太陽電池研究及應(yīng)用

摘要：從太陽光照射半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電能為出發(fā)點(diǎn)，概述了太陽電池的工作原理，著重介紹了幾種典型太陽電池的研究進(jìn)展，簡(jiǎn)述了太陽電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，并展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：太陽電池；p-n結(jié)；半導(dǎo)體；光電轉(zhuǎn)換效率；光伏發(fā)電

文章編號(hào)：1005－6629(2007)04－0045－03中圖分類號(hào)：O482.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

太陽輻射能具有取之不盡、用之不竭、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用等特點(diǎn)。地球上礦物能源的有限性和日趨枯竭，引起了人們對(duì)研究太陽電池的濃厚興趣。太陽電池具有質(zhì)量輕、使用安全、無活動(dòng)元件、不污染環(huán)境、工作時(shí)不產(chǎn)生熱量等優(yōu)點(diǎn)，是一種電壓穩(wěn)定性良好的純直流電源。近年來，太陽電池應(yīng)用于太陽光發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，很可能成為人類未來主要電力來源之一。因此，研究太陽電池有極其重要的意義。

1太陽電池的工作原理

太陽輻射的光子帶有能量，當(dāng)光子照射半導(dǎo)體材料時(shí)，光能便轉(zhuǎn)換為電能，這個(gè)現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)）。太陽電池就是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的一種光電器件。它與普通的化學(xué)電池(干電池、蓄電池)完全不同，是一種物理性質(zhì)電源，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成為電能加以利用。下面以具有典型性的硅太陽電池為例介紹其工作原理。

硅的常規(guī)化合價(jià)為4，在純晶體中，硅原子均勻地排列在規(guī)則的晶格里，它的導(dǎo)電率很低。如果把五價(jià)元素砷作為雜質(zhì)摻入熔融的硅中，并使液體慢慢冷卻，晶格中的硅原子有部分被砷原子所取代。如同硅的四個(gè)電子一樣，砷原子四個(gè)電子結(jié)合在晶體中，但第五個(gè)電子能自由運(yùn)動(dòng)，成為載電體。同樣，當(dāng)三價(jià)原子硼作為雜質(zhì)加入晶格時(shí)，它多占了一個(gè)電子，從硅原子的晶格中取走這個(gè)電子后，就多留下一個(gè)能自由活動(dòng)的空穴。純硅晶體是絕緣的，但是摻入這些雜質(zhì)后，就成為一種導(dǎo)電性能很好的半導(dǎo)體。

在摻雜后的硅半導(dǎo)體中，帶有自由運(yùn)動(dòng)的電子一側(cè)為n層，帶有自由移動(dòng)的空穴一側(cè)為p層。由于n層p層兩邊的電子、空穴濃度分布不均勻，就會(huì)出現(xiàn)相互滲透擴(kuò)散的現(xiàn)象。這樣在n側(cè)留下帶正電的砷離子，在p側(cè)留下帶負(fù)電的硼離子，產(chǎn)生了一個(gè)由n型區(qū)域指向p型區(qū)域的電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散，最后兩者相互平衡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)帶電薄層稱為p-n結(jié)。

當(dāng)太陽光照射到太陽電池上并被吸收時(shí)，其中能量大于禁帶寬度Eg的光子和組成半導(dǎo)體的硅原子最外層電子碰撞，使束縛電子得到足夠的能量而變成自由電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴，即電子-空穴對(duì)。自由電子和空穴不停地運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到p-n結(jié)空間電荷區(qū)，被該區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)分離。電子被掃到電池n層一側(cè)，空穴被掃到電池p層一側(cè)，從而在電池兩極上形成正負(fù)電荷積累，產(chǎn)生光生電壓。如果在電池兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則在外電路中就有電流通過。(見圖1)

2太陽電池的研究進(jìn)展

1839年，法國科學(xué)家Becqueral第一次在化學(xué)電池中觀察到光伏效應(yīng)。1876年，在固態(tài)硒(Se) 的系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應(yīng)，隨后開發(fā)出Se/CuO光電池。1941年出現(xiàn)了硅光電池的報(bào)道。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅光電池，為太陽能光伏發(fā)電奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代太陽電池時(shí)代的劃時(shí)代標(biāo)志。

在太陽電池的整個(gè)發(fā)展歷程中，先后開發(fā)出各種不同結(jié)構(gòu)的電池，如肖特基(MS)電池、MIS電池、MINP電池、異質(zhì)結(jié)電池等，其中同質(zhì)p-n結(jié)電池自始至終占據(jù)主導(dǎo)地位。太陽電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系和非結(jié)晶系兩大類，前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形；按材料分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)聚合物薄膜形。下面介紹幾種典型的太陽電池。

2.1 晶體硅太陽電池

硅是一種良好的半導(dǎo)體材料， 儲(chǔ)量豐富，而且晶硅性能穩(wěn)定、無毒，因此成為太陽電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。硅太陽電池于1958年首先在航天器上得到應(yīng)用。在過去20多年里晶體硅電池有了很大的發(fā)展，許多新技術(shù)的采用和引入使太陽電池效率有了很大提高。

單晶硅太陽電池

單晶硅太陽電池是開發(fā)得最早的一種太陽電池，其產(chǎn)品己廣泛應(yīng)用于空間和地面。單晶硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)為n+/p型，多以p型單晶硅片作為基片，電阻率的范圍是1-3Ω·cm，光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)化效率為24.7%。單晶硅太陽電池的顏色多為黑色或灰色，其光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能均勻一致，適合于切成小片制作小型光電產(chǎn)品。

多晶硅太陽電池

多晶硅太陽電池所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，而且無效率衰減問題。多晶硅電池的基本結(jié)構(gòu)為n+/p型，以p型單晶硅片作為基片，電阻率的范圍是0.5-2Ω·cm。多晶硅電池的硅片由多個(gè)不同大小、不同取向的晶粒所構(gòu)成。在晶粒界面處光電轉(zhuǎn)換容易受到干擾，因而多晶硅電池光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，多晶硅太陽電池實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)化效率為20.3%。在制作多晶硅電池時(shí)，原料高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅碇，可以節(jié)省原料和能源。由于多晶硅太陽電池性能穩(wěn)定，適合于建設(shè)光伏電站，也可用做光伏建筑材料。

2.2 薄膜太陽電池

近幾年來，太陽能電池向薄膜化方向發(fā)展。薄膜電池被認(rèn)為是未來大幅度降低成本的根本出路，因此成為太陽電池研發(fā)的重點(diǎn)方向和主流，在技術(shù)上得到快速發(fā)展，并逐步向商業(yè)化生產(chǎn)過渡。

非晶硅薄膜太陽電池

非晶硅(α-Si) 是硅和氫(約10 %) 的一種合金。通過摻硼或摻磷可得到p型α-Si或n型α-Si。非晶硅電池的基本結(jié)構(gòu)為n-i-p型。近幾年已經(jīng)研制出兩個(gè)n/p結(jié)以及三個(gè)n/p的非晶硅太陽電池。非晶硅對(duì)太陽光的吸收系數(shù)比晶體硅大近一個(gè)數(shù)量級(jí)，其太陽電池活性層只需1μm厚，就能夠充分吸收太陽光，從而節(jié)省了半導(dǎo)體材料。另外，非晶硅沉積溫度低，可以直接沉積在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板甚至柔性塑料片等基板上，還可以制成建筑屋頂用的瓦狀太陽電池，應(yīng)用前景十分廣闊。

非晶硅太陽電池一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷(SiH4)氣體分解沉積而成的。這種方法適于大規(guī)模生產(chǎn)，單片電池面積不僅可以做得很大(0.5m×1.0m)，而且整齊美觀。

化合物半導(dǎo)體薄膜電池

化合物半導(dǎo)體薄膜電池是以薄膜中產(chǎn)生光生載流子的活性材料為化合物，其中具有代表性的化合物有：CdTe，GaAs，CdSe和CuInSe2等。CdTe是Ⅱ-VI族化合物，與太陽光譜非常匹配，具有很高的理論效率。GaAs是Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體，能夠高效地吸收太陽光譜，可以做成極薄的太陽電池，另外在高溫下可以保持較高的光電轉(zhuǎn)化效率，適合于高溫條件下工作。

CuInSe2(簡(jiǎn)稱CIS)是 I-Ⅲ-VI族三元化合物所組成的直接帶隙半導(dǎo)體材料， CIS/CdS組成的異質(zhì)結(jié)太陽電池具有良好的穩(wěn)定性。CuInSe2薄膜電池具有價(jià)格低廉、性能優(yōu)良、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而受到各國光伏界的重視。

目前已經(jīng)研制成功 Cu（In， Ga）Se2 薄膜電池。 Cu（In，Ga）Se2是一種四元化合物半導(dǎo)體薄膜材料，通過調(diào)整Ga/（In+Ga）的成分比例，可以與太陽光譜形成良好的匹配，其光電轉(zhuǎn)換效率成為各種薄膜太陽電池之首，達(dá)19.5％。Cu（In，Ga）Se2薄膜電池具有廉價(jià)、高效、性能穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為新一代廉價(jià)的太陽電池。

2.3有機(jī)聚合物太陽電池

有機(jī)聚合物光伏電池具有成本低、可彎曲和面積大的優(yōu)點(diǎn)，因而倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)部門的關(guān)注。具有半導(dǎo)體性質(zhì)的萘、蒽等有機(jī)材料進(jìn)行摻雜后，可以制成p-n型太陽電池。最近，德國奧爾登堡大學(xué)、德累斯頓大學(xué)、弗勞恩霍夫太陽能研究所等科研機(jī)構(gòu)宣布合作研制成功了以普通有機(jī)聚合物為核心的太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)普通PVC聚合塑料顆粒就可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

3太陽電池的應(yīng)用

目前，太陽電池已在民用電力、交通以及軍用航海、航天諸多領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈大的作用。太陽能電池既可用于電話通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星地面接收站、微波中繼站等，又可用于電車、輪船、飛機(jī)和沙漠中抽水站等。太陽能電池和二次充電電池配合使用時(shí)可以組成一個(gè)獨(dú)立的不間斷直流供電系統(tǒng)，可以為草坪燈、庭院入侵報(bào)警探頭、交通信號(hào)燈、手機(jī)充電器等提供電能。

太陽電池發(fā)電系統(tǒng)可以作為通訊、鐵路、公路信號(hào)電源，也可以作為電視差轉(zhuǎn)、輸油、輸氣管道的陰極保護(hù)，還可以用作農(nóng)村用電源及鄉(xiāng)鎮(zhèn)電站。特別是在缺電少水的農(nóng)村是解決農(nóng)民用電的極佳方式。太陽電池發(fā)電系統(tǒng)在“西藏陽光計(jì)劃”、“森林防火通信工程”等國家建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。其中近兩年實(shí)施的“送電到鄉(xiāng)”工程安裝了太陽電池19 MWp，為內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、西藏、青海、陜西和四川等地共16萬無電戶解決了用電問題。

4 太陽電池的發(fā)展前景

太陽電池的生產(chǎn)技術(shù)正在朝著轉(zhuǎn)換效率更高和電池片厚度更薄的方面發(fā)展。在開發(fā)和利用太陽電池的基礎(chǔ)上，今后將主要在兩個(gè)方面開展研究：一方面全力地去研究和開發(fā)高光電效應(yīng)效率的材料；另一方面，尋找富含太陽能電池材料的原料，用于發(fā)展未來的太陽能電池事業(yè)。目前，太陽電池還只能對(duì)太陽光譜中的可見光和近紅外區(qū)域進(jìn)行吸收和利用，能量轉(zhuǎn)化率只有15%左右。這就好像有很多物品，但卻只有一個(gè)小盒子能收裝它們，結(jié)果好多物品只能被留在外邊。因此科學(xué)家們正在尋找建造“更大的盒子”的方法。

目前，我國太陽電池多數(shù)是用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。從2011年到2020年，我國太陽能光伏發(fā)電的主流將會(huì)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而且大規(guī)模發(fā)展沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。太陽電池產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)列為“十一五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃重點(diǎn)，我國在新的《可再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃》中提出：到2010年，我國太陽能光伏發(fā)電總?cè)萘繉⑦_(dá)到40萬kW，2020年達(dá)到220萬kW。新政策的出臺(tái)，將促進(jìn)我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個(gè)新的水平。

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