太陽(yáng)能電池論文

太陽(yáng)能電池材料研究進(jìn)展能源是人類社會(huì)生存和開(kāi)展的重要物質(zhì)根底，是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。特別是在當(dāng)今世界，人類社會(huì)開(kāi)展日益加速，無(wú)論是在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，還是第三產(chǎn)業(yè)效勞業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都是處于人類歷史上空前開(kāi)展最快的一個(gè)階段。社會(huì)的開(kāi)展提高了人類的生活水平，大大加強(qiáng)了社會(huì)生產(chǎn)力，同時(shí)對(duì)能源〔如煤，石油〕的需求和使用也大幅提高，從汽車內(nèi)燃機(jī)到家用用電器，無(wú)不需要能源去運(yùn)作。目前人類開(kāi)發(fā)的主要能源是石油，煤炭和天然氣等化石能源，然而這些能源的一方面儲(chǔ)量有限，按照現(xiàn)在的開(kāi)采速度，再有50年將瀕臨枯竭，另一方面，化石資源造成的全球生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，間接上對(duì)人類的開(kāi)展也造成了不良的影響。因此，開(kāi)展新能源是一件迫在眉睫的事。新能源又稱非常規(guī)能源。是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。新能源的各種形式都是直接或者間接地來(lái)自于太陽(yáng)或地球內(nèi)部深處所產(chǎn)生的熱能，相對(duì)于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，對(duì)于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和資源〔特別是化石能源〕枯竭問(wèn)題具有重要意義。太陽(yáng)能作為一種干凈的可再生新能源，一直受到人們青睞，雖然太陽(yáng)的輻射能量中只有約二十億分之一到達(dá)地球大氣層，但卻是地球光和熱的來(lái)源，因此，關(guān)于太陽(yáng)能的應(yīng)用研究一直受到科研人員和國(guó)家關(guān)注。太陽(yáng)能電池的開(kāi)展歷程太陽(yáng)能的應(yīng)用很主要的一項(xiàng)為哪一項(xiàng)利用太陽(yáng)能發(fā)電，即太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池的研究在很早以前就已經(jīng)開(kāi)始。光照射到材料上所引起的“光起電力〞行為，早在19世紀(jì)的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。1839年,光生伏特效應(yīng)第一次由法國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)。1849年術(shù)語(yǔ)“光－伏〞才出現(xiàn)在英語(yǔ)中。1883年第一塊太陽(yáng)電池由CharlesFritts制備成功。Charles用鍺半導(dǎo)體上覆上一層極薄的金層形成半導(dǎo)體金屬結(jié)，器件只有1%的效率。到了1930年代，照相機(jī)的曝光計(jì)廣泛地使用光起電力行為原理。1946年RussellOhl申請(qǐng)了現(xiàn)代太陽(yáng)電池的制造專利。到了1950年代，隨著半導(dǎo)體物性的逐漸了解，以及加工技術(shù)的進(jìn)步，1954年當(dāng)美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室在用半導(dǎo)體做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對(duì)光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個(gè)太陽(yáng)能電池在1954年誕生在貝爾實(shí)驗(yàn)室。太陽(yáng)電池技術(shù)的時(shí)代終于到來(lái)。1960年代開(kāi)始，美國(guó)發(fā)射的人造衛(wèi)星就已經(jīng)利用太陽(yáng)能電池作為能量的來(lái)源。1970年代能源危機(jī)時(shí)，讓世界各國(guó)發(fā)覺(jué)到能源開(kāi)發(fā)的重要性。1973年發(fā)生了石油危機(jī)，人們開(kāi)始把太陽(yáng)能電池的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般的民生用途上。目前，在美國(guó)、日本和以色列等國(guó)家，已經(jīng)大量使用太陽(yáng)能裝置，更朝商業(yè)化的目標(biāo)前進(jìn)。在這些國(guó)家中，美國(guó)于1983年在加州建立世界上最大的太陽(yáng)能電廠，它的發(fā)電量可以高達(dá)16百萬(wàn)瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國(guó)家也設(shè)立專案，鼓勵(lì)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)安裝低本錢的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)。而推行太陽(yáng)能發(fā)電最積極的國(guó)家首推日本。1994年日本實(shí)施補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)方法，推廣每戶3,000瓦特的“市電并聯(lián)型太陽(yáng)光電能系統(tǒng)〞。在第一年，政府補(bǔ)助49%的經(jīng)費(fèi)，以后的補(bǔ)助再逐年遞減。“市電并聯(lián)型太陽(yáng)光電能系統(tǒng)〞是在日照充足的時(shí)候，由太陽(yáng)能電池提供電能給自家的負(fù)載用，假設(shè)有多余的電力那么另行儲(chǔ)存。當(dāng)發(fā)電量缺乏或者不發(fā)電的時(shí)候，所需要的電力再由電力公司提供。到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，裝設(shè)總?cè)萘恳呀?jīng)有8百萬(wàn)瓦特。一年后，已經(jīng)有9,400戶裝置，裝設(shè)的總?cè)萘恳驳竭_(dá)了32百萬(wàn)瓦特。近年來(lái)由于環(huán)保意識(shí)的高漲和政府補(bǔ)助金的制度，預(yù)估日本住家用太陽(yáng)能電池的需求量，也會(huì)急速增加。在中國(guó)，太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)亦得到政府的大力鼓勵(lì)和資助。2023年3月，財(cái)政部宣布擬對(duì)太陽(yáng)能光電建筑等大型太陽(yáng)能工程進(jìn)行補(bǔ)貼。太陽(yáng)能電池的原理既有這么長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)展，太陽(yáng)能電池的根本原理也已經(jīng)有了很深的研究，太陽(yáng)能電池也叫光伏電池，這也是根據(jù)其原理取的名字，太陽(yáng)能電池的原理是基于光伏效應(yīng)，光伏效應(yīng)是一種光與電子之間相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)。太陽(yáng)能電池的主要成分是硅，硅原子含有14個(gè)電子，排列在三個(gè)不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個(gè)電子層完全填滿。而最外層電子那么處于半滿狀態(tài)，只有四個(gè)電子。硅原子始終會(huì)想方設(shè)法填滿最外面的電子層，為此，它會(huì)與相鄰硅原子的四個(gè)電子共享自身的電子，這就形成了晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于這種類型的光伏電池具有重要的意義。純硅是一種性能很差的導(dǎo)體，因?yàn)樗碾娮硬荒芟胥~這樣的導(dǎo)體中的電子那樣自由移動(dòng)。硅中的電子被全部鎖在晶體結(jié)構(gòu)中。太陽(yáng)能電池中的硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)過(guò)稍稍調(diào)整，以便它能作為太陽(yáng)能電池來(lái)工作。太陽(yáng)能電池使用的硅混有雜質(zhì)——其他原子與硅原子混在一起，這樣會(huì)稍稍改變硅的工作方式。考慮硅與一個(gè)位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬(wàn)個(gè)硅原子配上一個(gè)磷原子。磷原子的外電子層有五個(gè)電子，而不是四個(gè)。它仍然要與硅周圍的原子結(jié)合，但從某種意義上講，磷原子有一個(gè)電子是不與任何原子共用的。它沒(méi)有成為鍵的一局部，但是磷原子核中的正質(zhì)子會(huì)使其保持在原位上。當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)〔比方以熱的形式〕，它會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開(kāi)原子。每有一個(gè)電子離開(kāi)，就會(huì)留下一個(gè)空穴。然后，這些電子會(huì)在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個(gè)空穴。這些電子即為自由載流子，它們可以運(yùn)載電流。不過(guò)，留在純硅中的電子數(shù)量極少，因此沒(méi)有太大的用處。而將純硅與磷原子混合起來(lái)，情況就完全不同了。此時(shí)，只需很少的能量即可使磷原子的某個(gè)“多余〞的電子逸出，因?yàn)檫@些電子沒(méi)有結(jié)合到共價(jià)鍵中。因此，大多數(shù)這類電子會(huì)成為自由電子，這樣，我們就得到了比純硅中多得多的自由載流子。有意添加雜質(zhì)的過(guò)程被稱為摻雜，當(dāng)利用磷原子摻雜時(shí)，得到的硅被成為N型〔“n〞表示負(fù)電〕，因?yàn)楣枥锩嬗泻芏嘧杂呻娮?。與純硅相比，N型摻雜硅是一種性能好得多的導(dǎo)體。實(shí)際上，太陽(yáng)能電池只有一局部是N型。另一局部硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個(gè)而不是四個(gè)電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒(méi)有自由電子〔“p〞表示正電〕，但是有自由空穴?？昭▽?shí)際是電子離開(kāi)造成的，因此它們帶有相反〔正〕的電荷。它們像電子一樣四處移動(dòng)。在將N型硅與P型硅放到一起時(shí)，N側(cè)的自由電子〔它們一直在尋找空穴〕會(huì)跑向P側(cè)的空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來(lái)看，我們所用的硅都是中性的。多余的電子被磷中多余的質(zhì)子所中和。缺失電子〔空穴〕由硼中缺失質(zhì)子所中和。當(dāng)空穴和電子在N型硅和P型硅的交界處混合時(shí)，中性就被破壞了，在交界處，它們會(huì)混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來(lái)越難以抵達(dá)P側(cè)。最終會(huì)到達(dá)平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開(kāi)的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)二極管，允許電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕松地滑下山頭〔到達(dá)N側(cè)〕，卻不能向上攀升〔到達(dá)P側(cè)〕。光伏電池中的電場(chǎng)效應(yīng)這樣，我們就得到了一個(gè)作用相當(dāng)于二極管的電場(chǎng)，其中的電子只能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽(yáng)能電池時(shí)，其能量會(huì)使電子空穴對(duì)釋放出來(lái)。每個(gè)攜帶足夠能量的光子通常會(huì)正好釋放一個(gè)電子，從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場(chǎng)足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，那么電場(chǎng)會(huì)將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會(huì)導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個(gè)外部電流通路，那么電子會(huì)經(jīng)過(guò)該通路，流向它們的原始側(cè)〔P側(cè)〕，在那里與電場(chǎng)發(fā)送的空穴合并，并在流動(dòng)的過(guò)程中做功。電子流動(dòng)提供電流，電池的電場(chǎng)產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。

太陽(yáng)能電池的工作原理下列圖是單晶硅pn結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，其包含上部電極，無(wú)反射覆蓋層，n型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體以及下部電極和基板。單晶硅太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池材料太陽(yáng)能電池在現(xiàn)在擁有著很多優(yōu)勢(shì)，首先太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的，而且使用過(guò)程中不會(huì)造成環(huán)境污染，然而在使用過(guò)程中存在效率低本錢高等問(wèn)題，硅作為研究最早應(yīng)用也最多的一類太陽(yáng)能電池材料，擁有很高的效率，但也只到達(dá)了15%，而且本錢也是很高的，于是人們還研究了其他的太陽(yáng)能電池材料。目前，根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：1、硅太陽(yáng)能電池；2、以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽(yáng)能電池；4、納米晶太陽(yáng)能電池等。不管以何種材料來(lái)制作電池，對(duì)太陽(yáng)能電池材料一般的要求有：1、半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；②要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率：3、材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定?；谝陨蠋讉€(gè)方面考慮，硅是最理想的太陽(yáng)能電池材料，這也是太陽(yáng)能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開(kāi)發(fā)和相關(guān)技術(shù)的開(kāi)展，以其它村料為根底的太陽(yáng)能電池也愈來(lái)愈顯示出誘人的前景。1硅系太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅大陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝根底上的?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用外表織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開(kāi)發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅外表微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池外表織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在外表把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合．通過(guò)改良了的電鍍過(guò)程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過(guò)以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過(guò)23%，是大值可達(dá)23.3％。Kyocera公司制備的大面積〔225cm2〕單電晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池〔2cmX2cm〕轉(zhuǎn)換效率到達(dá)19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池〔5cmX5cm〕轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅本錢價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其本錢是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在開(kāi)展了薄膜太陽(yáng)能電池，其中多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開(kāi)始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒(méi)有停止過(guò)研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積〔LPCVD〕和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積〔PECVD〕工藝。此外，液相外延法〔LPPE〕和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池?；瘜W(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反響氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反響生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問(wèn)題方法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)16.42%。液相外延〔LPE〕法的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國(guó)Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12．2％。中國(guó)光電開(kāi)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長(zhǎng)出硅晶粒，并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池，稱之為“硅粒〞太陽(yáng)能電池，但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見(jiàn)到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其本錢遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低本錢。由于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的本錢低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速開(kāi)展，其實(shí)早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)非晶硅電池的研制工作,近幾年它的研制工作得到了迅速開(kāi)展,目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅作為太陽(yáng)能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV,使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這樣一來(lái)就限制了非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問(wèn)題的這徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池，疊層太陽(yáng)能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽(yáng)能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。疊層太陽(yáng)能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減??；④疊層太陽(yáng)能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法有很多，其中包括反響濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反響原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過(guò)不同的電池工藝過(guò)程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽(yáng)能電池。目前非晶硅太陽(yáng)能電池的研究取得兩大進(jìn)展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)13％，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽(yáng)能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國(guó)聯(lián)合太陽(yáng)能公司〔VSSC〕制得的單結(jié)太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9．3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13％.上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積〔0．25cm2〕電池上取得的。曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13．2％。國(guó)內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽(yáng)能電池的研究并不多，南開(kāi)大學(xué)的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽(yáng)能電池。非晶硅太陽(yáng)能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的本錢及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要開(kāi)展產(chǎn)品之一。2多元化合物薄膜太陽(yáng)能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。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。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，本錢較單晶硅電池低，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砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1．4eV，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反響壓力、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為24．2％，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14．7％．見(jiàn)表2。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到的電池效率到達(dá)31．1％。銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱CIC。CIS材料的能降為1．leV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉(zhuǎn)換效率開(kāi)展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15．3％〔面積1cm2〕。1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17．l％的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計(jì)到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將到達(dá)20％，相當(dāng)于多晶硅太陽(yáng)能電池。CIS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)，將成為今后開(kāi)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，由于銦和硒都是比擬稀有的元素，因此，這類電池的開(kāi)展又必然受到限制。3聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)能電池中以聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開(kāi)始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化復(fù)原型聚合物的不同氧化復(fù)原電勢(shì)，在導(dǎo)電材料〔電極〕外表進(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。其中一個(gè)電極的內(nèi)層由復(fù)原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的復(fù)原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個(gè)電極的修飾正好相反，并且第一個(gè)電極上兩種聚合物的復(fù)原電位均高于后者的兩種聚合物的復(fù)原電位。當(dāng)兩個(gè)修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時(shí)．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到復(fù)原電位較低的電極上，復(fù)原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過(guò)外電路通過(guò)復(fù)原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來(lái)源廣泛，本錢底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開(kāi)始，不管是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比。能否開(kāi)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。4納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)能電池中硅系太陽(yáng)能電池?zé)o疑是開(kāi)展最成熟的，但由于本錢居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近開(kāi)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重視。自瑞士Gratzel教授研制成功納米TiO2化學(xué)大陽(yáng)能電池以來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位也正在進(jìn)行這方面的研究。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池〔簡(jiǎn)稱NPC電池〕是由一種在禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過(guò)渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸粡?fù)原電解質(zhì)。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子那么很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。納米晶TiO2太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的本錢和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作本錢僅為硅太陽(yáng)電池的1/5～1/10．壽命能到達(dá)2O年以上。但由于此類電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的應(yīng)用照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約４０分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類一年的能量消費(fèi)?？梢哉f(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡，用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為最理想的能源。從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正到達(dá)實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低本錢；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。目前，太陽(yáng)能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽(yáng)能電池變換效率最高，已達(dá)２０％以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽(yáng)電池變換效率最低，但價(jià)格最廉價(jià)，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率到達(dá)１０％，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到１－－２美元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽(yáng)電池效率要高得多。如美國(guó)波音公司開(kāi)發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽(yáng)能電池，光電變換效率可達(dá)３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。日本在太陽(yáng)能電池的研究、開(kāi)發(fā)方面一直居世界領(lǐng)先地位，近年來(lái)，日本將研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在低本錢大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)方面，以促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)用化進(jìn)程。目前研究的重點(diǎn)主要集中在大面積薄膜非晶硅、ＣｄＴｅ電池、ＣＩＳ電池的制造技術(shù)，Ⅲ－－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體高效光電池，非晶硅及結(jié)晶硅混合型薄膜光電池，多晶硅低本錢精煉技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面?，F(xiàn)在在日常的生活中，到處可以見(jiàn)到太陽(yáng)能電池的影子，比方說(shuō)太陽(yáng)能熱水器等等，在一些對(duì)于未來(lái)太陽(yáng)能開(kāi)展的報(bào)告中，我們可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用將會(huì)更廣。比方，可以設(shè)計(jì)全部用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)提供能量的房子，供以家用電器運(yùn)行等等。還有很多很多技術(shù)是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或即將實(shí)現(xiàn)的。即便有如此多的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景，但就目前技術(shù)而言，仍然有一些問(wèn)題擺在我們面前。它的主要缺點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。1.光電轉(zhuǎn)化率很低。我們大家都知道，太陽(yáng)光電池主要功能在將光能轉(zhuǎn)換成電能，這個(gè)現(xiàn)象稱之為光伏效應(yīng)。但是這就使得我們?cè)谶x取太陽(yáng)能電池板原材料的時(shí)候，產(chǎn)生了眾多不便的因素。要求我們必須考慮到材料的光導(dǎo)效應(yīng)及如何產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)。不僅要吸光效果，還需要看它的光導(dǎo)效果。所以材料的選取對(duì)于光伏發(fā)電來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很大的約束。必須充足了解太陽(yáng)光的成分及其能量分布狀況，從目前太陽(yáng)能開(kāi)展的情況來(lái)看，材料的選取仍舊是個(gè)待提高的突破點(diǎn)。