太阳能电池技术应用与发展

赵书利 叶烽 朱刚

（中国船舶重工集团公司712研究所，武汉430064）

1 引言

太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。

当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度 Eg的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N结区，通过P—N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体[1～3]。

2 太阳能电池技术优势

1）燃料免费；

2）没有磨损、毁坏或需替换的活动部件；

3）保持系统运转仅需很少的维护；

4） 系统为组件，可以在任何地方快速地安装；

5）无噪声、无有害排放和污染气体[2]。

3 太阳能电池发展的意义

1) 保护气候；

2) 改善环境；

3) 节省空间；

4) 增加就业；

5) 为农村提供电力；

6) 大力推进普及电力服务，为无电人口提供电力；

7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给[2]。

4 太阳能电池技术分类

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：

1) 硅系太阳能电池；

2) 以无机盐如砷化镓Ⅲ 一V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化台物为材料的电池；

3) 纳米晶太阳能电池等；

4) 有机半导体太阳能电池。

不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：

1) 导体材料的禁带不能太宽；

2) 要有较高的光电转换效率；

3) 材料本身对环境不造成污染；

4) 材料便于工业化生产且材料性能稳定。

基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

5 各类太阳能电池简介

1) 硅太阳能电池

晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。自1954年贝尔实验室发表了具备 6%光电效率的电池后，随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，单晶硅太阳电池发展很快，一直是市场的主角。在电池制作中，一般都要采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，目前开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，提高转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，它的研究热点包括：开发太阳级多晶硅生产技术、开发快速掺杂和表面处理技术、提高硅片质量、研究连续和快速的布线工艺、多晶硅电池表面织构化技术和薄片化、高效化电池工艺技术等，以进一步降低成本。

2) 以无机盐如砷化镓等Ⅲ 一V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池。

为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓等Ⅲ一V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。

砷化镓等Ⅲ一V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率而受到人们的普遍重视。CaAs属于Ⅲ 一V族化合物半导体材料，其能隙为1.4 e V，正好为高吸收率太阳光的值，是很理想的电池材料。CaAs等Ⅲ 一V化合物薄膜电池的制备主要采用 M0VPE和 LPE技术，其中M0VPE方法制备CaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、Ⅲ 一 V比率、总流量等诸多参数的影响。除CaAs外，其它Ⅲ 一V化合物如GaSb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 CaAs太阳能电池转换效率为 24.2%，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外，该研究所还采用堆叠结构制备CaAs／GaSb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，CaAs作为上电池，下电池用的是GaSb，所得到的电池效率达到31.1%。

铜铟硒CuInSe 简称CIS，CIS材料的能隙为1.1 e V，适于太阳光的光电转换，另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题 因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。[4,5]

3) 纳米晶太阳能电池

纳米 TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的 1/5～1/10，寿命能达到 20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

4) 有机半导体太阳能电池

以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索[6]。

5) 硅薄膜电池

薄膜光伏电池, 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)、化合物半导体薄膜型(主要包括非结晶型(a2Si： H , a2Si： H： F , a2Six2Gel - x： H 等)、III - V族( GaAs, InP等)、II -V I族(Cds系)和磷化锌( Zn3 P2 )等)、新材料薄膜型电池(主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。)

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

6 各种太阳能电池技术比较

如表1，列出了主要的太阳能电池技术比较。

表1 各种太阳能电池技术比较

7 太阳能电池技术发展及应用趋势

至今，太阳能电池已经发展到了第2代。第1代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅 2种, 工业化产品效率一般为 13% ～15%, 目前可工业化生产、可获得利润的太阳能电池就是指第1代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池, 其成本低于第 1代, 可大幅度增加电池板制造面积, 但是效率不如第 1代，国际国内市场正在火热进行第2代产品的投资。在将来的第3代太阳能电池应该具有上两代的综合特征： 薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括； 叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等[7]。从表 1中列出的实用化太阳能电池产品中可以大体看出，单晶硅、多晶硅技术成熟、光电效率转化效率高，但由于成本高，人们致力于价格低廉的多晶硅、非晶硅薄膜电池的开发以及砷化镓等Ⅲ一V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等其他材料太阳能电池的开发。从技术成本上看，有希望发展成与单晶硅、多晶硅太阳能电池相抗衡的是没有污染、价格低廉、稳定性好的多晶硅薄膜电池和没有光电效率衰退效应、转换率较高、稳定性好、工艺简单的CIS电池。CIS电池的缺点是使用的铟和硒元素稀缺，发展会受到资源的限制。

[1]李卫民. 聚合物太阳能电池激励及实验研究. 华中科技大学博士学位论文.

[2]李俊峰, 王斯成, 张敏吉等. 中国光伏发展报告.2007.

[3]范永杰, 於黄忠, 林文健. 太阳能电池的原理及结构研究进展. 中国材料科技与设备，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，王晓丽. 太阳能光伏电池综述. 信息记录材料，2007(2)：41-47.