太阳能电池综述
摘要:概述了太阳能发电技术，并以光伏发电为重点，介绍了太阳能电池的材料和种类。根据太阳能电池发展的过程，对晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等几种太阳能电池的当前技术水平、工艺方法、转化效率、发展瓶颈、研究方向等内容进行了阐述，在此基础上进行分析，得出在未来的光伏民用产业中最有发展潜力的薄膜太阳电池应是硅系薄膜太阳电池和CIGS电池。
关键词：光伏发电；晶硅太阳能电池；薄膜太阳能电池；CIGS太阳能电池；转化效率
Summarize of Solar Cells
Abstract: Provides an overview of solar power technology, and with emphasis on photovoltaic , the types and Materials of the solar cells are introduced. According to the development of solar cells,the article describes the current solar cell technology, processes, conversion efficiency, the development bottleneck, research direction, etc. of several kind of solar cells such as crystalline silicon solar cells, thin film solar cells.based on this analysis, a conclusion was drawed that thin-film silicon solar cells and CIGS thin film solar cells has the most potential for development of photovoltaic industry in the future.
Key words: photovoltaic; cristalline solar cell; film solar cells; CIGS solar cells; conversion efficiency 0 前言
全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰着人类社会。“寻求绿色替代能源,实现可持续发展”已成为世界各国面临的共同课题。据2004年底统计,按目前的需求计算,全球石油、天然气、煤、铀储量的利用年限分别为40、50、200、60年。常规能源排放大量CO2和SO2、核废料,对环境形成巨大压力。许多国家都鼓励发展水电、太阳能、风能、生物质能、地热和海洋能等可再生能源。预测,在2040~2050年全球可再生能源将取代常规能源, 占主导地位。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势, 是理想的替代能源。美、欧、日等都将太阳能光伏发电作为今后国家能源安全的重点。
在现有的科学技术条件下，太阳能的利用包括两个方面，即光热利用和光电利用。光电利用又分为直接利用和间接利用，直接利用主要是指利用太阳能电池进行光电的直接转换，也就是通常说的光伏发电技术。而间接利用一般是先利用聚集器聚集太阳对工质加热，然后驱动热力机械循环做功发电，又称为太阳能热发电。苏亚欣等经过研究指出在未来的空间站建设中，太阳能热动力系统闭式Brayton循环可以作为空间站太阳能电源系统的首选技术方案。[1]、[2]但是由于在现有的技术条件下，太阳能热发电的成本很高，因而在民用场合很难得到广泛的应用。相反，随着近年来太阳能光伏产业的发展，太阳能电池转换效率不断提高，成本不断降低。使得太阳能光伏发电的前景更为宽阔。我国信息产业部电子科技委太阳能光伏产业发展战略研究课题组发表的《太阳能光伏产业发展战略研究报告（摘要）》[3]中指出太阳能电池的在以后的能源结构中将占据无法取代的地位，对国家的能源安全，有着至关重要的作用。
1 太阳能光伏发电技术发展现状及预测
1839年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象被称为“光伏效应”。爱因斯坦在1904 年对其做出了理论解释, 并很快得到实验证实。太阳能电池巨大的潜在用途刺激了各国研究机构和公司争相开展光伏效应及其应用技术的研究开发工作,1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳能光伏发电是清洁能源领域的热点 ,继晶体硅太阳电池技术与产业在 20世纪末、21世纪初得到飞速发展之后 ,以硅薄膜太阳电池技术的快步升级及大规模产业化为特征的新一轮光伏能源技术发展高潮正在到来。
21世纪以来,在德国和日本政府政策的推动下,2000~2006 年全球光伏系统安装量年均增长49.1%, 光伏发电成为产业和市场发展速度最快的可再生能源技术之一。根据国际能源署预测,2050年太阳能光伏在全球能源的比重将达到25%, 在能源结构中起主导作用,2100 年将达到 64%, 可见光伏产业将是一个长期的朝阳产业。随着太阳能电池技术水平的提高, 光电转换效率的提升, 多晶硅原料消耗降低, 生产规模扩大, 光伏发电成本将不断下降; 特别是太阳能电池薄膜技术的突破, 光伏系统的制造能耗和发电成本将大幅度下降。预测2020 年前后, 民用光伏系统的电价就可与常规能源的电价相持平。见表1：[3]
[3]
数据来源：欧洲JRC
一套基本的太阳能发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成。而太阳能发电系统的核心部件是太阳电池。
3 太阳能电池的发展阶段与分类
到面前为止，太阳能已经有很多的分类方法，可以根据材料分，也可以根据其发展阶段分等等，但是，不管哪一种分类方法，一般希望太阳能电池具有以下特性：
(1) 转换效率高；
(2) 制造能耗少；
(3)制造成本低；
(4)原材料丰富；
(5)电池使用寿命长；
(6)无公害。
3.1 按照太阳能的电池材料分类
因为许多半导体材料都可以用来做太阳能电池，所以按太阳能电池的材料来分，太阳能电池的种类很多，主要情况见表2[5]
