太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

1、.引言1954年Bell實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池.效率為6%。自此開(kāi)啟了太陽(yáng)能電池的新紀(jì)元。硅系太陽(yáng)能電池已從單晶.多晶硅發(fā)展到非晶硅.從塊狀發(fā)展到薄膜.實(shí)現(xiàn)第一代到第二代的的轉(zhuǎn)換。20世紀(jì)后期.各種化合物薄膜電池興起.呈現(xiàn)欣欣向榮的局面。碲化鎘.砷化鎵.銅銦鎵硒如雨后春筍般地登上舞臺(tái)。有機(jī)物薄膜電池也不甘寂寞.在沉寂了數(shù)年之后也煥發(fā)出勃勃生氣。21世紀(jì)注定是太陽(yáng)能利用的新世紀(jì)。那么.在諸多太陽(yáng)能電池中.究竟哪些會(huì)脫穎而出.或者說(shuō)占主導(dǎo)地位呢？一 太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池發(fā)電原理： 太陽(yáng)能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種.如：?jiǎn)尉Ч?多

2、晶硅.非晶硅.砷化鎵.硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同.現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過(guò)程。P型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得N型硅.形成PN結(jié)。 當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí).一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子.使電子發(fā)生了越遷.成為自由電子在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差.當(dāng)外部接通電路時(shí).在該電壓的作用下.將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。晶體硅太陽(yáng)能電池的制作過(guò)程： “硅”是我們這個(gè)星球上儲(chǔ)藏最豐量的材料之一。自從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后.它幾乎改變了一切.甚至人類的思維。20世紀(jì)末.我們的生活中處處可見(jiàn)“硅”的身影和作用.晶

3、體硅太陽(yáng)能電池是近15年來(lái)形成產(chǎn)業(yè)化最快的。二各種太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣1單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一種太陽(yáng)能電池.商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率為16%20% 。原料硅來(lái)源豐富.它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型, 產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。但用作太陽(yáng)能電池的不是普通的硅.而是99.9999%的高純硅。硅的提純工藝復(fù)雜, 電耗很大, 在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總成本中己超過(guò)了1/2。另外.目前冶煉的時(shí)候多用煤炭作為燃料.且用改良西門(mén)子法提純硅時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的硅氯化合物.如果處理不當(dāng).將會(huì)造成很大的污染.這種情形在中國(guó)尤其嚴(yán)重。2多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池使用的多晶硅材料, 多半是含有大量單晶顆粒的集合體

4、, 或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。因此成本相對(duì)單晶硅來(lái)說(shuō)要小.污染也降低了.但隨之而來(lái)效率也降低了.商業(yè)轉(zhuǎn)換效率大概在12%13% 。3無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池由于高純多晶硅價(jià)格飆升.使得晶體硅電池價(jià)格上漲.為薄膜太陽(yáng)能電池帶來(lái)了行業(yè)機(jī)會(huì)。薄膜太陽(yáng)能電池.由于所用材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于塊狀太陽(yáng)能電池.所以成本要遠(yuǎn)低于塊狀太陽(yáng)能電池.當(dāng)然砷化鎵太陽(yáng)能電池除外。4多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池一般采用氣相沉積法制備。它所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少, 又無(wú)效率衰退問(wèn)題, 并且可以在廉價(jià)襯底材料上制備, 其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池, 而效率高于非晶硅薄膜電池。因此,多晶硅薄膜電池將成為薄膜太陽(yáng)能中發(fā)展速

5、度最快的電池。5非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜光伏電池與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的制作方法完全不同, 硅材料消耗少、電耗低能.一般用輝光放電法、反應(yīng)濺射法等制備。它能夠在較低的溫度下直接沉積在廉價(jià)襯底上.有大幅度降低成本的潛力.適合用于建筑光伏一體化以及大型太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).但光電轉(zhuǎn)換效率偏低, 國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右, 且不夠穩(wěn)定, 常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象。因而非晶硅薄膜電池的發(fā)展受到制約。6硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外.又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池.以解決硅系材料普遍存在的冶煉硅污染問(wèn)題。其中主要包括砷化鎵III-V

6、族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦鎵硒薄膜電池等。上述電池中.盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高.成本較單晶硅電池低.并且也易于大規(guī)模生產(chǎn).但由于鎘有劇毒.會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染.因此.并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代物。7砷化鎵太陽(yáng)能電池GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料.其能隙為1.4eV.正好為太陽(yáng)光高吸收率的值.與太陽(yáng)光譜的匹配較適合.且能耐高溫.在250的條件下.光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好.其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30.特別適合做高溫聚光太陽(yáng)電池。但這種電池制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù).因此成本較高。由于鎵比較稀缺.砷有毒.此種太陽(yáng)電池的發(fā)展也受到影響。

7、8銅銦硒、銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池銅銦硒太陽(yáng)能電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽(yáng)電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu).為直接帶隙材料.一般采用真空鍍膜、電沉積、電泳法或化學(xué)氣相沉積法等工藝來(lái)制備.材料消耗少.成本低.性能穩(wěn)定.光電轉(zhuǎn)換效率在10以上。因此是一種可與非晶硅薄膜太陽(yáng)電池相競(jìng)爭(zhēng)的太陽(yáng)能電池。銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)稱CIGS,是在銅銦硒太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上.以鎵取代部分的硒而制成。由于鎵的摻入.使得帶寬在1.01.7eV連續(xù)可調(diào).適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換,另外.這種電池也不存在光致衰退問(wèn)題。制備方法主要有共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。目前最高效率已達(dá)到19.9 % .商業(yè)轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了13%1

8、5%左右。CIGS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料.具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源.由于銦和硒都是比較稀有的元素.因此.這兩類電池的發(fā)展又必然受到限制。無(wú)機(jī)薄膜電池盡管大大節(jié)省了電池材料.但在商業(yè)化時(shí)也面臨了一些難以解決的問(wèn)題：沉積薄膜的速率慢.薄膜晶粒尺寸小.沉積的溫度較高.少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度較短。所以雖然電池的薄膜技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛接受.被認(rèn)為是最具有潛力的方式.但要真正與塊狀電池抗衡還有很長(zhǎng)的一段路要走。三 太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)分析2007年的太陽(yáng)能電池產(chǎn)能.結(jié)晶硅型具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì).占整體的近90。但08年以后該比例將下降.2

9、012年將降至62左右。而非晶硅（a-Si）型、串聯(lián)型和CIGS型將分別增至12、8和7。另外.歐洲和亞洲廠商將涉足此前主要是美國(guó)廠商從事的CdTe（碲化鎘）型太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。因此.2012年CdTe型的構(gòu)成比例將占4.4。但色素增感型仍將不足1。上述數(shù)據(jù)參照了法國(guó)調(diào)查公司Yole Developpement就560家工廠所做調(diào)查的結(jié)果。接下來(lái)看一下08年歐洲、美洲、亞洲以及其它地區(qū)的產(chǎn)能。美洲的結(jié)晶硅型所占比例低于40.但其它3個(gè)地區(qū)超過(guò)了70。在產(chǎn)能最大的亞洲.結(jié)晶硅型的比例非常高.約為90。美洲產(chǎn)能雖不及亞洲和歐洲.但各類型的構(gòu)成比例很有特點(diǎn)。美洲的結(jié)晶硅型產(chǎn)能所占比例較低.但a-Si

10、型、CIGS型和CdTe型的比例都很高。四 太陽(yáng)能電池與環(huán)境為更好地了解太陽(yáng)能帶給能源和環(huán)境的利與弊.美國(guó)羅切斯特理工學(xué)院研究小組的科學(xué)家日前表示.他們完成了有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命周期等多項(xiàng)評(píng)估中的一項(xiàng)。研究結(jié)果顯示.生產(chǎn)有機(jī)太陽(yáng)能電池所需的總能源比生產(chǎn)普通無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的要少。 太陽(yáng)能有望捧起石油能源產(chǎn)品的“接力棒”.承擔(dān)起為人類提供能量的重任。然而.當(dāng)前的太陽(yáng)能電池技術(shù)存在著某些問(wèn)題.比如無(wú)法產(chǎn)生恒定的能量輸出、大規(guī)模生產(chǎn)的成本比較昂貴等。此外.關(guān)于太陽(yáng)能產(chǎn)品對(duì)環(huán)境總體影響的信息也并不完備。該研究項(xiàng)目的帶頭人、羅切斯特理工學(xué)院可持續(xù)性博士項(xiàng)目的博士生安尼克安克狄爾認(rèn)為.有機(jī)太陽(yáng)能電池可卷曲且

11、重量輕.有望低成本生產(chǎn).比主要依靠無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。然而.過(guò)去關(guān)于利用有機(jī)材料生產(chǎn)太陽(yáng)能電池技術(shù)對(duì)能源和環(huán)境影響的評(píng)估并不完整.要獲得更廣泛的分析.還需要更好地評(píng)估無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)和使用的整體影響。在研究中.安克狄爾和同事通過(guò)評(píng)估無(wú)機(jī)太陽(yáng)能技術(shù)的綜合壽命.力圖計(jì)算出有機(jī)太陽(yáng)能電池在材料獲取、制造、大規(guī)模生產(chǎn)和使用中的總能耗以及對(duì)環(huán)境的影響。安克狄爾認(rèn)為.過(guò)去對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)壽命進(jìn)行的評(píng)估中.沒(méi)有包括對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池里各種材料的分類計(jì)算.即沒(méi)有計(jì)算無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的整體能量?jī)斶€.也就是電池使用時(shí)產(chǎn)生的能量與生產(chǎn)時(shí)所需要的能量之比。研究人員發(fā)現(xiàn).與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比.有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量?jī)斶€時(shí)間更短。研究人員表示.他們獲得的數(shù)據(jù)將幫助設(shè)計(jì)人員和潛在的生產(chǎn)商更好地把握如何利用和提高有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)；分析與其他太陽(yáng)能和替代能源技術(shù)