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摘 要:本文主要介绍太阳能电池的最新技术进展和太阳能电池的应用, 阐述了单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳电池、化合物薄膜太阳能电池及染料敏化太阳能电池的技术进展和发展前景。
关键词:太阳能电池技术
中图分类号:TK51 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0086-02
能源是人类社会发展和生活不可或缺的重要基础,然而随着人口增长和工业化进程加速导致全球性的能源短缺、环境污染和生态破坏、气候变暖给人类社会带来了严重的困扰。传统能源,如煤和油在世界上存量有限,而且过渡开采与使用已经导致了严重的环境问题。即使按照目前的使用进度,在几十年后可开采的石油资源将被耗尽,煤炭资源也仅能供应人类约200年[1]。因此,寻求绿色新能源,实现可持续发展,已成为全世界共同面临的课题。发展绿色新能源,实现传统能源和新能源之间的替换是解决能源供问题和减轻环境压力的有效途径。太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优势:绿色无污染、取之不竭、安全可靠。
1 太阳能电池的技术进展
太阳能电池的工作的基本原理是光生伏特效应,是将太阳光能转化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型两大类。表1所示为几种不同类型太阳能电池的最新进展参数[2]。
单晶硅太阳能电池主要采用西门子法生产,从多晶硅中提炼单晶后拉出硅棒,再切割出单晶硅晶圆,经过刻蚀处理生产成太阳能电池组件。生产过程中能耗大、成本高。从表1中可以看出,单晶硅目前的转换效率还是相当高的,所以目前依然是市场的主导,但是从长远角度看并不是最理想的太阳能电池结构。
多晶硅太阳能电池采用改进的工艺使得与单晶硅的纯度要求相比其成本大幅下降。转换效率方面还是比单晶硅要低一些。
非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比具有吸光率高、重量轻、工艺简单、低成本和低能耗等优点。但是转换效率相对偏低,转换效率也随时间而衰退,所以国内外很多研究者也在不断对其材料和结构进行研究,以期提高它的性能。
化合物薄膜太阳能电池的光转换效率较高,也易于薄膜化,所以针对化合物薄膜太阳能电池也得到非常高的关注。砷化镓是非常好的光电材料,其制备的砷化镓太阳能电池也具有很高的转换效率,但是由于材料的限制其生产成本很高,部分用作航空和军用。其他的还有碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池等。碲化镉具有很好的吸光系数,制造成本低,稳定性好,转换效率较高,易于大面积产业化。铜铟镓硒太阳能电池吸光范围广,转换效率高,稳定性好,成本低,但是工艺相对复杂,不利于产业化。
染料敏化太阳能电池的优势则是成本低廉,制造方式简便,设备简单,可以大大降低成本,不过目前转换效率还不是很高。
2 太陽能电池的发展趋势
从上面的数据可以看出,目前太阳能电池的转换效率并不是很高,研究者们在结构和模块方面进行了大量研究,希望可以提升实际太阳能电池模块的转换效率。多结太阳能电池在聚光型光伏领域取得了很大进展。2010年10月6日,美国Spire半导体公司宣布的最新成果:该公司研发的三结砷化镓(GaAs)太阳电池峰值效率达到了42.3%,聚光条件相当于406个太阳。
单晶硅多晶硅太阳能电池的研究将会继续,在目前的太阳能产业中,多晶硅都是主要原料。与薄膜太阳能电池相比多晶硅太阳能电池的光电转换效率更高,但是多晶硅在生产过程中对能源的消耗巨大,四氯化硅等有毒副产品也对环境产生不良影响,能量回收期成为普遍关注的问题,在产业界足以引起大家的反思。
新型薄膜太阳能电池在制造过程中用材少、能耗低、成本低、能量回收期短、对环境污染更小,将是新型太阳能电池的发展方向,需要进一步改进生产工艺提升产品性能并进行大规模生产。碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池是目前效率较高且产业化的两种化合物薄膜太阳能电池,但是其中的主要材料铟、碲、镉是三种稀缺元素,从资源利用和环境保护方面看,大范围使用当需谨慎。
在结构方面,非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池非常具有吸引力。与表1中非晶硅的数据相比,a-Si/μc-Si叠层结构太阳能电池的转换效率会比普通非晶硅太阳能电池提升1.5个百分点以上[10]。日本京瓷公司采用先进方法形成高品质的微晶硅,叠加非晶硅层和微晶硅层的串联构造的薄膜硅太阳能电池实现13.8%的转换效率。研究人员对电池结构的改进对提升电池模块的性能取得了不错的进展。表2中列出了不同叠层结构太阳能电池的参数。
除了结构上的改进,科学家们也对其他可行的形式进行了探索。光波转换材料,如日本秋田大学的研究小组开发出了将紫外线转换成可视光、对可视光呈透明状态的有机材料,使得未能有效利用的紫外线能够用于光电转换,可以大幅提高电池转换效率。抗反射图层材料,电池涂上了抗反射涂层,或者蚀刻电池的表面以增加光子吸收也能提高电池组件的转换效率。
在未来较长时间内,多种类型的太阳能电池将会得到同步发展。但是高能耗高成本的太阳能电池可能会从技术上得到改进,否则将会逐渐被其他类型的电池所取代。我们也非常乐意看到叠层薄膜太阳能电池得到飞速的发展,并投入大规模使用,减轻目前所面临的能源压力。
3 结语
到2015年,新能源市场会呈现非常多样的发展。未来的能源市场分别为水利发电360亿美元、风力发电241亿美元、太阳热能142亿美元、地热能45亿美元、生物质能42.4亿美元,而太阳能光电将达到461亿美元。太阳能发电将是今后一段时间的主要新能源。
从太阳能电池的发展历史看,其中的关键技术还是要提高光电转换效率,降低生产成本,降低能耗。只有做到这些才能使太阳能电池发电推广普及。我们也相信在全世界对能源的需求与对太阳能电池的研发力度不断加大的情况下,太阳能电池将在新能源中具有越来越重要的地位。薄膜太阳能电池特别是叠层结构的薄膜太阳能电池将逐渐取代晶体硅太阳能电池,走向主流。
参考文献
[1] 李文鹏.世界高科技前沿.北京:北京大学出版社,1999.
[2] Martin A.Green1,Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa,Wilhelm Warta. Solar cell efficiency tables (version 37). Progress in Photovoltaics:Research and Applications 2011;1:84～92.
[3] Zhao J,Wang A,Green MA,Ferrazza F.Novel 19.8% efficient“honeycomb” textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cells. Applied Physics Letters 1998;73:1991～1993.
[4] Schultz O,Glunz SW,Willeke GP. Multicrystalline silicon solar cells exceeding 20% efficiency.Progress in Photovoltaics:Research and Applications 2004;12:553～558.
[5] Benagli S,Borrello D,Vallat-Sauvain E,Meier J,Kroll U,H?tzel J,Spitznagel J,Steinhauser J,Castens L,Djeridane Y.High-efficiency amorphous silicon devices on LPCVD-ZnO TCO prepared in industrial KAI-M R&D reactor. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Hamburg,September 2009.
[6] http://www.greentechmedia.com/articles/read/stealthy- alta-devices-next-gen-pv-challenging-the-status-quo/
[7] Wu X, Keane JC,Dhere RG, DeHart C,Duda A,Gessert TA,Asher S,Levi DH,Sheldon P.16.5%-efficient CdS/CdTe polycrystalline thin-film solar cell.Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich,22～26.October,2001,995～1000.
[8] Repins I,Contreras M,Romero Y, Yan Y,Metzger W,Li J,Johnston S,Egaas B,DeHart C,Scharf J,McCandless BE, Noufi R.Characterization of 19.9%-efficienct CIGS absorbers.IEEE Photovoltaics Specialists Conference Record,2008;33.
[9] Chiba Y,Islam A,Kakutani K, Komiya R,Koide N,Han L.High efficiency dye sensitized solar cells.Technical Digest, 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Shanghai,October,2005,665～666.
[10] Bailat J,Fesquet L,Orhan J,Djeridane Y,Wolf B,Madliger P,Steinhauser J, Benagli S,Borrello D,Castens L, Monteduro G,Marmelo M,Dehbozorghi B,Valltat-Sauvain E,Multone X, Romang D,Boucher J,Meier J,Kroll U.Recent developments of high-efficiency micromorph? tandem solar cells in Kai-M PECVD reactors.25th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia,Sept.2010.
[11] Mitchell K,Eberspacher C,Ermer J, Pier D.Single and tandem junction CuInSe2 cell and module technology. Conference Record,20th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Las Vegas,September,1988,1384～1389.
[12] http://www.heliatek.com.
关键词:太阳能电池技术
中图分类号:TK51 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0086-02
能源是人类社会发展和生活不可或缺的重要基础,然而随着人口增长和工业化进程加速导致全球性的能源短缺、环境污染和生态破坏、气候变暖给人类社会带来了严重的困扰。传统能源,如煤和油在世界上存量有限,而且过渡开采与使用已经导致了严重的环境问题。即使按照目前的使用进度,在几十年后可开采的石油资源将被耗尽,煤炭资源也仅能供应人类约200年[1]。因此,寻求绿色新能源,实现可持续发展,已成为全世界共同面临的课题。发展绿色新能源,实现传统能源和新能源之间的替换是解决能源供问题和减轻环境压力的有效途径。太阳能电池具有许多其他发电方式所不具备的优势:绿色无污染、取之不竭、安全可靠。
1 太阳能电池的技术进展
太阳能电池的工作的基本原理是光生伏特效应,是将太阳光能转化为电能的装置。目前太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型两大类。表1所示为几种不同类型太阳能电池的最新进展参数[2]。
单晶硅太阳能电池主要采用西门子法生产,从多晶硅中提炼单晶后拉出硅棒,再切割出单晶硅晶圆,经过刻蚀处理生产成太阳能电池组件。生产过程中能耗大、成本高。从表1中可以看出,单晶硅目前的转换效率还是相当高的,所以目前依然是市场的主导,但是从长远角度看并不是最理想的太阳能电池结构。
多晶硅太阳能电池采用改进的工艺使得与单晶硅的纯度要求相比其成本大幅下降。转换效率方面还是比单晶硅要低一些。
非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比具有吸光率高、重量轻、工艺简单、低成本和低能耗等优点。但是转换效率相对偏低,转换效率也随时间而衰退,所以国内外很多研究者也在不断对其材料和结构进行研究,以期提高它的性能。
化合物薄膜太阳能电池的光转换效率较高,也易于薄膜化,所以针对化合物薄膜太阳能电池也得到非常高的关注。砷化镓是非常好的光电材料,其制备的砷化镓太阳能电池也具有很高的转换效率,但是由于材料的限制其生产成本很高,部分用作航空和军用。其他的还有碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池等。碲化镉具有很好的吸光系数,制造成本低,稳定性好,转换效率较高,易于大面积产业化。铜铟镓硒太阳能电池吸光范围广,转换效率高,稳定性好,成本低,但是工艺相对复杂,不利于产业化。
染料敏化太阳能电池的优势则是成本低廉,制造方式简便,设备简单,可以大大降低成本,不过目前转换效率还不是很高。
2 太陽能电池的发展趋势
从上面的数据可以看出,目前太阳能电池的转换效率并不是很高,研究者们在结构和模块方面进行了大量研究,希望可以提升实际太阳能电池模块的转换效率。多结太阳能电池在聚光型光伏领域取得了很大进展。2010年10月6日,美国Spire半导体公司宣布的最新成果:该公司研发的三结砷化镓(GaAs)太阳电池峰值效率达到了42.3%,聚光条件相当于406个太阳。
单晶硅多晶硅太阳能电池的研究将会继续,在目前的太阳能产业中,多晶硅都是主要原料。与薄膜太阳能电池相比多晶硅太阳能电池的光电转换效率更高,但是多晶硅在生产过程中对能源的消耗巨大,四氯化硅等有毒副产品也对环境产生不良影响,能量回收期成为普遍关注的问题,在产业界足以引起大家的反思。
新型薄膜太阳能电池在制造过程中用材少、能耗低、成本低、能量回收期短、对环境污染更小,将是新型太阳能电池的发展方向,需要进一步改进生产工艺提升产品性能并进行大规模生产。碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池是目前效率较高且产业化的两种化合物薄膜太阳能电池,但是其中的主要材料铟、碲、镉是三种稀缺元素,从资源利用和环境保护方面看,大范围使用当需谨慎。
在结构方面,非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池非常具有吸引力。与表1中非晶硅的数据相比,a-Si/μc-Si叠层结构太阳能电池的转换效率会比普通非晶硅太阳能电池提升1.5个百分点以上[10]。日本京瓷公司采用先进方法形成高品质的微晶硅,叠加非晶硅层和微晶硅层的串联构造的薄膜硅太阳能电池实现13.8%的转换效率。研究人员对电池结构的改进对提升电池模块的性能取得了不错的进展。表2中列出了不同叠层结构太阳能电池的参数。
除了结构上的改进,科学家们也对其他可行的形式进行了探索。光波转换材料,如日本秋田大学的研究小组开发出了将紫外线转换成可视光、对可视光呈透明状态的有机材料,使得未能有效利用的紫外线能够用于光电转换,可以大幅提高电池转换效率。抗反射图层材料,电池涂上了抗反射涂层,或者蚀刻电池的表面以增加光子吸收也能提高电池组件的转换效率。
在未来较长时间内,多种类型的太阳能电池将会得到同步发展。但是高能耗高成本的太阳能电池可能会从技术上得到改进,否则将会逐渐被其他类型的电池所取代。我们也非常乐意看到叠层薄膜太阳能电池得到飞速的发展,并投入大规模使用,减轻目前所面临的能源压力。
3 结语
到2015年,新能源市场会呈现非常多样的发展。未来的能源市场分别为水利发电360亿美元、风力发电241亿美元、太阳热能142亿美元、地热能45亿美元、生物质能42.4亿美元,而太阳能光电将达到461亿美元。太阳能发电将是今后一段时间的主要新能源。
从太阳能电池的发展历史看,其中的关键技术还是要提高光电转换效率,降低生产成本,降低能耗。只有做到这些才能使太阳能电池发电推广普及。我们也相信在全世界对能源的需求与对太阳能电池的研发力度不断加大的情况下,太阳能电池将在新能源中具有越来越重要的地位。薄膜太阳能电池特别是叠层结构的薄膜太阳能电池将逐渐取代晶体硅太阳能电池,走向主流。
参考文献
[1] 李文鹏.世界高科技前沿.北京:北京大学出版社,1999.
[2] Martin A.Green1,Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa,Wilhelm Warta. Solar cell efficiency tables (version 37). Progress in Photovoltaics:Research and Applications 2011;1:84～92.
[3] Zhao J,Wang A,Green MA,Ferrazza F.Novel 19.8% efficient“honeycomb” textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cells. Applied Physics Letters 1998;73:1991～1993.
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[5] Benagli S,Borrello D,Vallat-Sauvain E,Meier J,Kroll U,H?tzel J,Spitznagel J,Steinhauser J,Castens L,Djeridane Y.High-efficiency amorphous silicon devices on LPCVD-ZnO TCO prepared in industrial KAI-M R&D reactor. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Hamburg,September 2009.
[6] http://www.greentechmedia.com/articles/read/stealthy- alta-devices-next-gen-pv-challenging-the-status-quo/
[7] Wu X, Keane JC,Dhere RG, DeHart C,Duda A,Gessert TA,Asher S,Levi DH,Sheldon P.16.5%-efficient CdS/CdTe polycrystalline thin-film solar cell.Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich,22～26.October,2001,995～1000.
[8] Repins I,Contreras M,Romero Y, Yan Y,Metzger W,Li J,Johnston S,Egaas B,DeHart C,Scharf J,McCandless BE, Noufi R.Characterization of 19.9%-efficienct CIGS absorbers.IEEE Photovoltaics Specialists Conference Record,2008;33.
[9] Chiba Y,Islam A,Kakutani K, Komiya R,Koide N,Han L.High efficiency dye sensitized solar cells.Technical Digest, 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Shanghai,October,2005,665～666.
[10] Bailat J,Fesquet L,Orhan J,Djeridane Y,Wolf B,Madliger P,Steinhauser J, Benagli S,Borrello D,Castens L, Monteduro G,Marmelo M,Dehbozorghi B,Valltat-Sauvain E,Multone X, Romang D,Boucher J,Meier J,Kroll U.Recent developments of high-efficiency micromorph? tandem solar cells in Kai-M PECVD reactors.25th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia,Sept.2010.
[11] Mitchell K,Eberspacher C,Ermer J, Pier D.Single and tandem junction CuInSe2 cell and module technology. Conference Record,20th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Las Vegas,September,1988,1384～1389.
[12] http://www.heliatek.com.