光伏電池的幾種類型.doc

精品文檔光伏電池的幾種類型 光伏電池的幾種類型隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)需求拉動(dòng)和世界各國(guó)產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)，近年光伏發(fā)電快速發(fā)展，在新能源、可再生能源領(lǐng)域中一枝獨(dú)秀，將成為最有發(fā)展前景的主導(dǎo)能源和替代能源。光伏發(fā)電最基本的裝置就是光伏電池。它是利用光伏技術(shù)制作，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件。目前，世界上最常用的光伏電池主要有以下幾種類型：一、單晶硅光伏電池單晶硅光伏電池是開發(fā)較早、轉(zhuǎn)換率最高和產(chǎn)量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率在我國(guó)已經(jīng)平均達(dá)到16.5,而實(shí)驗(yàn)室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的光伏電池采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過(guò)復(fù)拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片經(jīng)過(guò)檢測(cè)、清洗、制絨等工序后，再在表層上摻雜和擴(kuò)散微量元素硼、磷、銻等，形成PN結(jié)，即具備了電池的基本特征。為了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，需要采用Pevcd法等在硅片表面上鍍一層氮化硅減反射膜，同時(shí)還起到保護(hù)作用。然后經(jīng)過(guò)去磷硅玻璃和等離子刻蝕后，采用絲網(wǎng)印刷法，將配制好的銀漿印在硅片上做成柵線，同時(shí)制成背電極，再經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)燒結(jié)工藝，就制成了單晶硅光伏電池片。二、多晶硅光伏電池多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過(guò)程，因而生產(chǎn)時(shí)間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是，在多晶硅材料的生長(zhǎng)過(guò)程中,由于熱應(yīng)力的作用,會(huì)在晶粒中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。再加上金屬雜質(zhì)和氧碳等雜質(zhì)在位錯(cuò)上的聚集,會(huì)造成復(fù)合中心,使電學(xué)性能不均勻,因此大大降低少數(shù)載流子的壽命，影響光伏電池片的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅光伏電池的制造工藝和單晶硅光伏電池相差不大,所用的設(shè)備也基本相同,只是在制造多晶硅光伏電池時(shí)要盡量降低其晶界對(duì)光生載流子的復(fù)合損失。近年來(lái)多晶硅電池片研究和發(fā)展日新月異，經(jīng)過(guò)采取磷和鋁吸雜、氫氣鈍化和建立界面場(chǎng)等工藝措施，從而大大提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12%-15%。三、非晶硅光伏電池非晶硅光伏電池是用非晶態(tài)硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態(tài)硅是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當(dāng)于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過(guò)程與單晶硅和多晶硅相比大大簡(jiǎn)化, 硅材料消耗少, 單位電耗也降低了很多。再加上它有弱光發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。生產(chǎn)非晶硅電池一般采用Pecvd法，主要設(shè)備有玻璃清洗、氣相沉積、激光刻線和磁控濺射等。為了解決非晶硅光伏電池在性能上的不足，人們開始研究一種疊層光伏電池。疊層光伏電池是在已制備的PIN層單結(jié)光伏電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)PIN子電池。 把不同禁帶寬度的材料組合在一起，從而提高光譜的響應(yīng)范圍，減少衰減和提高轉(zhuǎn)換率。目前美國(guó)公司制得的單結(jié)光伏電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13%。由于非晶硅光伏電池具有工藝簡(jiǎn)單、耗硅材料少和成本低、重量輕、弱光發(fā)電、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為最有發(fā)展前景的光伏發(fā)電材料。四、銅銦錫光伏電池銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料，在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積制成的半導(dǎo)體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。制備銅銦硒薄膜電池一般采取真空蒸鍍、硒化法和化學(xué)氣相沉積法等工藝。其中，真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅銦和硒；氣相硒化法是先用蒸鍍法或?yàn)R射法在200-300度較低溫度下生成銅/銦層疊膜等，然后升溫到400-550度，在硒化氫氣體或硒蒸氣中進(jìn)行熱處理，生成銅銦硒薄膜。銅銦硒薄膜電池具有材料消耗少, 成本低, 性能穩(wěn)定和不存在光致衰退等特征。它的光電轉(zhuǎn)換效率從80年代最初8%已發(fā)展到目前的15%，預(yù)計(jì)近年銅銦硒薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%。由于銅銦硒薄膜電池具有的自身優(yōu)勢(shì)特別是光電轉(zhuǎn)換效率目前居各種光伏電池之首等因素，因而被國(guó)際上稱為未來(lái)的廉價(jià)光伏電池, 吸引了眾多機(jī)構(gòu)及專家進(jìn)行研究和開發(fā)。但銦和硒都是比較稀有的元素，制造這類電池將遇到原料制約的瓶頸因素，是投資者所必須充分考慮的。五、砷化鎵光伏電池砷化鎵光伏電池是一種-V族化合物半導(dǎo)體光伏電池。與硅光伏電池相比, 砷化鎵光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率高，硅光伏電池理論效率為23% ,而單結(jié)砷化鎵光伏電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到27%；可制成薄膜和超薄型太陽(yáng)電池，同樣吸收95%的太陽(yáng)光, 砷化鎵光伏電池只需5-10m的厚度,而硅光伏電池則需大于150m；耐高溫性能好，200時(shí),硅光伏電池已不能工作,而砷化鎵光伏電池的效率仍有約10%；可制成效率更高的多結(jié)疊層光伏電池，理論計(jì)算表明:雙結(jié)砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結(jié)砷化鎵電池的極限效率為38 % ,四結(jié)砷化鎵電池的極限效率為41%。砷化鎵光伏電池目前大多用液相外延方法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，因此成本高，產(chǎn)量受到限制，再加上砷化鎵材料的價(jià)格不菲, 在很大程度上限制了砷化鎵光伏電池的普及和發(fā)展。砷化鎵光伏電池目前主要用在航天器上，是最理想的空間應(yīng)用電池。由于它轉(zhuǎn)換效率高和耐高溫，也特別適合做成聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，使其在地面應(yīng)用上得到新的拓展。六、碲化鎘光伏電池碲化鎘是一種化合物半導(dǎo)體,其帶隙最適合于光電能量轉(zhuǎn)換。用這種半導(dǎo)體做成的光伏電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率，目前, 已實(shí)際獲得的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術(shù)方法很多，如電化學(xué)沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉(zhuǎn)運(yùn)法、物理氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對(duì)于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。碲化鎘光伏電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。因此, 碲化鎘光伏電池的制造成本較低,是應(yīng)用前景較好的一種新型光伏電池,已成為美、德、日、意等國(guó)研發(fā)的主要對(duì)象。但是有毒元素鎘對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員健康的危害是不容忽視的。目前專家正在積極研究對(duì)策，相信在不久的將來(lái)會(huì)得到解決，從而使碲化鎘光伏電池成為未來(lái)社會(huì)新的能源之一。七、聚合物光伏電池聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢(shì), 在導(dǎo)電材料表面進(jìn)行多層復(fù)合, 制成類似無(wú)機(jī)P-N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。聚合物光伏電池材料常見的有聚乙烯、聚乙炔和聚對(duì)苯撐乙烯等。真正純凈的共軛聚合物是不導(dǎo)電的。要使它們表現(xiàn)出半導(dǎo)體特征,必須通過(guò)物理?yè)诫s等工藝對(duì)聚合物進(jìn)行離子注入，分別形成P型和N型結(jié)構(gòu)。聚合物太陽(yáng)能電池一般為三明治夾心結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)電玻璃(正極)，聚合物光活性層和Al(負(fù)極)組成。當(dāng)光從某一側(cè)照射活性層時(shí)，產(chǎn)生光伏效應(yīng)形成電流。與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂、光電壓受光強(qiáng)影響波動(dòng)大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體光伏電池相比,聚合物光伏電池因其分子結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計(jì)合成,材料選擇余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特點(diǎn) , 從而對(duì)大規(guī)模