能电池少得多,且易于实现大面积电池的生产,是一种有效降低成本的方法,薄膜电池主要为多晶硅薄膜电池,目前多晶硅薄膜电池的最高转换效率达19.2%[26],薄膜电池被认为是未来大幅度降低成本的根本出路,因此成为太阳能电池研发的重点方向和主流,在技术上得到快速发展,并逐步向商业化生产过渡[27]。

多晶硅薄膜电池既有高效、稳定、资源丰富、无毒的优势,又具有薄膜电池低成本优点,成本远低于单晶硅电池,成为国际上研究开发的热点,国外发展比较迅速,不久将有可能在市场上占据主导地位。

第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。

其核心是一种可粘接的薄膜。

这种薄膜的优势[28]:一是可以大批量、低成本地生产;二是能更好地利用太阳 能。

在薄膜电池中,很薄的光电材料被铺在衬底上,大大地减小了半导体材料的消耗(薄膜厚度仅1μm ),也容易形成批量生产(其单元面积为第一代太阳能电池单元面积的100倍),从而大大地降低了太阳能电池的成本。

薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅。

多晶硅薄膜太阳能电池技术较为成熟,膜电池的光电转换效率只有8%～10%[29],为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率,各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机制,并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。

3　第三代太阳能电池薄膜太阳能电池的研究任务还没有结束,第三代太阳能电池的概念已经提出。

M a r t i n G r e e n [30]认为第三代太阳能电池必须具有如下几个条件:薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒。

目前第三代太阳能电池还在进行概念和简单的试验研究[31]。

已经提出的第三代太阳能电池主要有叠层太阳能电池、多带隙太阳能电池和热载流子太阳能电池等。

第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到95%,而目·94·　第24卷第6期黄庆举等:硅太阳能电池的应用研究与进展前标准太阳能电池的理论转换效率上限为33%[32],这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。

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,在最近几年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在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。

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约占整个太阳能电池产量的90%以上,是最重要且技术最成熟的太阳能电池[33]。

硅太阳能电池是最有发展前景的,目前晶体硅太阳能电池因丰富的原材料资源和成熟的生产工艺而成为太阳能电池研发和产业化的主要方向,但大规模应用需要解决两大难题:提高光电转换效率和降低生产成本。

从转换效率和材料来源考虑,太阳能电池今后的发展重点仍然是硅太阳能电池[34]。

就光电性质对光伏应用的要求而言,晶体硅并非最佳材料,但由于它的固态工艺及对材料本身的研究非常成熟,因此在今后相当长一段时间内,仍将是光伏市场上的主导材料[35];而多晶硅薄膜太阳能电池,它们具有较高的转换效率和相对较低的成本,因此,晶体硅、多晶硅和多晶硅薄膜太阳能电池都将是市场的主导产品。

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