新型太阳能电池发展
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摘要：太阳能电池发电是解决目前能源问题，促进社会经济及环境健康发展的重要途径之一。目前，在市场占主导地位的硅基太阳能电池发电成本还不能和传统化石能源竞争。在此背景下，致力于高效率低成本的新型太阳能电池研究空前活跃。目前发展起来的有多结叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、多激子产生太阳能电池、热载流子太阳能电池和热光伏太阳能电池，以及新型钙钛矿太阳能电池。这些被称为第三代太阳能电池主要以超高效率、薄膜化、低成本为目标。关键词：太阳能电池，多结叠层，钙钛矿，量子点，多激子产生
一、引言
太阳能电池(solar cell , SC)是一种可以直接将太阳光转换成电能的光电器件,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。自从第一块硅单晶p-n结SC于1954 年在贝尔实验室问世[1],半个多世纪以来，人们对SC的研究经久不衰。迄今为止,已使用多种材料的单晶、多晶、无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳能电池。但研究人员对器件性能的优化以及新材料和新结构电池的探索时刻没有停止,并且一直受到人们的热切关注。
2001年,Green[2]提出把太阳能电池的发展过程划分为3个阶段,其中第一代体硅太阳能电池(单晶Si和多晶Si)和第二代薄膜太阳能电池(非晶Si ,GaAs , CdTe,CIGS等)都是单结电池,已基本实现了商品化。第三代太阳能电池除了继续保持薄膜化并采用丰富、无毒的原材料外,最大的特点就是具有更高的光电转换效率。如果我们取太阳表面温度为6000K ,电池温度为300K,根据卡诺定理, 可得电池能量转换的热力学极限效率为95 %；但是Shockley和Queisser[3]通过细致平衡极限原理计算得出,理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量(Eg)的函数,当Eg≈1.3eV时,1sun照射下的极限效率(也称S-Q极限)仅为 31 %,全聚光(46200suns)下的极限效率为 40%。二者相差如此之大,原因是电池在吸收太阳光并转化成电能的过程中,各种方式导致的能量损失最终限制了它的效率。能量损失的内部原因主要有以下3方面： (1)太阳光谱中能量(hν)小于Eg的光子不能被吸收,从电池中透过；(2)能量大于Eg的光子被吸收后激发出热载流子(电子和空穴),超过Eg的那部分能量(hν-Eg)很快都以热能的形式释放掉了；
(3)光生载流子的辐射复合,所有太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光。另外,在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部因素的影响,还会产生一些损失机制使效率降低,例如表面反射、串联电阻、晶格缺陷等。
目前,单结GaAs薄膜电池的实验室纪录效率为26.1% [4],该值已接近于理论极限,但从太阳能利用率的角度来看还是比较低。为了研制高效太阳能电池技术,必须突破限制单结电池效率的主要束缚,也就是减小上述(1)和(2)两点造成的能量损失。近年来 ,研究者提出了一系列新型电池设计方案以超越S-Q极限,包括
多结叠层电池、中间带电池、多激子产生电池、热载流子电池、热光伏电池等。
下面主要介绍几种新型太阳能电池和最新研究进展。
二、多结太阳能电池(MJSC)
提高电池效率的一种重要方法是采用多结(multi-junction , MJ)叠层结构, 通常做法是将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起。当太阳光入射时,高能量光子先被带隙大的子电池吸收,随后低能量光子再被带隙较窄的子电池吸收,依此类推。其实质相当于把太阳光谱分成了几段,各子电池吸收与它带隙最接近的那一段光。这样既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失,提高电池效率的优势是很明显的。
在实际工艺中,制备MJSC需要从3个方面来考虑。首先,各子电池的带隙要满足电流匹配原则,因为带隙决定电流的大小,串联在一起的子电池如果各自产生的光电流不同,有效电流将以最小的光电流值为准。这暴露出叠层电池的一个缺点, 即对太阳光谱的分布非常敏感。其次,不同材料间要有很好的晶格匹配度, 失配过大必然会造成大量的缺陷复合中心。最后,子电池之间要通过超低阻方式连接,以减小电流损失。一种方法是采用多芯片机械叠加技术,通过金属电极把独立制作的电池压焊在一起。该方法适用于大失配的材料体系,但因其成本高,可靠性和工艺兼容性差,制备的电池质量重、体积大,应用空间也相对狭小,所以不利于大规模推广。另一种则是所谓的单片集成式技术,使整个电池直接生长在一个衬底上,子电池由重掺杂的宽带隙隧道结相连,这是目前普遍应用的连接方式。
MJSC的概念自提出以来, 一直是人们研究的重要内容。有多篇文献计算了MJSC的理论极限效率,由于使用的计算模型、条件假设、太阳光谱和工作参数等有所不同,因而计算结果也略有差别,但基本一致[5]。当能隙实现最佳匹配 , 子电池数目为2, 3, 4时,在 1sun(或全聚光)照射下的极限效率分别为43%(55%)、49%(63%)和53%(68%),当结数无限增大时, MJSC效率的理论极限值可达68%(86%)[6]。
目前有两种材料体系的MJSC实现了商业化生产。其中，基于III-V族G aInP/GaAs单晶体系的2 结和3结电池已广泛应用于太空领域 ,在标准测试条件下(AM1.5, 100mW/cm2, 25°C)的实验室纪录效率分别为32.3%和 35.8 %,商业模组效率达到29 %。表 1 给出了MJSC的最新纪录效率[7]。另外 ,用于改善电池性能和可靠性的非晶硅( a-Si) /微晶硅(nc-Si)系列 3 结电池的纪录效率达到12.5 %,模组效率为10.4 %。由此可见,多结电池要获得高效率应首选单晶材料。人们在研究III-V族MJSC 的同时,也在寻找其他适合制备MJSC的新材料。
三、量子点太阳能电池(QDSC)
量子点(quantum dot , QD)是指尺寸在几十纳米范围内的纳米晶粒,电子被约束在三维势阱中,其运动在各个方向都是量子化的,因而形成类似于原子内的分裂能级结构,所以QDs也被称为人造原子。最初提出QDSC的概念,是考虑到QWs ,QDs等低维结构在改善激光器、发光二极管及光电探测器等器件性能方面的成功应用。与传统的体材料相比, QDs的基本优势在于：通过共振隧穿效应,能提高电池对光生载流子的收集率,从而增大光电流；通过调节量子点的尺寸和形状 , 可以优化量子化能级与太阳光谱的匹配度。近年来,随着各种新概念太阳能电池的提出,人们认为QDs结构具有的物理特征使其有望在某些新型电池的制备中得到重要应用。
1.QDSC的发展趋势
基于QDs纳米结构的新型太阳能电池主要有两种,即QD-IBSC和QD-MEGSC,它们均通过提高电池的短路电流来提高转换效率。但二者的理论基础不同,前者是依靠QDs 阵列在主体材料中产生的 IB 增加对低能光子的吸收；而后者则是通过QDs中热载流子的碰撞电离 MEG提高对高能光子的利用率。这两种电池的理论极限效率都很高(45%,1sun光照条件下),而且各自存在的基本要素已得到实验证实,但是,目前制备的QDSC的效率还远远没有达到预期目标。
对QD-IBSC而言,研究最多的是InAs/GaAs QDs电池,这个材料体系主要的问题是能带结构与理想情况相差甚大；其次是实际电池的效率比期望值低得多,具体表现在JSC增加不大, VOC反而有所降低。针对以上问题,改进QD-IBSC 的性能需从以下3方面入手: 第一 ,寻找满足最佳带隙分配的新的QD/势垒层材料组合, Zunger[8]等经过计算,建议尝试InAs/InP和GaSb/GaAs材料体系；第二,在平衡应力生长技术的基础上增加QDs层数以提高光吸收；第三,采用带隙更大的势垒层抵消QDs引起的有效带隙的窄化[9] .
QDs中的MEG现象已经在多种材料中被证实,而且理论上也给出了制作MEGSC所需材料的最佳带隙值。但在电池中还没有发现明显的MEG过程对光电流的贡献,而利用QDs结构研制的QDs敏化太阳能电池和QDs/聚合物太阳能电池的效率还比较低(<5 %)。所以当前的工作重点是在现有材料基础上,选择碰撞电离能量阈值低的半导体QDs作吸收层来研制p-i-n结构MEGSC ,并通过对电池性能的表征和理论分析,来改进结构设计和工艺参数,从而加快其走向实用化的步伐。
制备QDSC在材料生长方面还有一定的技术难度。例如生长的QDs要有一定的尺寸,而且需要其密度高、均匀性好、排列规则, 还有在多层结构中如何减小界面态和应力积累形成的缺陷等。即便有合适的材料体系,这些要求对生长工艺而言仍是相当严格的。所以要制作高效率的QDSC,还需要在材料制备技术上进行不断的探索和研究。
四、新型钙钛矿太阳能电池
新型钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在过去两年内提升极为显著，认证效率达到20.1%[10]，受到科学界和技术界的广泛关注。
新型太阳能电池根据电池结构与工作机理一般被划分为薄膜太阳能电池和纳晶敏化太阳能电池两大类。纳晶敏化太阳能电池一般被认为起源于1991年。
B.lO’Regan和M. Gr?tzel首次引入具有极大比表面积的纳晶多孔电极和有机电解质获得了光电转化效率高达7.9%的三明治结构染料敏化太阳能电池[11]。经过二十余年的发展，这类电池的光电转化效率已突破13%，达到了可以与非晶硅电池相媲美的程度[12]，并衍生出了量子点敏化太阳能电池等研究方向。2009年，Miyasaka等首次将钙钛矿材料应用于液态敏化太阳能电池中，开辟了钙钛矿太阳能电池研究的先河[13]。薄膜太阳能电池的研究一般被认为始于1988年Nakazawa用氩离子束真空溅射制备的Cu2ZnSnS4薄膜电池[14]。这一领域后来还根据光活性材料的差别衍生出诸如有机太阳能电池、杂化太阳能电池等一系列研究方向，其中CuInGaSe2薄膜太阳能电池更是达到了20.9%的光电转换效率，并得到了相当的产业应用[15]。除了电池效率的提升，更为重要的是这二十多年来新型太阳能电池领域的研究积累了丰富的电池模型假说和制备工艺方法。这些研究积累为新型钙钛矿太阳能电池的发展打下了坚实基础。
五、其他新型太阳能电池
1.热载流子太阳能电池(HCSC)
热载流子(hot carrier, HC)冷却造成的能量损失是限制单结电池效率的一个重要因素。减小这部分损失的方法有两种：一是前面讲到的碰撞电离MEG；另一个是在热载流子冷却之前将其收集到电池两端,从而增加VOC ,这就是HCSC的基本思想。理论计算表明, HCSC电池在全聚光下的极限效率为85%,在1sun下的极限效率为52% [16]。实现HCSC要求热载流子的收集速度比其冷却速度快。这可以从两方面入手：通过提高材料迁移率并减小传输距离来缩短收集时间；或者想办法延长热载流子的冷却时间。如前所述,量子化的能级有助于减慢热载流子的冷却速度,所以QWs, QDs和超晶格等低维结构已被广泛用于研究光生载流子的冷却动力学过程[17,18]。另外,强光注入也有利于增加载流子的冷却时间,这在实验中已得到证实[19]。
2.热光伏太阳能电池( TPVSC)
在热光伏(the rmopho to voltaic, TPV)光电转换系统中, 太阳光不是直接照射到电池表面,而是照到一个中间吸收/发射体上,如图1所示, 这个吸收/发射体被加热后,再以特定波长辐射到电池表面,产生电能。TPV电池的优势在于能避免普通单结电池中的能量损失。若在发射体和电池之间插入一个滤波片,只允许能量略大于电池材料禁带的光子通过,则低能量和高能量光子都被反射回发射体。或者通过电池背面的反射镜将低能量光子送回给发射体,甚至连电池本身的辐射复合都可以被发射体吸收后再利用。
图1TPV太阳能电池的工作原理图(其中T s，T A，T o分别为太阳、吸收体和地面(或电池)的温度。
I E,S,I E,A,I E,E,I E,C分别为太阳、吸收体、发射体、电池的能量流密度。I y,E,I y,C分别为发射体、电池的粒
子流密度。IQ为电池的输出电流)
Harder和Wǜrfel[20]用细致平衡理论计算了TPVSC 的极限效率,结果与HCSC的极限效率几乎相同。在全聚光条件下,当发射体的工作温度为2544K 时, 电池的极限效率为85%；在1sun光照条件下,发射体的温度为865K时,电池的极限效率达到54%。在大多数情况下,发射体的温度在1100—1500K之间,对应辐射波长为 1.9—2.6μm,因此制备TPVSC应选窄带隙(0.5—0.6eV)的半导体材料。近几年,基于InP 和GaSb的TPVSC(如GaInAs , GaAsInSb等)取得了迅速发展[21—23]。
六、结束语
第三代太阳能电池具有薄膜化、低成本、超高效率等突出优点,是当前光伏应用领域重要的发展方向。其中, III-V族MJSC近年来获得了迅速发展,3结GaInP/GaInAs/Ge电池的纪录效率达到了41.6 %,其商业化产品在空间电源应用中占据着主要地位。为了进一步降低成本,提高效率, III-V族MJSC正在向聚光型、3结以上电池、其他新型太阳能电池等方向发展。由于晶格常数在6.1?附近的II-VI和III-V族半导体化合物及多元合金的带隙连续覆盖了从红外到紫外(0.4—3.0eV)几乎整个太阳光谱,所以近几年来,人们提出将它应用于研制新型高效MJSC ,理论上已设计出几种多结电池的结构方案, II-VI族单结电池的研制也取得了成功。QDSC是当前一个非常活跃的研究方向, 与普通单结甚至多结电池相比,QDSC在成本和效率方面均表现出巨大的优势。关于QDsIB材料及MEG 的实验研究已取得重要进展, QDs材料及电池的性能正在不断改进。随着工艺条件的改善和理论研究的深入,新型高效太阳能电池的研制必将获得成功,应用领域也会变得更加广阔。
参考文献
[1] Pfann W G , Roosb roeck W V. J. Appl. Phys. , 1954, 25: 1422
[2] Martin A G , Prog .Photovolt:Res.Appl. , 2001, 9: 123
[3] Shock ley W, Queisser H J . J. Appl.Phys. , 1961, 32:510
[4] Bauhuis G J, Mulder P, HaverKamp E J et al.Sol.Energ .Mat.Sol. C . , 2009, 93:
1488
[5] KurtzSarah, Myers Daryl, McMah on W E etal. Prog .Ph otovolt :Res.Appl., 2008,
16:537
[6] Alexis De V os.J.Phys. D: Appl.Phys.,1980, 13: 839
[7]Martin A G , Keith E , Yoshihiro H etal. Prog .Photovolt:Res.Appl., 2010, 18 : 346
[8] Zunger A , Franceschetti A , Luo J-W etal.Understandingthe physics of Carrier-
Multiplication and intermediate-bandsolar cells based on nanostructures——W hat is going on? In:34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.
Philadelphia,2009. 000322
[9] Luque A, Martí A.Adv. Mater., 2010,22: 160
[10]NREL,Best research cell efficiency, https://www.doczj.com/doc/8a1607116.html,/ncpv/images/efficiency
_chart.jpg, accessed: December, 2014.
[11] O’Regan, B.; Gr?tzel, M.Nature 1991, 353, 737.
[12]Mathew,S.; Yella, A.; Gao, P.; Humphry-Baker, R.; Curchod, B. F.E.;
Ashari-Astani, N.; Tavernelli, I.; Rothlisberger, U.; Nazeeruddin,M. K.; Gratzel, M.Nat.Chem. 2014, 6, 242.
[13]Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc.2009, 131,
6050.
[14] Ito, K.; Nakazawa, T. Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 1988, 27, 2094.
[15] https://www.doczj.com/doc/8a1607116.html,/eng/news/2014C031367.html.
[16] Wǜrfel P .Sol.Energ . Mat . Sol. C . , 1997, 46: 43
[17] O'Dwyer M F, Humphrey T E, Lew is R A etal. Microelectron . J., 2008, 39: 656
[18] Conibeer G J,K?nig D,Green M A etal .Thin Solid Films,2008, 516: 6948
[19] Rosenwaks Y , Hanna M C , Levi D H etal .Phys.Rev .B,1993, 48: 14675
[20] Harder N-P ,Wǜrfel P .Semicond. Sci .Technol., 2003, 18:S151
[21] Mauk M G , Andreev V M .Semicond.Sci .Technol. , 2003,18: S191
[22] Wang C A ,Huang R K,Shiau D A etal .Appl.Phys.Lett.,2003, 83: 1286
[23] Cederberg J G,Blaich J D, Girard G R etal.J.Crystal Growth,2008, 310: 3453
太阳能电池及材料研究 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源．也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。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、半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，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，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。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电 池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1．2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等
员 工 培 训 资 料 2008年09月04日初订 目录 第一章太阳能概况 (2) 第二章太阳能电池的发明和未来前景 (3) 1．太阳能电池发明 (3)
2．太阳能电池前景 (4) 第三章太阳能光伏技术 (5) 1．光伏效应 (5) 2．光伏电池分类 (5) 3．晶体硅生产一般工艺流程 (5) 第四章硅太阳能电池的工作原理及其结构 (12) 第五章太阳能电池基本参数 (16) 1．标准测试条件 (16) 2．太阳电池等效电路 (16) 3．伏安(I-V)特性曲线 (17) 4．开路电压 (18) 5．短路电流 (18) 6．最大功率点 (18) 7．最佳工作电压 (18) 8．最佳工作电流 (18) 9．转换效率 (18) 10．填充因子(曲线因子) (19) 12．电压温度系数 (19) 第一章太阳能概况 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射
能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。 70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 第二章太阳能电池的发明和未来前景 1．太阳能电池发明 1839年法国物理学家A·E·贝克勒尔意外的发现，两片金属进入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下光电
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/8a1607116.html, 太阳能电池的发展历史 作者：张金晶 来源：《商情》2016年第26期 【摘要】相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源，太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点，成为最具有发展前景的能源之一。目前，随着太阳能电池制备技术的不断完善，其技术的开发应用已经走向商业化、大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。 【关键词】太阳能单晶硅薄膜电池 引言：随着社会的飞速发展，能源是影响当今社会进步的重要因素，但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡，并且不可再生，而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源，可以提供充足的能量供人类使用，因此开发新能源，是人类社会薪火相传，世代相传的重要保证。 此外，不可再生能源的过快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应，臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响，不仅阻碍了人类经济的飞速发展，而且还严重影响到社会的可持续发展。因此，发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。 1. 第一代太阳能电池 第一代太阳能电池是发展时间最久，制备工艺最为成熟的一代电池，一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多，商业前景最好。 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低，稳定性也比较好，这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高，它达到的最高的光电转换效率为21.9%，但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。 2.第二代太阳能电池
以化合物半导体为基体制成的太阳能电池。在种类繁多的化合物半导体材料中，不乏兼备优良光电特性、高稳定性、宜于加工制造的太阳能电池材料。化合物可构成同质结太阳能电池、异质结太阳能电池和肖特基结太阳能电池。它既可制成高效或超高效太阳能电池，又可制成低成本大面积薄膜太阳能电池，从而拓宽了光电材料的研究范围，也极大地丰富了太阳能电池家族。目前，世界上光电转换效率最高的是化合物半导体太阳能电池(如砷化镓太阳能电池效率η=24%～28%)，或者是以化合物作为重要组分的太阳能电池(如砷化镓和硅叠合聚光太阳能电池效率η=32%～37%，薄膜硒铟铜/非晶硅太阳能电池效率η=14%～17%)。 在元素周期表中的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，如硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)等，都具有直接禁带跃迁的能带结构，吸收系数大，结构比较稳定。若用Ⅰ-Ⅲ族元素取代Ⅱ-Ⅵ族化合物中的Ⅱ族元素，则得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物，如硒铟铜(CuInSe)、硫铟铜(CuInS)等。对应地，用Ⅱ-Ⅳ族元素代替Ⅲ-Ⅴ族化合物中的Ⅲ族元素，则构成Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ族三元化合物，如锌硅砷(ZnSiAs2)等。从中可以挑选禁带宽度适合于吸收不同波长的太阳光、且可制成低电阻p型或n型基体的化合物半导体来制造太阳能电池。 具有代表性的化合物半导体太阳能电池有砷化镓太阳能电池、硫化镉太阳能电池和硒铟铜太阳能电池。 砷化镓太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池，其主要特点是： (1) GaAs的禁带宽度达1.43 eV，能有效地吸收太阳光，其理论效率达28%。 (2) GaAs是直接禁带跃迁材料，吸收系数大。吸收90%的太阳能只需5μm厚的GaAs，而硅则需厚为100μm以上才能吸收同样多的太阳能。 (3)耐高温，耐辐射，适宜于做聚光太阳能电池(聚光比可以高达1000～1735倍)，也适宜于做太空飞行器上用的太阳能电池。 砷化镓太阳能电池的主要缺点是：价格昂贵，功率/重量比小，表面复合速度大等。 自1956年砷化镓太阳能电池问世以来，已制成pn结GaAs同质结太阳能电池和GaAlAs/GaAs 异质面太阳能电池等。砷化镓还可以分别与元素半导体、其他化合物构成许多异质结构的多晶薄膜GaAs太阳能电池。砷化镓太阳能电池的结构类同于硅太阳能电池，开路电压为0.88～1.0 V，短路电流密度稍低，一般为20～30 mA/cm2。 硫化镉太阳能电池是最先问世的Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳能电池。硫化镉的禁带宽度为2.42 eV，吸收系数大，是比较理想的异质结窗口材料，CdS-Cu2S太阳能电池的效率极限为17.8%。但在研究中发现，CdS-Cu2S电池在自然光照条件下，铜离子会在pn结中宏观迁移，因而造成输出功率下降。现在正在用CdTe和其他合适的材料来制造低成本薄膜太阳能电池。 碲化镉太阳能电池碲化镉具有稳定性好、薄膜沉积速度快、价格便宜等优点，因而碲化镉与硒铟铜同样被选为当前最有希望的两种薄膜化合物太阳能电池之一。其光电转换效率，1991年为12.5%，1995年为15.8%，2000年有可能达到18%而进入产业化生产。 硒铟铜太阳能电池性能最好的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物太阳能电池。硒铟铜是目前已知的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体中性能最好的光电材料，禁带宽度为1.01～1.04 eV，有直接能带结构，在异质结电池中可作为理想的基体材料。硒铟铜与硫化镉、碲化镉材料一样，可以用真空沉积法、喷涂法、丝网印刷法和悬浮电镀法制造薄膜电池。电池结构与硅薄膜电池类同。也可制成前壁型和后壁型两种。CuInSe电池的开路电压比硅的低，约为0.4～0.5 V，而短路电流密度可高达40 mA/cm2左右，是一种稳定性比较好的薄膜太阳能电池。其光电转换效率，1991年为13%，1995年为17%，2000年可达20%。
太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
太阳能电池板原理
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。
一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下
面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
新型太阳能电池发展 姓名：学号：指导老师： 摘要：太阳能电池发电是解决目前能源问题，促进社会经济及环境健康发展的重要途径之一。目前，在市场占主导地位的硅基太阳能电池发电成本还不能和传统化石能源竞争。在此背景下，致力于高效率低成本的新型太阳能电池研究空前活跃。目前发展起来的有多结叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、多激子产生太阳能电池、热载流子太阳能电池和热光伏太阳能电池，以及新型钙钛矿太阳能电池。这些被称为第三代太阳能电池主要以超高效率、薄膜化、低成本为目标。关键词：太阳能电池，多结叠层，钙钛矿，量子点，多激子产生 一、引言 太阳能电池(solar cell , SC)是一种可以直接将太阳光转换成电能的光电器件,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。自从第一块硅单晶p-n结SC于1954 年在贝尔实验室问世[1],半个多世纪以来，人们对SC的研究经久不衰。迄今为止,已使用多种材料的单晶、多晶、无定形和薄膜形式制造出各种器件结构的太阳能电池。但研究人员对器件性能的优化以及新材料和新结构电池的探索时刻没有停止,并且一直受到人们的热切关注。 2001年,Green[2]提出把太阳能电池的发展过程划分为3个阶段,其中第一代体硅太阳能电池(单晶Si和多晶Si)和第二代薄膜太阳能电池(非晶Si ,GaAs , CdTe,CIGS等)都是单结电池,已基本实现了商品化。第三代太阳能电池除了继续保持薄膜化并采用丰富、无毒的原材料外,最大的特点就是具有更高的光电转换效率。如果我们取太阳表面温度为6000K ,电池温度为300K,根据卡诺定理, 可得电池能量转换的热力学极限效率为95 %；但是Shockley和Queisser[3]通过细致平衡极限原理计算得出,理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量(Eg)的函数,当Eg≈1.3eV时,1sun照射下的极限效率(也称S-Q极限)仅为 31 %,全聚光(46200suns)下的极限效率为 40%。二者相差如此之大,原因是电池在吸收太阳光并转化成电能的过程中,各种方式导致的能量损失最终限制了它的效率。能量损失的内部原因主要有以下3方面： (1)太阳光谱中能量(hν)小于Eg的光子不能被吸收,从电池中透过；(2)能量大于Eg的光子被吸收后激发出热载流子(电子和空穴),超过Eg的那部分能量(hν-Eg)很快都以热能的形式释放掉了； (3)光生载流子的辐射复合,所有太阳能电池在吸收太阳光的同时也向外辐射光。另外,在实际电池中由于结构设计和工艺条件等外部因素的影响,还会产生一些损失机制使效率降低,例如表面反射、串联电阻、晶格缺陷等。 目前,单结GaAs薄膜电池的实验室纪录效率为26.1% [4],该值已接近于理论极限,但从太阳能利用率的角度来看还是比较低。为了研制高效太阳能电池技术,必须突破限制单结电池效率的主要束缚,也就是减小上述(1)和(2)两点造成的能量损失。近年来 ,研究者提出了一系列新型电池设计方案以超越S-Q极限,包括
浅谈太阳能电池的基本原理与应用 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题，研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。为全面的了解太阳能电池的相关知识，本文通过查阅大量资料与新闻信息，综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理，基本结构，主要类型，发展现状及趋势。 关键词：太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率 引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 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. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 1 基本原理 太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 1.1 半导体的简单介绍 半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 1.1.1关于半导体的基本概念 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子，包括电子与空穴。 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三
新型纳米晶太阳能电池介绍 南京大学已开发出的新型可见光响应型复合氧化物半导体制备光电极来开发新型可见光响应型太阳电池，在不使用有机染料条件下其太阳光转换率己达到1.0%；从根本上解决了染料敏化太阳电池寿命低且不稳定的弱点。本课题组最新研究结果表明，由多种新型可见光响应型复合氧化物半导体制备的光电极配以少量的染料来敏化电极可获得更高的电流（Jsc）和电压（V oc）而不会影响新型可见光响应型太阳电池的寿命。这是世界上第一次可见光响应型太阳电池的研究。 我们的研究目标是开发新型,高效,低成本的可见光响应型太阳能电池。优化构成新型太阳能电池的各个要素的性能，找出最佳值。最后利用锂离子电池良好的充放电特性将新型可见光响应型太阳能电池产生的电能储存起来。三年后的开发目标为转换效率11%，十年后转换效率提高至15%。力争实现整体生产计划成本4-5元/Wp的目标。最终实现成本3元/Wp 以下的目标。进一步完善新一代太阳能发电技术及储能系统研究的理论和试验体系，为我国提供无尽的能源储备，为我国高技术产业提供具有自主知识产权的高效率、低价格的光转换器件等一系列新产品以及相关的新材料和新技术。 染料敏化太阳电池由染料敏化剂、宽带隙半导体、氧化还原电解质和对电极四个部分构成。目前染料敏化太阳电池的最高能量转化效率为11%，由钌联吡啶配合物、二氧化钛、I-/I3-电对和铂对电极获得。染料敏化太阳电池的效率已经达到了传统的硅半导体电池的水平，与后者相比，前者的制作工艺简单，成本低廉，应用前景更加光明。在硅电池中，半导体硅承担三个重要功能，即吸收光线，承受电子与空穴分离所需的电场，电子的传输。因为同时高效执行这三项任务，半导体材料的纯度必须非常高，这就是基于硅的太阳电池成本昂贵，不能与传统发电方法进行商业竞争的主要原因。相反，染料敏化太阳电池的四个组成部分分别执行不同的功能，对各个部分可以从效率和成本两个方面分别进行优化，降低成本和提高效率的空间很大。 染料敏化太阳电池是由瑞士化学家Michael Gr?tzel首先提出的，他们研究小组可以获得大于10%的效率。我们是除了Gr?tzel研究组以外第一个获得效率大于或者等于10%的研究团体，具有丰富的电池制作和效率优化技术。在染料敏化太阳电池中,由于TiO2本身不能吸收可见光领域的能量(Eg<3.2eV),完全依赖有机染料（光敏染料）来提高吸收太阳光中的可见光。然而有机染料易老化耐热性差,因此带给染料敏化太阳电池寿命低且不稳定等弱点。另外染料的使用使电子跃迁过程复杂,加上和宽带半导体有能级匹配上的困难,降低了光电转化效率,又由于染料的大量使用加大了电池的成本，严重阻碍了其实际的应用。在这种现状下，我们从可见光响应型光电极入手,利用可见光响应型光电极来直接进行光电转化。在世界上首次进行了新型可见光响应型太阳电池的研究，首次成功合成了在可见光领域有活性的氧化物半导体光催化剂，从根本上解决了可见光响应型光电极材料。这一成果已于2001年末在科学界最有影响的杂志Nature上发表（附件），海外媒体对此作了广泛的报道（见附件）。 本课题组用已开发出的这些新型可见光响应型复合氧化物半导体制备光电极来开发新型可见光响应型太阳电池，在不使用有机染料条件下其太阳光转换率己达到1.0%；从根本上解决了染料敏化太阳电池寿命低且不稳定的弱点。本课题组最新研究结果表明，由多种新型可见光响应型复合氧化物半导体制备的光电极配以少量的染料来敏化电极可获得更高的电流（Jsc）和电压（V oc）而不会影响新型可见光响应型太阳电池的寿命。
太阳能电池发展的新概念及新方向 【摘要】近些年，随着我国经济的飞速发展、科技水平的快速提升，太阳能技术已逐渐普及、应用到各个行业领域乃至人们的生活中，而市面上也涌现出了大量的太阳能热水器、太阳能发电设备、太阳能照明器具等产品。其中，太阳能电池的应用，不仅充分发挥了太阳能技术环保、节能、可再生的特点，同时也有效满足了当代社会发展、科技进步的需求。本文就太阳能电池发展的新概念及新的方向作简要的分析、探讨。 关键词：太阳能电池未来发展新概念新方向 随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。通过对太阳能电池的发展背景、现状进行分析，可将太阳能电池发展的新概念、新方向归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池。 一、阳能电池发展综述 长期以来，世界各国在大力发展经济的同时，各行业领域的过度生产消耗了大量的能源，倘若继续按照此种趋势发展，在未来的五十年里，能源危机将是影响人类生活、阻碍社会进步的首要问题。目前，不同国家、地区、种类的全部能源中，能够使用的化石能源占90%以上，若是以现阶段世界各国的能源消耗状态发展到二十一世纪的中期，可供使用的能源储备、化石能源所占比例将减少近50%，之后的能源需求必将是以可再生能源、核能为主。基于此种趋势，预计到2100年，在人类所使用的能源中，可再生资源将占有30%以上。可供开发、使用的可再生能源主要有地热能、生物质能、风能、太阳能、潮汐能、氢能等。其中，太阳能所蕴藏的能量，是其他可再生资源能量总合的数千倍。由此可见，太阳能有着巨大的发展空间、良好的市场前景，而太阳能电池凭借其能量充足、可再生且环保的特点，自研发、应用后，以30%的年度增长率在世界各国、国际市场中得到推广与普及，截至到2010年，太阳能电池的国际市场年增长率有所减缓，但仍将以25%左右的年增率持续扩大市场份额。此外，国际上的太阳能光伏装机容量，将从21世纪初的约0. 5GW增长到2030年的300GW。对于可再生资源的研发与使用，我国提出了具体的中长期规划，将初期目标年度设定在了2020年，要求可再生能源的占有量达到15%，而太阳能电池的发电容量将逐步扩充至1. 8GW。 目前，在国际市场中可供选择、使用的太阳能电池较少，主要是以硅基太阳
太阳能电池的发展与应用 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。 太阳能蓄电池又称光伏电池，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。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于"先锋1号"人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能蓄电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能蓄电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能蓄电池组件的产量70MW(兆瓦)，我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能蓄电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户(2800万人口)，还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。
太阳能电池片生产技术的发展和趋势 LED光伏电子项目部 2009/2/22
1太阳能电池片的生产工艺 1.1太阳能电池的工作原理 典型的太阳电池本质上是一个大面积半导体二极管，它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能。当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时,其中能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子,价带中留下带正电的自由空穴，即电子-空穴对，通常称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区,被该区的内建电场分离电子被扫 到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面(两极)分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”,即“光伏效应”（photovoltaic effect）若在电池两侧引出电极并接上负载,负载中就有“光生电流”通过，得到可利用的电能,这就是太阳电池的工作原理，如图1所示。 图1太阳电池的工作原理 光伏效应是1839年法国Becqueral第一次在化学电池中观察到的。1876年在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应,随后开发出Se/CuO光电池。硅光电池的报道出现于1941年1954年，贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅光电池，为太阳能光伏发电奠定了技术基础，成为现代太阳电池时代的划时代标志。作为能源,硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10。多年里,硅太阳电池在空间应用中不断扩大，工艺不断改进,电池设计逐步定型。70 年代初，许多新技术引入电池制造工艺,转换效率有了很大提高。与此同时,硅太阳电池开始引入地面应用，70年代末，地面太阳电池产量已经超过了空间电池产量,促使成本不断降低。80年代初，硅太阳电池发展进入快速发展时期，技术进步和研究开发使太阳电池效率进一步提高，商业化生产成本持续降低，应用不断扩大。在太阳电池的整个发展历程中,先后开发出各种不同结构的电池，如肖特基(MS)电池、MIS电池、MINP电池、异质结电池等，其中同质p2n结电池自始至终占着主导地位，其他结构电池对太阳电池的发展也产生了重要影响。在材料方面,有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒(CIS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、砷化镓薄膜电池等，由于薄膜电池被认为是未来大幅度降低成本的根本出路,因此成为太阳电池研发的重点方向和主流，在技术上得到快速发展,并逐步向商业化生产过渡，多晶硅薄膜电池和Gratzel电池在90年代中后期开始成为薄膜电池的研发热点,技术发展比较迅速。 1.2太阳能电池的生产工艺
太阳能电池的发展历史 太阳能光伏发电最核心的器件——太阳电池。 从1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用。至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。 太阳电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳电池、CIS太阳电池、CdTe太阳电池和纳米燃料敏化太阳电池等，此外主要的是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。 回顾历史有利于了解光伏技术的发展历程，按时间的发展顺序，将于太阳电池发展有关的历史事件汇总如下： 1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。 1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。 1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。 1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文。 1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。
1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。 1930年https://www.doczj.com/doc/8a1607116.html,ng研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky发表“新型氧化亚铜光电池”论文。 1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象。 1933年L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文. 1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。 1953年Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光普的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算。 1954年RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉的光伏现象，(RCA:RadioCorporationofAmerica,美国无线电公司)。 贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和 G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。 1955年西部电工（WesternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利，在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。 1956年P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。
太阳能电池发展现状及存在的主要问题 晨怡热管2008-10-17 23:05:45 一、2005年国际太阳能电池产业发展情况 2005年，世界太阳能电池总产量1656MW，其中日本仍居首位，762M W，占世界总产量的46％，欧洲为464M W，占总产量的28％，美国156M W，占总产量的9％，其他274MW，占总产量的17％。 2004年全球前14位太阳能电池公司总产量达到1055MW，占当年世界总产量的88.3％，近五年来，日本Sharp公司一直领先，2004年产量达到324MW，见表1。
以2004年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98％，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6％，多晶硅太阳能电池占总量的56％，见表2。
2005年，世界光伏市场安装量1460M W，比2004年增长34％，其中德国安装最多，为837MW，比2004年增长53％，占世界总安装量的57％；欧洲为920MW，占总世界安装量的63％，日本安装量292M W，增幅为14％，占世界总安装量的20％；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7％，其他安装量为146M W，占世界总安装量的10％。
至2005年全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10亿美元。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2005年全世界硅原材料供应增长了12％，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25％。持续的硅材料紧缺将对2006年太阳能电池生产产生较大的影响，预计2006年世界太阳能电池产量的增幅将不限制在10％左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5年以上的时间。 根据光伏市场需求预测，到2010年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G到3.9GW之间，而光伏工业年收入将达到186美元到231亿美元。 日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV发展路线图。 按日本的PV路线图（TV Roadmap 2030），到2030年PV电力将达到居民电力消耗的50％（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表3和表4。
科学前沿讲座论文 太阳能电池 的发展前景及应用 姓名：徐壮 学号：2012221105240021 专业名称：微电子 学院名称：物理学与电子科学学院 指导教师：王浩 2015年6月20日
太阳能电池的发展前景及应用 摘要：随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，石油的枯竭几乎像一个咒语，给人类带来了不安。何为石油等不可再生能源的替代者？各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的“新宠”，发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代已为时不远了。就太阳能发展的前景及应用做简单阐述。 正文： 一、背景 长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。 二、太阳能转化为电能原理 光伏发电是利用半导体pn结（pn junction）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输 电线路即可就地发电供电及建设同期短的优 点。 光伏发电是根据光生伏特效应原理，当P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征 吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应 的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P 区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多 子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光 生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内
太阳能电池的研究现状及发展 【摘要】近年来随着人们对环境的重视，对新能源的需要变得越来越大，太阳能成为新型能源将被广泛应用。黄铁矿结构的二硫化铁（FeS2）是一种具有合适的禁带宽度（Eg≈0.95eV）和较高光吸收系数（当λ≤700nm时，α=5×105cm-1）的半导体材料，而且其组成元素在地球上储量丰富、无毒，有很好的环境相容性。因此，FeS2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景，受到人们的广泛关注。本文从不同制备方法所制备出的二硫化铁薄膜的研究结果，来分析二硫化铁薄膜的研究状况。 【关键词】能源;二硫化铁;制备方法;光电性能 1.引言 太阳能电池自1954年由诺贝尔实验室和RCA公司几位杰出的科学家发明问世以来，由于地球变暖现象的日益严重，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制，再加上石油匮乏，40年后将消耗殆尽，其价格持续攀升，这些因素都促成了对代替能源的重视与需求，也激发了太阳能产业的蓬勃发展。 太阳是一座聚合核反应器，它一刻不停地向四周空间放射出巨大的能量。它的发射功率为3.865×1026J/S（相当于烧掉1.32×1016ton标准煤释放出来的能量）。地球大气表层所接收的能量仅是其中的22亿分之一，但是地球一年接收的太阳的总能量却是现在人类消耗能源的12000倍。另外，根据文献记载太阳的质量为1.989×1030kg，根据爱因斯坦相对论（E=mc2）可以计算出太阳上氢的含量足够维持800亿年。而由地质资料得出的地球年龄远远小于这个数字。因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的[1-3] 2.太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。 2.1 太阳能电池发展 目前，太阳能电池产品是以半导体为主要材料的光吸收材料，在器件结构上则使用P型与N型半导体所形成的PN结产生的内电场，从而分离带负电荷的电子与带正电荷的空穴而产生电压。由于晶体硅材料与器件在技术的成熟度方面领先于其他半导体材料，最早期的太阳能电池极为晶体硅制成，直到近几年晶体硅太阳能电池仍有大约90%的市场占有率。除了技术与投资门槛较低以外，不用担心硅原料匮乏等都是造成其市场占有率高的主因。 在晶体硅太阳能电池之后，大约从1980年起开始有非晶硅薄膜太阳能电池