太陽能電池技術應用與發展

趙書利 葉烽 朱剛

（中國船舶重工集團公司712研究所，武漢430064）

1 引言

太陽能電池，是一種能有效地吸收太陽輻射能，并使之轉變成電能的半導體器件，由于他們利用各種勢壘的光生伏特效應，所以也稱為光伏電池，其核心是可釋放電子的半導體。最常用的半導體材料是硅。地殼硅儲量豐富，可以說是取之不盡、用之不竭。

當太陽光照射到半導體表面，半導體內部N區和P區中原子的價電子受到太陽光子的激發，通過光輻射獲取到超過禁帶寬度 Eg的能量，脫離共價健的束縛從價帶激發到導帶，由此在半導體材料內部產生出很多處于非平衡狀態的電子空穴對。這些被光激發的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導體中復合恢復到平衡狀態。其中復合過程對外不呈現導電作用，屬于太陽能電池能量自動損耗部分。光激發載流子中的少數載流子能運動到P—N結區，通過P—N結對少數載流子的牽引作用而漂移到對方區域，對外形成與P—N 結勢壘電場方向相反的光生電場。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯的方式組合在一起，構成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。

制造太陽能電池的半導體材料有合適禁帶寬度非常重要。不同禁帶寬度的半導體，只能吸取一部分波長的太陽光輻射能以產生電子空穴對，禁帶寬度越小，所吸收的太陽光譜的可利用部分就越大，而同時在太陽光譜峰值附近被浪費的能量也就越大。可見，只有選擇具有合適禁帶寬度的半導體材料，才能更有效地利用太陽光譜。由于直接遷移型半導體的光吸收效率比間接遷移型高，故最好是直接遷移型半導體[1～3]。

2 太陽能電池技術優勢

1）燃料免費；

2）沒有磨損、毀壞或需替換的活動部件；

3）保持系統運轉僅需很少的維護；

4） 系統為組件，可以在任何地方快速地安裝；

5）無噪聲、無有害排放和污染氣體[2]。

3 太陽能電池發展的意義

1) 保護氣候；

2) 改善環境；

3) 節省空間；

4) 增加就業；

5) 為農村提供電力；

6) 大力推進普及電力服務，為無電人口提供電力；

7) 中國是最大的發展中國家，發展經濟需要太陽能電池保障能源供給[2]。

4 太陽能電池技術分類

根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：

1) 硅系太陽能電池；

2) 以無機鹽如砷化鎵Ⅲ 一V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化臺物為材料的電池；

3) 納米晶太陽能電池等；

4) 有機半導體太陽能電池。

不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：

1) 導體材料的禁帶不能太寬；

2) 要有較高的光電轉換效率；

3) 材料本身對環境不造成污染；

4) 材料便于工業化生產且材料性能穩定。

基于以上幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發和相關技術的發展，以其它材料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

5 各類太陽能電池簡介

1) 硅太陽能電池

晶體硅太陽電池分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池，其中單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。自1954年貝爾實驗室發表了具備 6%光電效率的電池后，隨著集成電路的發展，借助于電子級單晶硅材料制備工藝技術的成熟，單晶硅太陽電池發展很快，一直是市場的主角。在電池制作中，一般都要采用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術，目前開發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，提高轉換效率主要靠單晶硅表面微結構處理和分區摻雜工藝。

多晶硅光伏電池比單晶硅光伏電池的材料成本低，是世界各國競相開發的重點，它的研究熱點包括：開發太陽級多晶硅生產技術、開發快速摻雜和表面處理技術、提高硅片質量、研究連續和快速的布線工藝、多晶硅電池表面織構化技術和薄片化、高效化電池工藝技術等，以進一步降低成本。

2) 以無機鹽如砷化鎵等Ⅲ 一V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池。

為了尋找單晶硅電池的替代品，人們除開發了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵等Ⅲ一V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。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能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，容易產生環境污染問題，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代品。

砷化鎵等Ⅲ一V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉換效率而受到人們的普遍重視。CaAs屬于Ⅲ 一V族化合物半導體材料，其能隙為1.4 e V，正好為高吸收率太陽光的值，是很理想的電池材料。CaAs等Ⅲ 一V化合物薄膜電池的制備主要采用 M0VPE和 LPE技術，其中M0VPE方法制備CaAs薄膜電池受襯底位錯、反應壓力、Ⅲ 一 V比率、總流量等諸多參數的影響。除CaAs外，其它Ⅲ 一V化合物如GaSb、GaInP等電池材料也得到了開發。1998年德國費萊堡太陽能系統研究所制得的 CaAs太陽能電池轉換效率為 24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結構制備CaAs／GaSb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，CaAs作為上電池，下電池用的是GaSb，所得到的電池效率達到31.1%。

銅銦硒CuInSe 簡稱CIS，CIS材料的能隙為1.1 e V，適于太陽光的光電轉換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題 因此，CIS用作高轉換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。[4,5]

3) 納米晶太陽能電池

納米 TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發展的，優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的 1/5～1/10，壽命能達到 20年以上。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

4) 有機半導體太陽能電池

以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待于進一步研究探索[6]。

5) 硅薄膜電池

薄膜光伏電池, 其薄膜厚度一般在2～3 μm。其中包括硅薄膜型(主要包括多晶硅、非晶硅和微晶硅)、化合物半導體薄膜型(主要包括非結晶型(a2Si： H , a2Si： H： F , a2Six2Gel - x： H 等)、III - V族( GaAs, InP等)、II -V I族(Cds系)和磷化鋅( Zn3 P2 )等)、新材料薄膜型電池(主要包括聚合物薄膜太陽能電池和染料敏化太陽能電池。)

多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%，工業規模生產的轉換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據主導地位。

非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

6 各種太陽能電池技術比較

如表1，列出了主要的太陽能電池技術比較。

表1 各種太陽能電池技術比較

7 太陽能電池技術發展及應用趨勢

至今，太陽能電池已經發展到了第2代。第1代太陽能電池包括單晶硅和多晶硅 2種, 工業化產品效率一般為 13% ～15%, 目前可工業化生產、可獲得利潤的太陽能電池就是指第1代電池。但是由于生產工藝等因素使得該類型的電池生產成本較高。第2代太陽能電池是薄膜太陽能電池, 其成本低于第 1代, 可大幅度增加電池板制造面積, 但是效率不如第 1代，國際國內市場正在火熱進行第2代產品的投資。在將來的第3代太陽能電池應該具有上兩代的綜合特征： 薄膜化、高效率、原材料豐富和無毒性。可望實現的第3代電池效率的途徑包括； 疊層電池、多帶光伏電池、碰撞離化、光子下轉換、熱載流子電池、熱離化、熱光伏電池等[7]。從表 1中列出的實用化太陽能電池產品中可以大體看出，單晶硅、多晶硅技術成熟、光電效率轉化效率高，但由于成本高，人們致力于價格低廉的多晶硅、非晶硅薄膜電池的開發以及砷化鎵等Ⅲ一V族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等其他材料太陽能電池的開發。從技術成本上看，有希望發展成與單晶硅、多晶硅太陽能電池相抗衡的是沒有污染、價格低廉、穩定性好的多晶硅薄膜電池和沒有光電效率衰退效應、轉換率較高、穩定性好、工藝簡單的CIS電池。CIS電池的缺點是使用的銦和硒元素稀缺，發展會受到資源的限制。

[1]李衛民. 聚合物太陽能電池激勵及實驗研究. 華中科技大學博士學位論文.

[2]李俊峰, 王斯成, 張敏吉等. 中國光伏發展報告.2007.

[3]范永杰, 於黃忠, 林文健. 太陽能電池的原理及結構研究進展. 中國材料科技與設備，2008( 2)：16-19.

[4]N. B. Chaure, J. Young, A. P. Samantilleke, et al.Electro-deposition of p-i-n CuInSe2 Multi-layers Forphotovoltaic Applications [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004,81：125-133.

[5]Deb S K. Recent Development in High Efficiency PV Cells[J].Renewable Energy, 1998,15(1/4)：467-472.

[6]Frederik C. Krebs. Fabrication and Processing of Polymer Solar Cells： A Review of Printing and Coating Techniques. [J]Solar Energy Materials and Solar Cells：93(2009)394-413.

[7]成志秀，王曉麗. 太陽能光伏電池綜述. 信息記錄材料，2007(2)：41-47.