1、一.引言：太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生 任何的環(huán)境污染。當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約 國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi) 發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。歐洲一些高水平的核研究機(jī)構(gòu)也 開(kāi)始轉(zhuǎn)向可再生能源。在國(guó)際光伏市場(chǎng)巨大潛力的推動(dòng)下，各國(guó)的太陽(yáng)能 電池制造業(yè)爭(zhēng)相投入巨資，擴(kuò)大生產(chǎn)，以爭(zhēng)一席之地。全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)1994-2004年10年里增長(zhǎng)了 17倍，太陽(yáng)能電池 生產(chǎn)主要分布在日本、歐洲和美國(guó)。2006年全球太陽(yáng)能電池安裝規(guī)模已達(dá) 1744MW，較2005年成長(zhǎng)19 %，整個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)值已正

2、式突破 100億美元大 關(guān)。2007年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到 3436MW，較2006年增長(zhǎng)了 56%。中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi) 先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的 3 個(gè)小廠的幾百kW 一下子提升到4個(gè)廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到 2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)的 急劇放大和無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國(guó) 光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。目前，我國(guó)已成為全球主要的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)。2007年全國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到1188MW，同比增長(zhǎng)293

3、%。中國(guó)已經(jīng)成功超越歐洲、日本 為世界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)已 經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)。在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已 經(jīng)形成了各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。中國(guó)的太陽(yáng)能電池研究比國(guó)外晚了 20年，盡管最近10年國(guó)家在這方 面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國(guó)外差距還是很大。政府應(yīng)加強(qiáng) 政策引導(dǎo)和政策激勵(lì)，盡快解決太陽(yáng)能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價(jià)等問(wèn)題。同時(shí) 可借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，在公共設(shè)施、政府辦公樓等領(lǐng)域強(qiáng)制推廣使用太 陽(yáng)能，充分發(fā)揮政府的示范作用，推動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)盡快起步和良性發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但 要替代部分常規(guī)

4、能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總 綠色環(huán)保節(jié)能太陽(yáng)能能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占 比也將達(dá)到10 %以上；至0 2040年，可再生能源將占總能耗的50 %以上， 太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；至0 21世紀(jì)末，可再生能源在能 源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可 以看出，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)前景廣闊。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中；大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具 活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。制作太陽(yáng)能電池主要是

5、以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電 材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，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。本文主要闡述硅太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)和工作原理。二.硅太陽(yáng)能電池2.1硅太陽(yáng)能電池工作原理與結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)， 一般的半導(dǎo)體主要結(jié) 構(gòu)如下：硅材料是一種半導(dǎo)體材料，太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理主要就是利用這種 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。一般半導(dǎo)體的分子結(jié)構(gòu)是這樣的：上圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的

6、四個(gè)電 子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼（黑色或銀灰色固體，熔點(diǎn) 2300 C， 沸點(diǎn)3658 C，密度2.34克/厘米，硬度僅次于金剛石，在室溫下較穩(wěn)定， 可與氮、碳、硅作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應(yīng)，形成金 屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高導(dǎo)電率和化學(xué)惰性的物質(zhì)。）、 磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖 說(shuō)明：平 平 1- - V 旬- we&e- QI T 1 w-e-s-A- 甲 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子，而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車(chē)挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)

7、空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定，容易 吸收電子而中和，形成 P （positive ）型半導(dǎo)體。（附，什么是P型半導(dǎo)體呢？在半導(dǎo)體材料硅或錯(cuò)晶體中摻入三價(jià)元 素雜質(zhì)可構(gòu)成缺殼粒的P型半導(dǎo)體，摻入五價(jià)元素雜質(zhì)可構(gòu)成多余殼粒的 N型半導(dǎo)體。）同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成N (negative )型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色 的為多余的電子，如下圖所示：甲甲f -4Q- 0 - ?#， +7-.Y. - . - - -wy -，IP型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這 樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成

8、電勢(shì)差，這就 是PN結(jié)。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由 于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。 N區(qū)的電 子匯擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)有 N 指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特 殊的薄層形成電勢(shì)差，從而形成 PN結(jié)。當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半 導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。tiiuifKrH由于半

9、導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò) p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)， 電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽(yáng)光就不能 通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)（如圖 梳狀電極）， 以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為 此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），實(shí)際工 業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有 限，于是人們又將很多電池（通常是 36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太 陽(yáng)能光電板。從電的角度來(lái)看，我們所用的硅都是

10、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。所有自由電子會(huì)填充所有 空穴嗎？不會(huì)。如果是這樣，那么整個(gè)準(zhǔn)備工作就沒(méi)有什么意義了。不過(guò)，在交 界處，它們確實(shí)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)達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開(kāi)的電場(chǎng)。O N型硅O F型硅光伏電池中的電場(chǎng)效應(yīng)這個(gè)電場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)二極管，允許（甚至推動(dòng)）電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是 相反。它就像一座山一一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)）。這樣，我們就得到了一個(gè)作用相當(dāng)于二極

11、管的電場(chǎng)，其中的電子只能向一個(gè)方向 運(yùn)動(dòng)。讓我們來(lái)看一下在太陽(yáng)光照射電池時(shí)會(huì)發(fā)生什么。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)，則電場(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，則電子會(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。On型硅p

12、型硅光伏電池的工作原理我們的光伏電池可以吸收多少太陽(yáng)光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡(jiǎn)易電池對(duì) 太陽(yáng)光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸 收率會(huì)這么低？ 可見(jiàn)光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的一一它由一系列不同波長(zhǎng)（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級(jí)）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參閱狹義相對(duì) 論基本原理。） 光可分為不同波長(zhǎng)，我們可以通過(guò)彩虹看出這一點(diǎn)。由于射到電池的光的光子能 量范圍很廣，因此有些光子沒(méi)有足夠的能量來(lái)形成電子空穴對(duì)。它們只是穿過(guò)電 池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強(qiáng)。只有達(dá)到一定的能 量一一單位為電子伏特（eV），由電池材料（對(duì)

13、于晶體硅，約為1.1eV）決定 才能使電子逸出。我們將這個(gè)能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所 需的能量多，則多余的能量會(huì)損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且 可以創(chuàng)建多組電子空穴對(duì)，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會(huì)造成電池 中70%左右的輻射能損失。為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還 決定了電場(chǎng)強(qiáng)度（電壓），如果帶隙過(guò)低，那么在增大電流（通過(guò)吸收更多電子） 的同時(shí)，也會(huì)損失一定的電壓。請(qǐng)記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能 量必須能平衡這兩種效應(yīng)，對(duì)于由單一材料制成的電池，這個(gè)值約為1.4電子伏 特。我們還有其他能量損失。電子必須

14、通過(guò)外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè)。我們 可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導(dǎo)電性。但如果我們將電池頂部完 全鍍上金屬，光子將無(wú)法穿過(guò)不透光導(dǎo)體，這樣就會(huì)喪失所有電流（在某些電池 中，只有上表面而非所有位置使用了透明導(dǎo)體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置 觸點(diǎn)，則電子需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段距離（對(duì)于電子而言）才能抵達(dá)接觸點(diǎn)。要知道， 硅是半導(dǎo)體，它傳輸電流的性能沒(méi)有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻） 相當(dāng)高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金 屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動(dòng)的距離，同時(shí)只覆蓋電池表面的一小部分。即使是 這樣，有些光子也會(huì)被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它

15、自身的電阻就會(huì)過(guò)高。在實(shí)際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個(gè)步驟。硅是一種有光澤的材料，這意味 著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個(gè)原因，在電池頂 部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。最后一步是安裝玻璃蓋板，用來(lái)將電池與元件分開(kāi)，以保護(hù)電池。光伏模塊由多 塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成，以提供可用的電壓和電流等級(jí)，這些 電池放在一個(gè)堅(jiān)固的框架中，后部分別引出正極端子和負(fù)極端子，并用玻璃蓋板 封上。太陽(yáng)光How SWff 敝 rks0玻璃蓋板0 N型硅Q抗反射深層0 P型硅 mmo背部接觸面普通硅光伏電池的基本結(jié)構(gòu)單晶硅并非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還采

16、用了多晶硅，盡管這樣 生產(chǎn)出來(lái)的電池不如單晶硅電池的效率高，但可以降低成本。此外，還采用了沒(méi) 有晶體結(jié)構(gòu)的非晶硅，這樣做同樣是為了降低成本。使用的其他材料還包括砷化 鎵、硒化銦銅和碲化鎘。由于不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對(duì)不同的波 長(zhǎng)或不同能量的光子進(jìn)行了“調(diào)諧”。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具 有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶 隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項(xiàng)技術(shù)可大大提高效率。這樣 的電池稱為多接面電池，它們可以有多個(gè)電場(chǎng)。三.單晶硅、多晶硅、非晶硅三種太陽(yáng)能電池介紹3.1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

17、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基礎(chǔ) 上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(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表面微結(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)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一 13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合.通過(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)程增加 柵極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%，

18、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)換效率達(dá)到19.79%，亥憎埋柵電 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 硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。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)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池，其中多晶硅薄膜 太陽(yáng)

19、能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池就是典型代表。3.2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350-450 um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。化學(xué)

20、氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體，在一 定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)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)題辦法是先用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

21、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)光電發(fā)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(lèi)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，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而

22、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。3.3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)換效率和降低成本。由于非晶硅 薄膜太陽(yáng)能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā) 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發(fā)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

23、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：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；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；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)減小；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，其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法、 LPCVD法等，反

24、應(yīng)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)換效率達(dá)到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)

25、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aSi/aSi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)換效率和較低的成本及重量輕等特點(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 電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。其他太陽(yáng)能電池介紹4.1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

26、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，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。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)、反應(yīng)壓力、

27、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、GalnP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 的電池效率達(dá)到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

28、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)換效率發(fā)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)換效率將達(dá)到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

29、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，這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受 到限制。4.2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 備的研究方向。其原理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（電極）表面進(jìn)行多層復(fù)合，制成類(lèi)似無(wú)機(jī) P-N結(jié)的單向?qū)щ?裝置。其中一個(gè)電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還 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還原電位均

30、高于后者的兩種聚合物的 還原電位。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)移到還原電位較低的電極上，還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)還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，成本底等優(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，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材 料特別是硅電池相比。能否發(fā)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。4.3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

31、發(fā)展最成熟的，但由于成本居高 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)中新近發(fā)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贿€原電解質(zhì)。 納米晶TiO2工作原理

32、：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，染料中失去的電子則很快從電解質(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)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其 光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5-1/10.壽命能達(dá)到 2O年以上。但由于此類(lèi)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)能電池的發(fā)展趨勢(shì)太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)從以上幾個(gè)方面的討論可知，作為太陽(yáng)能電池的材料，III-V族化合物及 CIS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽(yáng)能電池

33、轉(zhuǎn)換效率很高， 但從材料來(lái)源看，這類(lèi)太陽(yáng)能電池將來(lái)不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而另兩類(lèi)電池 納米晶太陽(yáng)能電池和聚合物修飾電極太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題，它們的研究剛 剛起步，技術(shù)不是很成熟，轉(zhuǎn)換效率還比較低，這兩類(lèi)電池還處于探索階段， 短時(shí)間內(nèi)不可能替代應(yīng)系太陽(yáng)能電池。因此，從轉(zhuǎn)換效率和材料的來(lái)源 角度 講，今后發(fā)展的重點(diǎn)仍是硅太陽(yáng)能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。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。提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中考慮的兩個(gè)主要因素，對(duì) 于目前的硅系太陽(yáng)能電池，要想再進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率是比較困難的。因此， 今

34、后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來(lái)，現(xiàn) 有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽(yáng) 能電池最費(fèi)錢(qián)的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來(lái)降低襯 底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽(yáng)能電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。近來(lái) 國(guó)外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的基片，以達(dá)到 降低成本的目的，效果還是比較現(xiàn)想的。中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)先 后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的3個(gè)小廠的幾百kW 一下子提升到4個(gè)廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到

35、2002 年，產(chǎn)量則只有2MW左右。2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)的急劇放 大和無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國(guó) 光伏產(chǎn)業(yè) 帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。目前，我國(guó)已成為全球主要的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)。2007年全國(guó)太陽(yáng)能電 池產(chǎn)量達(dá)到1188MW，同比增長(zhǎng)293%。中國(guó)已經(jīng)成功超越歐洲、日本為世 界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成 了一定的集聚態(tài)勢(shì)。在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了 各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。中國(guó)的太陽(yáng)能電池研究比國(guó)外晚了 20年，盡管最近10年國(guó)家在這方面 逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國(guó)外差距還是很大。政府應(yīng)加強(qiáng)政策 引導(dǎo)和政策激勵(lì)，盡快解決太陽(yáng)能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價(jià)等問(wèn)題。同時(shí)可借鑒 國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，在公共設(shè)施、政府辦公樓等領(lǐng)域強(qiáng)制推廣使用太陽(yáng)能，充 分發(fā)揮政府的示范作用，推動(dòng)國(guó)內(nèi)