太陽能電池技術進展與趨勢

摘 要:本文主要介紹太陽能電池的最新技術進展和太陽能電池的應用， 闡述了單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽電池、化合物薄膜太陽能電池及染料敏化太陽能電池的技術進展和發展前景。

關鍵詞:太陽能電池技術

中圖分類號:TK51文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0086-02

能源是人類社會發展和生活不可或缺的重要基礎，然而隨著人口增長和工業化進程加速導致全球性的能源短缺、環境污染和生態破壞、氣候變暖給人類社會帶來了嚴重的困擾。傳統能源，如煤和油在世界上存量有限，而且過渡開采與使用已經導致了嚴重的環境問題。即使按照目前的使用進度，在幾十年后可開采的石油資源將被耗盡，煤炭資源也僅能供應人類約200年[1]。因此，尋求綠色新能源，實現可持續發展，已成為全世界共同面臨的課題。發展綠色新能源，實現傳統能源和新能源之間的替換是解決能源供問題和減輕環境壓力的有效途徑。太陽能電池具有許多其他發電方式所不具備的優勢:綠色無污染、取之不竭、安全可靠。

1 太陽能電池的技術進展

太陽能電池的工作的基本原理是光生伏特效應，是將太陽光能轉化為電能的裝置。目前太陽能電池主要有晶體硅型和薄膜型兩大類。表1所示為幾種不同類型太陽能電池的最新進展參數[2]。

單晶硅太陽能電池主要采用西門子法生產，從多晶硅中提煉單晶后拉出硅棒，再切割出單晶硅晶圓，經過刻蝕處理生產成太陽能電池組件。生產過程中能耗大、成本高。從表1中可以看出，單晶硅目前的轉換效率還是相當高的，所以目前依然是市場的主導，但是從長遠角度看并不是最理想的太陽能電池結構。

多晶硅太陽能電池采用改進的工藝使得與單晶硅的純度要求相比其成本大幅下降。轉換效率方面還是比單晶硅要低一些。

非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比具有吸光率高、重量輕、工藝簡單、低成本和低能耗等優點。但是轉換效率相對偏低，轉換效率也隨時間而衰退，所以國內外很多研究者也在不斷對其材料和結構進行研究，以期提高它的性能。

化合物薄膜太陽能電池的光轉換效率較高，也易于薄膜化，所以針對化合物薄膜太陽能電池也得到非常高的關注。砷化鎵是非常好的光電材料，其制備的砷化鎵太陽能電池也具有很高的轉換效率，但是由于材料的限制其生產成本很高，部分用作航空和軍用。其他的還有碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池等。碲化鎘具有很好的吸光系數，制造成本低，穩定性好，轉換效率較高，易于大面積產業化。銅銦鎵硒太陽能電池吸光范圍廣，轉換效率高，穩定性好，成本低，但是工藝相對復雜，不利于產業化。

染料敏化太陽能電池的優勢則是成本低廉，制造方式簡便，設備簡單，可以大大降低成本，不過目前轉換效率還不是很高。

2 太陽能電池的發展趨勢

從上面的數據可以看出，目前太陽能電池的轉換效率并不是很高，研究者們在結構和模塊方面進行了大量研究，希望可以提升實際太陽能電池模塊的轉換效率。多結太陽能電池在聚光型光伏領域取得了很大進展。2010年10月6日，美國Spire半導體公司宣布的最新成果:該公司研發的三結砷化鎵(GaAs)太陽電池峰值效率達到了42.3%，聚光條件相當于406個太陽。

單晶硅多晶硅太陽能電池的研究將會繼續，在目前的太陽能產業中，多晶硅都是主要原料。與薄膜太陽能電池相比多晶硅太陽能電池的光電轉換效率更高，但是多晶硅在生產過程中對能源的消耗巨大，四氯化硅等有毒副產品也對環境產生不良影響，能量回收期成為普遍關注的問題，在產業界足以引起大家的反思。

新型薄膜太陽能電池在制造過程中用材少、能耗低、成本低、能量回收期短、對環境污染更小，將是新型太陽能電池的發展方向，需要進一步改進生產工藝提升產品性能并進行大規模生產。碲化鎘和銅銦鎵硒太陽能電池是目前效率較高且產業化的兩種化合物薄膜太陽能電池，但是其中的主要材料銦、碲、鎘是三種稀缺元素，從資源利用和環境保護方面看，大范圍使用當需謹慎。

在結構方面，非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池非常具有吸引力。與表1中非晶硅的數據相比，a-Si/μc-Si疊層結構太陽能電池的轉換效率會比普通非晶硅太陽能電池提升1.5個百分點以上[10]。日本京瓷公司采用先進方法形成高品質的微晶硅，疊加非晶硅層和微晶硅層的串聯構造的薄膜硅太陽能電池實現13.8%的轉換效率。研究人員對電池結構的改進對提升電池模塊的性能取得了不錯的進展。表2中列出了不同疊層結構太陽能電池的參數。

除了結構上的改進，科學家們也對其他可行的形式進行了探索。光波轉換材料，如日本秋田大學的研究小組開發出了將紫外線轉換成可視光、對可視光呈透明狀態的有機材料，使得未能有效利用的紫外線能夠用于光電轉換，可以大幅提高電池轉換效率。抗反射圖層材料，電池涂上了抗反射涂層，或者蝕刻電池的表面以增加光子吸收也能提高電池組件的轉換效率。

在未來較長時間內，多種類型的太陽能電池將會得到同步發展。但是高能耗高成本的太陽能電池可能會從技術上得到改進，否則將會逐漸被其他類型的電池所取代。我們也非常樂意看到疊層薄膜太陽能電池得到飛速的發展，并投入大規模使用，減輕目前所面臨的能源壓力。

3 結語

到2015年，新能源市場會呈現非常多樣的發展。未來的能源市場分別為水利發電360億美元、風力發電241億美元、太陽熱能142億美元、地熱能45億美元、生物質能42.4億美元，而太陽能光電將達到461億美元。太陽能發電將是今后一段時間的主要新能源。

從太陽能電池的發展歷史看，其中的關鍵技術還是要提高光電轉換效率，降低生產成本，降低能耗。只有做到這些才能使太陽能電池發電推廣普及。我們也相信在全世界對能源的需求與對太陽能電池的研發力度不斷加大的情況下，太陽能電池將在新能源中具有越來越重要的地位。薄膜太陽能電池特別是疊層結構的薄膜太陽能電池將逐漸取代晶體硅太陽能電池，走向主流。

參考文獻

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