太阳能电池的研究现状及发展前景

太阳能电池的研究现状及发展前景

摘要：能源危机和环境污染已经成为当今世界各国面临的共同问题。同时具有清洁可再生、优势的太阳能电池已经越来越受到人们的关注。本文综述了太阳能电池的种类，并就其研究现状、存在的问题、解决的途径以及发展趋势等做了一些分析。

关键词：太阳能电池研究现状发展趋势

前言：太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与传统矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可再生等独特优点。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径有很多，有光热电间接转换和光电直接转换，前者主要有太能能热水器等，后者主要指太阳能电池。本文主要综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。

1太阳能电池的原理

当太阳光线照射到太阳能电池表面由P、N两种不同类型的半导体材料构成的P—N结时、一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，形成电子空穴对。在P—N结内建电厂的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，如果从材料两侧引出电极，并接上负载就会产生电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率。此即太阳能电池发电的基本原理。

2太阳能电池种类

根据材料种类和状态的不同，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，薄模型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏感化纳米晶太阳能电池等，下面分别予以介绍。

单晶硅太阳能电池具有很多特点：

➢作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。

➢单晶硅制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺做保证。

➢硅的密度低，材料轻。即使是50um以下厚度的薄片也有很好的强度。

➢与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高

➢电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。

单晶硅太阳能电池因为原料丰富，转换效率高，所以是现在发展最快的产业之一。但单晶硅电池对硅的纯度要求较高，制造工艺复杂，需要消耗大量的能源，加之高纯单晶硅大部分都是从外国进口的，所以成本较高，很难实现商业化普及。单晶硅太阳能电池的转化效率较高，规模生产的电池组件效率可达到12---16%，实验室记录最高达到的转换效率为24.4%。单晶硅太阳能电池要想进一步发展普及，必须降低成本并提高转化效率。

多晶硅太阳能电池所用的硅较单晶硅太阳能电池少很多，又没有效率衰退问题，并有可能在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，并且实验室效率已经达到18%，远高于单晶硅薄膜电池的效率。

非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展。目前非晶硅太阳能电池的制备方法很多，以PECVD法最为成熟。该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过12.5%。非晶硅太阳能电池结构有各种不同，其中有一种较好的PIN电池，它是在衬底上先沉积一层惨磷的n型非晶硅，再沉积一层未掺杂的I层，然后再沉积一层掺磷的p型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此工艺易于实现工业化大批量生产。目前非晶硅电池存在的主要问题是光转换效率低，国际先进水平只有10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰退的现象，所以尚未大量用于作为大型太阳能电源，而多半用于弱光源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机方面。估计效率衰退问题克服后，非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展。

多元化合物薄膜太阳能电池主要包括砷化镓III--V族化合物，如硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。上述电池中尽管硫化镉、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，成本较单晶硅低，并且也易于大规模生产，但是由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题，因此并不是制做太阳能电池的理想材料。

有机物太阳能电池的制备工艺简单（真空蒸镀或涂敷），具有制造面积大、价格低廉、简易、柔性等优点，可以制备在卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池，目前有机太阳能电池在特定条件下的光转换效率已经达到9.5%。

纳米晶化学太阳能电池是新型太阳能电池，目前仍在研制过程中，其中纳米晶Ti02太阳能电池倍受关注。纳米晶Ti02太阳能电池光电效率在10％以上，制作成本为硅太阳能电池的l／5～1／10，寿命可达到20年以上。纳米硅薄膜叠层太阳能电池的载流子迁移率、电导率和光学吸收系数都比多晶硅和非晶硅高，其光学带系也可由纳米尺度调节到理想太阳能电池所需要的带系区域。因此可提高其转换效率。

3太阳能电池的产业瓶颈以及解决途径

一般希望太阳能电池具有以下特性：

➢转换效率高

➢制造能耗少

➢制造成本低

➢材料丰富

➢电池使用寿命长

➢无公害

目前世界太阳能电池产业已经出具规模，1995年到2004年的十年内平均年增长率达到30%以上。目前太阳能电池的推广应用主要还是靠政府投资和扶持，主要原因或者说阻碍其推广应用的瓶颈还是成本

太高，因此必须努力降低成本，提高效率。

在太阳能电池组件提高转换效率方面，对能量损失进行分析发现太阳能转换过程中的损失主要在热损失，以及电子与空穴的复合，再就是pn结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善，理论预测，其转换效率可达到40%以上。

太阳能电池要想实现更广泛的普及，首先，要减少材料损耗；其次，要减少制造过程中的能耗；第三，要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性；第四，要减少生产线设备投资，降低太阳能电池产业的进入门槛；第五，要扩大生产规模和采用更大面积的基片。

4太阳能电池发展的新概念和新方向

随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。基于上述太阳能电池的发展背景和现状分析，目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为薄膜电池、叠层电池、柔性电池以及新型概念太阳能电池。

薄膜电池的出现有力于缩短光生载流子在器件中的扩散距离，降低复合及湮灭的几率，使得在吸光程度大致相当的前提下提高太阳能电池的效率。

叠层太阳能电池的性能可以得到叠加。每一个叠层单元由于感光部分的光响应性能不同，可以分别吸收利用不同波段的太阳光，经过叠层，太阳光可以在全波段上都得到较好的吸收，同时由于器件之间