太陽電池研究及應(yīng)用

摘要：從太陽光照射半導體材料產(chǎn)生電能為出發(fā)點，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展，簡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)；半導體；光電轉(zhuǎn)換效率；光伏發(fā)電

文章編號：1005－6629(2007)04－0045－03中圖分類號：O482.7 文獻標識碼：E

太陽輻射能具有取之不盡、用之不竭、無污染、廉價、人類能夠自由利用等特點。地球上礦物能源的有限性和日趨枯竭，引起了人們對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、無活動元件、不污染環(huán)境、工作時不產(chǎn)生熱量等優(yōu)點，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，當光子照射半導體材料時，光能便轉(zhuǎn)換為電能，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏效應(yīng)）。太陽電池就是利用半導體的光生伏特效應(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，它的導電率很低。如果把五價元素砷作為雜質(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。如同硅的四個電子一樣，砷原子四個電子結(jié)合在晶體中，但第五個電子能自由運動，成為載電體。同樣，當三價原子硼作為雜質(zhì)加入晶格時，它多占了一個電子，從硅原子的晶格中取走這個電子后，就多留下一個能自由活動的空穴。純硅晶體是絕緣的，但是摻入這些雜質(zhì)后，就成為一種導電性能很好的半導體。

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

當太陽光照射到太陽電池上并被吸收時，其中能量大于禁帶寬度Eg的光子和組成半導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，同時產(chǎn)生一個帶正電的空穴，即電子-空穴對。自由電子和空穴不停地運動擴散到p-n結(jié)空間電荷區(qū)，被該區(qū)內(nèi)建電場分離。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太陽電池的研究進展

1839年，法國科學家Becqueral第一次在化學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)了硅光電池的報道。1954年，貝爾實驗室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)代太陽電池時代的劃時代標志。

在太陽電池的整個發(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、化合物半導體薄膜形和有機聚合物薄膜形。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體材料， 儲量豐富，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，實驗室最高光電轉(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、電學、力學性能均勻一致，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)化效率相對較低，多晶硅太陽電池實驗室最高光電轉(zhuǎn)化效率為20.3%。在制作多晶硅電池時，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n/p結(jié)以及三個n/p的非晶硅太陽電池。非晶硅對太陽光的吸收系數(shù)比晶體硅大近一個數(shù)量級，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。

化合物半導體薄膜電池

化合物半導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(簡稱CIS)是 I-Ⅲ-VI族三元化合物所組成的直接帶隙半導體材料， CIS/CdS組成的異質(zhì)結(jié)太陽電池具有良好的穩(wěn)定性。CuInSe2薄膜電池具有價格低廉、性能優(yōu)良、制備工藝簡單等優(yōu)點，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19.5％。Cu（In，Ga）Se2薄膜電池具有廉價、高效、性能穩(wěn)定和抗輻射能力強等特點，成為新一代廉價的太陽電池。

2.3有機聚合物太陽電池

有機聚合物光伏電池具有成本低、可彎曲和面積大的優(yōu)點，因而倍受學術(shù)界和工業(yè)部門的關(guān)注。具有半導體性質(zhì)的萘、蒽等有機材料進行摻雜后，可以制成p-n型太陽電池。最近，德國奧爾登堡大學、德累斯頓大學、弗勞恩霍夫太陽能研究所等科研機構(gòu)宣布合作研制成功了以普通有機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可以組成一個獨立的不間斷直流供電系統(tǒng)，可以為草坪燈、庭院入侵報警探頭、交通信號燈、手機充電器等提供電能。

太陽電池發(fā)電系統(tǒng)可以作為通訊、鐵路、公路信號電源，也可以作為電視差轉(zhuǎn)、輸油、輸氣管道的陰極保護，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，太陽電池還只能對太陽光譜中的可見光和近紅外區(qū)域進行吸收和利用，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，我國在新的《可再生能源中長期規(guī)劃》中提出：到2010年，我國太陽能光伏發(fā)電總?cè)萘繉⑦_到40萬kW，2020年達到220萬kW。新政策的出臺，將促進我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個新的水平。

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