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光伏材料的发展及应用


光伏材料的发展及应用
摘 要:太阳能光伏发电技术是集半导体材料、电力电子技术、现代控制技术、蓄电池技术及电力工程 技术于一体的综合性技术是当今新能源发电领域的一个研究热点。本文介绍了光伏发电技术的相关概念, 综述了该领域的主要研究内容和应用现状,并对光伏发电产业的未来发展趋势进行分析。 关键词:太阳能电池材料;光伏发电材料

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>引言
随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加, 以石油、 天然气和煤炭等为主的化石能源

正逐步消耗,能源危机成为世界各国共同面临的课题。与此同时,化石能源造成的环境污染 和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展甚至威胁人类生存的严重障碍。 新能源应 用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一, 它分布广泛,可再生,不 污染环境,是国际上公认的理想替代能源。光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一 种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式, 光伏发电技术正在全球范围内逐步得到 应用。

1 太阳能光伏发电原理及运用材料
1.1 太阳能光伏发电的工作原理 “光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839 年,法国科学家贝 克勒尔(A.E.Becqure1)首先发现了“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)” 。然而,第一 个实用单晶硅光伏电池(Solar Cel1)直到一个多世纪后的 1954 年才在美国贝尔实验室研制 成功。20 世纪 70 年代中后期开始,光伏电池技术不断完善,成本不断降低,带动了光伏产 业的蓬勃发展。光伏发电原理如图 1 所示。PN 结两侧因多数载流子(N 区中的电子和 P 区中 的空穴)向对方的扩散而形宽度很窄的空间电荷区 w,建立自建电场 Ei。它对两边多数载流 子是势垒,阻挡其继续向对方扩散;但它对两边的少数载流子(N 区中的空穴和 P 区中的电 子)却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成 电流和输出电能。但是,如图 la、b 所示,光伏电池受到太阳光子的冲击,在光伏电池内部 产生大量处于非平衡状态的电子一空穴对, 其中的光生非平衡少数载流子(即 N 区中的非平 衡空穴和 P 区中的非平衡电子)可以被内建电场 Ei 牵引到对方区域, 然后在光伏电池中的 PN 结中产生光生电场 EPV 一当接通外电路时,即可流出电流,输出电能。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。
[1]

(a)光子注入 图1 光伏发电原理 1.2 光伏发电运用到的材料

(b)光生电场的形成

光能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化, 从而产生电动势和电流。 光电转换材 料是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料, 主要用于制作太阳电池。太阳电池对 光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件,以便更好地吸收太阳光。而太阳 电池主要原料有:晶体硅电池:多晶硅电池:多晶硅(polycrystalline silicon)及单晶硅 电 池 : 单 晶 硅 (monocrystalline silicon) 。 而 多 晶 硅 和 单 晶 硅 的 原 料 都 是 多 晶 硅 料 (polysilicon),经过提拉(形成单晶硅)铸锭(形成多晶硅) 。另外的薄膜电池和第三代电 池,大部分都是依靠不同的化学品进行层层的沉积合成,最后得到电池。

2 太阳能光伏发电材料的研究现状
2.1 第一代光伏发电材料 当前,太阳能光伏电池材料主要有晶体硅材料,晶体硅包括单晶硅,多晶硅和非晶硅。 单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料, 高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和 成熟的加工工艺基础上。目前,单晶硅电池工艺已近成熟,提高其光电转换效率主要靠单晶 硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 在光照充足的最佳角度, 单晶硅电池的光电总转换效率 可以达到 20%~24%。多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料,多晶硅光电 池的转换效率最高达 18.6%,明显不如单晶硅。为适应光伏市场需求的持续稳定增长,太阳 能电池企业不得不以较高的价格购买半导体级硅来生产光伏电池, 这无疑增加了光伏产业的 成本,制约了光伏产业的发展。随着光伏产业的进一步发展,多晶硅的需求量会越来越大。 非晶硅太阳电池具有独特的优势:材料和制造工艺成本低、易于形成大规模生产能力。a-Si 太阳电池易于实现集成化。各种功率、输出电压、输出电流的器件都可以设计制造出来,可

以较方便地生产适合不同需求的多种产品。a-Si 太阳电池光吸收系数高、暗电导量低,适 合制作手表电池、计算器电池等低功耗电源;a-Si 膜的硅网结构力学性能结实,适合在柔 性的衬底上制作轻型的“大电池” ;a-Si 太阳电池的制造方法灵活多样,可以制造建筑集成 的电池,适合户用屋顶电站的安装。非晶硅电池将发展为太阳能电池的主要产品之一,有很 好的市场前景。
[2]

2.2 第二代光伏发电材料 第二代太阳电池的核心是一种可粘接的薄膜。这种薄膜的优势:一是可以大批量、低成 本地生产;二是能更好地利用太阳能。该薄膜的表面呈绒面结构,在显微镜下观察,如同锉 刀表面一般,粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。当阳光照在这种薄膜上,光线 斜射入电池内,经过各斜面不同角度的折射后,光线又会从电池板的背面反射回表面,大部 分光线还能再次从表面反射回电池内, 如此多次反复, 使光线在电池内的传播路线大大加长。 实验证明,光在这种电池内的传播路线是在表面光滑的电池体内所传播路线长度的 25倍, 可大幅度地提高光能的利用效率。以纳米TiO2为主的薄膜太阳电池,因其工作原理独特,生 产成本低廉而引起了世界广泛关注。纳米晶太阳电池(Nanocrystalline SolarCell)采用 的是无机-有机复合体系,有效地把纳米技术与太阳电池结合。首先采用无机纳米粒子制备 多孔的薄膜, 然后在薄膜的微孔中修饰有机染料分子或无机半导体粒子作为光敏剂, 光敏剂 吸收入射光后产生电子—空穴对,通过半导体颗粒使电荷转换效率提高,制备工艺简单,其 制作成本仅为单晶硅电池的1/5,具有明显的价格优势。作为一种低成本的太阳电池,在军 事和民用方面具有很大的应用价值。纳米晶太阳电池更展现了太阳电池新的发展方向。 2.3第三代光伏发电材料 物理学家正试图寻找全新的途径研制新的太阳能电池, 他们设想在单晶硅中掺入一些杂 质,有意形成晶体内的缺陷, 以利用这些缺陷导致额外的光电势能。这样也许可以提高光 子电流,但却会丢失一部分开路电压,因此要应用全新的材料。从理论研究看,在阳光集中 辐照时,利用希泽光电效应可能达到的光电转换效率的极限值为63.2%,但只有使用理想的 材料才能达到。 若使晶体结构中形成的缺陷能准确无误地出现在所需要的地方, 实际上也很 难做到。德国科学家正在进行这方面的实验,他们在单晶硅中掺入稀土金属元素铒(Er)来 制造太阳电池,以测试它对转换效率可能产生的影响。理论上讲,太阳电池的最高转换效率 可以达到95%,但实际上最多也仅能达到85%。对于研究太阳能的科学家们来说, 能够在现 今已取得的光电转换效率最好纪录(24.8%)的基础上,哪怕是取得小的进展都是了不起的 成果。现在如果用一种单一的太阳电池能达到30%的转换效率,那也是太阳电池技术发展的
[3]

一个重大突破。

3 光伏发电电池材料的发展趋势
现今市场上的太阳能电池模块有95%以硅为原材料, 其中有60%为多晶硅, 30%为单晶硅, 预计这一现状还将持续一段时间。 对未来太阳能发电系统的发展而言, 如何降低电池模块的 成本是关键, 是因为它占据了发电系统成本的60%, 而模块成本中的20%取决于硅原材料成本, 所以,如果保持如今的趋势发展下去,则原材料硅的短缺终将成为制约太阳能发展的瓶颈。 3.1改善原有的制备工艺并开发新工艺,提高硅原料的产量 目前有研究报道了一些新的工艺方法: 熔融析出法 (Vapor to Liquid Deposition, VLD) 和熔硅提纯法(Molten Silicon Refinement) 。在VLD法中,将三氯氢硅(SiHCl3)和氢气 (H2)一起注入1500 ℃的石墨管中,形成硅熔融沉积,沉积速度比传统西门子方法快[10]。 未来的研究将开发更多新工艺,提高硅的产量。 3.2开发新材料和新技术,降低硅的使用量 通过重新评估材料技术并使用新的电池技术以提高能源效率, 从而尽可能降低单位能量 所消耗的硅,同时通过扩展设备和引入新的制备工艺来努力提高生产能力。 3.3第3代高效光伏电池具有潜在前景 第1代晶体硅太阳电池对材料的需求限制了成本降低的潜力,长期以来人们一直试图用 薄膜太阳电池取代第1代电池,然而,薄膜太阳电池的转换效率是要解决的主要问题,此外, 薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须要达到大规模应用的要求。 目前从材料、 工艺与理 论研究等方面来看, 太阳电池的光电转换效率还可以有很大提高, 薄膜电池的发展也还有充 足的发展空间。 第3代光伏电池主要是要解决电池能量的损失问题, 第3代电池的理论概念及 其工艺方法成为了太阳能电池研究领域的最前沿问题,若第3代光伏电池能够获得成功,将 会对整个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡献。
[5] [4]

4 结论
通过了解光伏发电转换原理,我了解了光伏发电过程中的一些发电材料的运用。知道了 光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的基本核心部件。 同时, 从第一代的最后以硅片为基础 的材料,到第二代基于薄膜技术的光电材料,再到第三代高转换效率的薄膜光伏电池,无不 展示了太阳能光伏发电技术的发展历程。 最后围绕提高光电转换效率以及降低电池材料的成 本两大光伏发电材料研究热点叙述了未来光伏电池材料的发展趋势的主流方向。 新兴绿色能 源的应用是当今世界发展的必然趋势, 在新近的SNEC第六届国际太阳能产业及光伏工程展览

会上, 我们更是看到了光伏发电技术的重大突破。 我们相信科技创造未来, 生活因此而改变。

参 考 文 献
[1] 昌金铭 国内外光伏发电的新进展,2007. [2] 任新兵 太阳能光伏发电工程技术 化学工业出版社,2012 [3] 黄宝圣 太阳能电池的新进展[J] 化学教育,2002 [5] 赵争鸣,刘建政,孙晓英,等 太阳能光伏发电及其应用[M].科学出版社,2005

The development and application of the photovoltaic material
Abstract: solar photovoltaic power generation technology is set for the semiconductor material, power electronic technology, modern control technology, battery technology and power engineering technology in an integrated technology is the new energy field a hot topic in the research area. This paper introduces the concepts of photovoltaic power generation technology, this paper reviews the main research contents of this field and application status of photovoltaic energy for the future of the industry development trend for analysis. Keywords: solar battery materials; Photovoltaic power generation materials


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