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

2、料有許多種，如：?jiǎn)尉?硅，多晶硅，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P N結(jié)。 當(dāng)光線(xiàn)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P N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

3、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(lèi) 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

4、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 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)

5、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

6、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 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

7、硅太陽(yáng)能電池最理想的替代 物。7砷化鎵太陽(yáng)能電池GaA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 250C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 MOVPfiLPE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。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

8、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(chēng)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1.0 1.7eV 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%15%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

9、元素，因此，這兩類(lèi)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， 2012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

10、 （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(lèi)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，

11、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(lèi)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

12、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(lèi)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