第七章 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池技術(shù)1、引言2、太陽(yáng)能電池的工作原理與特點(diǎn)3、太陽(yáng)能電池的分類4、國(guó)外太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)5、國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀6、當(dāng)今國(guó)內(nèi)外新型高效太陽(yáng)能電池技術(shù)引言隨著環(huán)境污染和能源枯竭等問(wèn)題的日益突出，近年來(lái)，世界各國(guó)競(jìng)相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。太陽(yáng)能是人類取之不盡用之不竭的可再生綠色能源，充分利用太陽(yáng)能資源有利于環(huán)境的改善。

太陽(yáng)向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層，到達(dá)地球大氣層的太陽(yáng)能有30％被大氣層反射，23％被大氣層吸收，其余的到達(dá)地球表面，功率約為800000億kW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500萬(wàn)噸煤釋放的能量。太陽(yáng)能資源的優(yōu)缺點(diǎn)及利用方式優(yōu)點(diǎn)：（1）普遍；（2）無(wú)害；（3）巨大；

（4）長(zhǎng)久。

缺點(diǎn)：（1）分散性；（2）不穩(wěn)定性。

太陽(yáng)能的利用方式

（1）太陽(yáng)能的熱利用

所用設(shè)備有平板式太陽(yáng)能集熱器、真空管集熱器、箱式太陽(yáng)灶具等。

（2）太陽(yáng)能的光電利用

利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。

（3）光化學(xué)利用。太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史1954年世界第一塊實(shí)用化太陽(yáng)能電池在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，幷首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當(dāng)時(shí)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機(jī)，從此之后，人們普遍對(duì)于太陽(yáng)能電池關(guān)注，近10幾年來(lái)，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，太陽(yáng)能電池的清潔性、安全性、長(zhǎng)壽命，免維護(hù)以及資源可再生性等優(yōu)點(diǎn)更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實(shí)施龐大的光伏工程計(jì)劃，為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機(jī)遇和巨大的市場(chǎng)空間，太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，幷帶動(dòng)了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽(yáng)能電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大了20倍，今后10年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30％以上的增長(zhǎng)速度發(fā)展。世界太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要節(jié)點(diǎn)1954美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽(yáng)能電池，效率為6％1955第一個(gè)光伏航標(biāo)燈問(wèn)世，美國(guó)RCA發(fā)明GaAs太陽(yáng)能電池1958太陽(yáng)能電池首次裝備于美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8％。1959第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世。1960太陽(yáng)能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到18％。1975非晶硅及帶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世1978美國(guó)建成100KW光伏電站1980單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到20％多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％1986美國(guó)建成6.5KW光伏電站1990德國(guó)提出“2000光伏屋頂計(jì)劃”1995高效聚光GaAs太陽(yáng)能電池問(wèn)世，效率達(dá)32％。1997美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃，日本提出“新陽(yáng)光計(jì)劃”1998單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到24.7％，荷蘭提出“百萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃”2000世界太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計(jì)劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及工作原理太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理上面是摻有5價(jià)元素磷、并依靠大量電子導(dǎo)電的N型半導(dǎo)體。下面是摻有三價(jià)元素硼、并依靠空穴導(dǎo)電的P型半導(dǎo)體。界面處即為PN結(jié)。N型半導(dǎo)體表面布有很細(xì)的金屬柵線，另一面緊貼P型硅。為了減少反射，整個(gè)電池表面覆蓋一層透明的減反射模。太陽(yáng)能電池發(fā)電原理當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池表面時(shí)，大部分光線穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅電池，其中能量大于禁帶寬度的光子被硅吸收以后激發(fā)出光生載流子，在N區(qū)產(chǎn)生的光生空穴向PN結(jié)擴(kuò)散，并被內(nèi)電場(chǎng)推向P區(qū)，P區(qū)的光生電子則被推向N區(qū)。因此在被照射的太陽(yáng)能電池中，N區(qū)積累了大量的電子，而P區(qū)積累了大量的空穴，在PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)了光生電動(dòng)勢(shì)。若在兩電極間接上負(fù)載，則會(huì)有光生電流通過(guò)負(fù)載，從而能完成了將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)太陽(yáng)能電池具有綠色環(huán)保、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、建設(shè)周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單、安全可靠等，同時(shí)，太陽(yáng)能光伏還具有降低溫室氣體和污染物排放、保證能源安全等優(yōu)勢(shì)。符合當(dāng)今世界的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求和趨勢(shì)，它的應(yīng)用十分廣泛。

評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池的指標(biāo)

1、開(kāi)路電壓（）：當(dāng)電勢(shì)增長(zhǎng)到正向電流恰好抵消光致電流時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)的電勢(shì)差稱為開(kāi)路電壓。2、短路電流：當(dāng)外接負(fù)載很低時(shí)流過(guò)電路的電流等于光致電流，稱為短路電流。3、填充因子（FF）：電池最大輸出功率與開(kāi)路電壓與短路電流乘積的比值。實(shí)際中為0.6-0.75。

評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池的指標(biāo)

4、光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到外電路的電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比。

5、能量轉(zhuǎn)換效率：太陽(yáng)能電池的最大功率輸出與入射太陽(yáng)光的能量之比。

太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池根據(jù)所使用的材料的不同，可以分為晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池、有機(jī)物太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池分類按結(jié)構(gòu)分類同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池肖特基太陽(yáng)電池按材料分類硅太陽(yáng)電池敏化納米晶太陽(yáng)電池有機(jī)化合物太陽(yáng)電池塑料太陽(yáng)電池?zé)o機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池按光電轉(zhuǎn)換機(jī)理傳統(tǒng)太陽(yáng)電池激子太陽(yáng)電池種類材料轉(zhuǎn)換效率（％）優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅24.7±0.5耐用、轉(zhuǎn)換效率高，技術(shù)成熟，壽命長(zhǎng)制造能耗高，成本高，工藝復(fù)雜多晶硅20.3±0.5生產(chǎn)成本較低，工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)效率低于單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅11.7±0.4成本低，工藝簡(jiǎn)單，在弱光下也可以工作轉(zhuǎn)換效率偏低，且存在光致衰減問(wèn)題砷化鎵（GaAs）24.5±0.5光學(xué)帶隙十分理想，較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感材料價(jià)格不菲碲化鎘（CdTe）16.5±0.5效率較高，成本低廉，穩(wěn)定，易于規(guī)模生產(chǎn)原材料鎘有劇毒銅銦鎵硒（CIGS）19.5±0.8價(jià)格低廉，性能良好，工藝簡(jiǎn)單銦和硒比較稀有有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)物3.0±0.1有韌性，成本低廉，選擇余地大，加工容易，可制造面積大對(duì)光的吸收率低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池染料敏化TiO210％具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，成本低廉，工藝簡(jiǎn)單敏化劑的制備成本高太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過(guò)程中，對(duì)于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國(guó)家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽(yáng)電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)用戶太陽(yáng)能電源1.小型電源10-100W不等，用于邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等

太陽(yáng)能電源太陽(yáng)能逆變器2.3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；3.光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉

交通領(lǐng)域如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。通訊/通信領(lǐng)域太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。石油、海洋、氣象領(lǐng)域石油管道和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池海洋氣象監(jiān)測(cè)標(biāo)

家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光伏電站10KW-50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。國(guó)外太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)(1)晶硅電池追求降低成本與制造能耗①新一代多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍②繼續(xù)向高效化、薄型化和大面積方向進(jìn)展——降低每瓦成本●轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高：14%→18%→20%；●硅片面積越來(lái)越大：從103mm×103mm→125mm×125mm→156mm×156mm→210mm×210mm（目前主流），未來(lái)兩年將達(dá)到210mm×210mm；

●硅片越來(lái)越?。?00μm→270μm→210μm→180μm。100μm的厚度正在研發(fā)。（2)薄膜太陽(yáng)能電池在未來(lái)5年將成為主流薄膜電池具有安全、可折疊、方便連接、輕巧、抗熱性能好、不易破損等特點(diǎn)。目前，世界上至少有40個(gè)國(guó)家正在開(kāi)展低成本、大面積、高效率的薄膜電池的實(shí)用化技術(shù)研究，先后發(fā)展了非晶硅、碲化鎘、CIS等薄膜電池。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)，近期薄膜電池的需求增長(zhǎng)速度將是晶硅電池的兩倍，2013年之前薄膜硅和晶硅電池都在發(fā)展，但2013年后薄膜硅電池將成主流。（3）基于新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝等下一代新型太陽(yáng)能電池不斷涌現(xiàn)。國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

2003－2007年5年間，世界太陽(yáng)能電池的平均增長(zhǎng)速度為35％，而中國(guó)太陽(yáng)能電池年平均增長(zhǎng)速度高達(dá)150%。2007年中國(guó)光伏電池年產(chǎn)量約1GW，占世界的1/4，僅次于日本和歐洲位居全球第三。2006～2007年，陸續(xù)有10家中國(guó)光伏企業(yè)在海外上市。盡管如此，由于面臨越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和硅材料短缺等問(wèn)題，中國(guó)的太陽(yáng)能電池行業(yè)存在著嚴(yán)重的問(wèn)題。

我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的特征（1）在材料—電池片—組件—應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中，呈現(xiàn)明顯的小頭大尾現(xiàn)象，組件及應(yīng)用系統(tǒng)因其技術(shù)門檻和投資門檻低、投資見(jiàn)效快，生產(chǎn)廠家的數(shù)量遠(yuǎn)多于上游企業(yè)；（2）位于產(chǎn)業(yè)源頭的硅材料嚴(yán)重依賴于歐美日等國(guó)，應(yīng)用市場(chǎng)主要依賴于國(guó)際市場(chǎng)。硅原料短缺成為制約我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

目前，太陽(yáng)能電池的性能不斷改進(jìn)，主要目的是降低生產(chǎn)成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率。作為太陽(yáng)能電池材料，其中:

（1）由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品；

（2）Ⅲ-Ⅴ族化合物及銅銦鎵硒（CIGS）等屬于稀有元素，盡管轉(zhuǎn)換效率高，但從材料看，該類電池不可能占據(jù)主導(dǎo)地位；CdTe太陽(yáng)能電池受到主要原料鎘有毒的影響，他的推廣必須搭配龐大的回收體系，目首前廠商投入較少。CIGS電池的高轉(zhuǎn)換效率（目前產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率據(jù)各類薄膜電池之首）以及μc-Si(含堆棧型電池)的大面積生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，則獲得更多廠商積極的追捧，未來(lái)也都有市場(chǎng)的發(fā)展空間。（3）染料敏化納米TiO2薄膜太陽(yáng)能電池的研究已經(jīng)取得了喜人的成績(jī)，但存在敏化劑的制備成本以及液態(tài)電解質(zhì)的易泄露、電極易腐蝕、電池壽命短等缺陷，使得制備全固態(tài)太陽(yáng)能電池成為一個(gè)必然方向，但目前全固態(tài)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率都不很理想。