光伏材料*概述

　　光伏材料又稱太陽電池材料，只有半導體材料具有這種功能。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是集半導體材料、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、蓄電池技術(shù)及電力工程技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)是當今新能源發(fā)電領(lǐng)域的一個研究熱點。

　　隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，以石油、天然氣和煤炭等為主的化石能源正逐步消耗，能源危機成為世界各國共同面臨的課題。與此同時，化石能源造成的環(huán)境污染和生態(tài)失衡等一系列問題也成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展甚至威脅人類生存的嚴重障礙。新能源應(yīng)用正成為全球的熱點。太陽能資源是*豐富的可再生能源之一，它分布廣泛，可再生，不污染環(huán)境，是國際上公認的理想替代能源。光伏發(fā)電是太陽能直接應(yīng)用的一種形式。作為一種環(huán)境友好并能有效提高生活標準的新型發(fā)電方式，光伏發(fā)電技術(shù)正在全球范圍內(nèi)逐步得到應(yīng)用。

　　光伏材料*分類

　　一般，可做太陽電池材料的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空間的有單晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生產(chǎn)的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚處于開發(fā)階段。

　　光伏電池是按材料分類的，主要分五類：

　　硅太陽能電池

　　硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

　　多元化合物薄膜太陽能電池

　　多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。

　　聚合物多層修飾電極型太陽能電池

　　有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。

　　納米晶太陽能電池

　　納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10.壽命能達到20年以上。

　　有機太陽能電池

　　有機太陽能電池，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。

　　光伏材料*工作原理

　　光伏材料能產(chǎn)生電流是因為光生伏特效應(yīng)，即如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負電的P區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5～0.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

　　光伏材料*光伏效應(yīng)實質(zhì)

　　光伏效應(yīng)是指光照射到半導體P-N結(jié)上產(chǎn)生可輸出功率的電勢差的現(xiàn)象

　　過程包括：電子吸收光子能量產(chǎn)生電子空穴對，內(nèi)建電場作用下電子空穴對分離，電子空穴相向運動到端電極輸送到負載 。

　　光電流：漂移電流，擴散電流

　　光伏材料*發(fā)展歷程

　　1 **代光伏發(fā)電材料

　　當前，太陽能光伏電池材料主要有晶體硅材料，晶體硅包括單晶硅，多晶硅和非晶硅。單晶硅是目前普遍使用的光伏發(fā)電材料，高效單晶硅電池的生產(chǎn)建立在高質(zhì)量單晶硅材料和成熟的加工工藝基礎(chǔ)上。目前，單晶硅電池工藝已近成熟，提高其光電轉(zhuǎn)換效率主要靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在光照充足的*佳角度，單晶硅電池的光電總轉(zhuǎn)換效率可以達到 20%～24%。多晶硅原料是半導體工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)共同的上游原材料，多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率*高達 18.6%，明顯不如單晶硅。為適應(yīng)光伏市場需求的持續(xù)穩(wěn)定增長，太陽能電池企業(yè)不得不以較高的價格購買半導體級硅來生產(chǎn)光伏電池，這無疑增加了光伏產(chǎn)業(yè)的成本，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，多晶硅的需求量會越來越大。非晶硅太陽電池具有獨特的優(yōu)勢：材料和制造工藝成本低、易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。a-Si 太陽電池易于實現(xiàn)集成化。各種功率、輸出電壓、輸出電流的器件都可以設(shè)計制造出來，可以較方便地生產(chǎn)適合不同需求的多種產(chǎn)品。a-Si 太陽電池光吸收系數(shù)高、暗電導量低，適合制作手表電池、計算器電池等低功耗電源;a-Si 膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的“大電池”;a-Si 太陽電池的制造方法靈活多樣，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。非晶硅電池將發(fā)展為太陽能電池的主要產(chǎn)品之一，有很好的市場前景。

　　2 **代光伏發(fā)電材料

　　**代太陽電池的核心是一種可粘接的薄膜。這種薄膜的優(yōu)勢：一是可以大批量、低成本地生產(chǎn);二是能更好地利用太陽能。該薄膜的表面呈絨面結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下觀察，如同銼刀表面一般，粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。當陽光照在這種薄膜上，光線斜射入電池內(nèi)，經(jīng)過各斜面不同角度的折射后，光線又會從電池板的背面反射回表面，大部分光線還能再次從表面反射回電池內(nèi)，如此多次反復，使光線在電池內(nèi)的傳播路線大大加長。實驗證明，光在這種電池內(nèi)的傳播路線是在表面光滑的電池體內(nèi)所傳播路線長度的 25倍，可大幅度地提高光能的利用效率。以納米TiO2為主的薄膜太陽電池，因其工作原理獨特，生產(chǎn)成本低廉而引起了世界廣泛關(guān)注。納米晶太陽電池(Nanocrystalline SolarCell)采用的是無機-有機復合體系，有效地把納米技術(shù)與太陽電池結(jié)合。首先采用無機納米粒子制備多孔的薄膜，然后在薄膜的微孔中修飾有機染料分子或無機半導體粒子作為光敏劑，光敏劑吸收入射光后產(chǎn)生電子—空穴對，通過半導體顆粒使電荷轉(zhuǎn)換效率提高，制備工藝簡單，其制作成本僅為單晶硅電池的1/5，具有明顯的價格優(yōu)勢。作為一種低成本的太陽電池，在**和民用方面具有很大的應(yīng)用價值。納米晶太陽電池更展現(xiàn)了太陽電池新的發(fā)展方向。

　　3第三代光伏發(fā)電材料

　　物理學家正試圖尋找全新的途徑研制新的太陽能電池，他們設(shè)想在單晶硅中摻入一些雜質(zhì)，有意形成晶體內(nèi)的缺陷，以利用這些缺陷導致額外的光電勢能。這樣也許可以提高光子電流，但卻會丟失一部分開路電壓，因此要應(yīng)用全新的材料。從理論研究看，在陽光集中輻照時，利用希澤光電效應(yīng)可能達到的光電轉(zhuǎn)換效率的極限值為63.2%，但只有使用理想的材料才能達到。若使晶體結(jié)構(gòu)中形成的缺陷能準確無誤地出現(xiàn)在所需要的地方，實際上也很難做到。德國科學家正在進行這方面的實驗，他們在單晶硅中摻入稀土金屬元素鉺(Er)來制造太陽電池，以測試它對轉(zhuǎn)換效率可能產(chǎn)生的影響。理論上講，太陽電池的*高轉(zhuǎn)換效率可以達到95%，但實際上*多也僅能達到85%。對于研究太陽能的科學家們來說， 能夠在現(xiàn)今已取得的光電轉(zhuǎn)換效率*好紀錄(24.8%)的基礎(chǔ)上，哪怕是取得小的進展都是了不起的成果?，F(xiàn)在如果用一種單一的太陽電池能達到30%的轉(zhuǎn)換效率，那也是太陽電池技術(shù)發(fā)展的一個重大突破。

　　光伏材料*研究現(xiàn)狀

　　• 單晶硅、多晶硅太陽電池目前研究的主要任務(wù)是在提高效率同時如何進一步降低成本

　　• 多晶硅薄膜電池既有晶硅電池高效、穩(wěn)定、資源豐富、無毒的優(yōu)勢，又具有薄膜電池低成本優(yōu)點，成本遠低于單晶硅電池，成為國際上研究開發(fā)熱點，國外發(fā)展比較迅速，在未來地面應(yīng)用方面將是發(fā)展方向

　　• CIS,C IGS,C dTe電池被認為未來實現(xiàn)低于1美元/峰瓦成本目標的典型薄膜電池

　　光伏材料*發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)今市場上的太陽能電池模塊有95%以硅為原材料，其中有60%為多晶硅，30%為單晶硅，預計這一現(xiàn)狀還將持續(xù)一段時間。對未來太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展而言，如何降低電池模塊的成本是關(guān)鍵，是因為它占據(jù)了發(fā)電系統(tǒng)成本的60%，而模塊成本中的20%取決于硅原材料成本，所以，如果保持如今的趨勢發(fā)展下去，則原材料硅的短缺終將成為制約太陽能發(fā)展的瓶頸。

　　1.改善原有的制備工藝并開發(fā)新工藝，提高硅原料的產(chǎn)量

　　目前有研究報道了一些新的工藝方法：熔融析出法(Vapor to Liquid Deposition，VLD)和熔硅提純法(Molten Silicon Refinement)。在VLD法中，將三氯氫硅(SiHCl3)和氫氣(H2)一起注入1500 ℃的石墨管中，形成硅熔融沉積，沉積速度比傳統(tǒng)西門子方法快[10]。未來的研究將開發(fā)更多新工藝，提高硅的產(chǎn)量。

　　2.開發(fā)新材料和新技術(shù)，降低硅的使用量

　　通過重新評估材料技術(shù)并使用新的電池技術(shù)以提高能源效率，從而盡可能降低單位能量所消耗的硅，同時通過擴展設(shè)備和引入新的制備工藝來努力提高生產(chǎn)能力。

　　3.第3代高效光伏電池具有潛在前景

　　第1代晶體硅太陽電池對材料的需求限制了成本降低的潛力，長期以來人們一直試圖用薄膜太陽電池取代第1代電池，然而，薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是要解決的主要問題，此外，薄膜電池的性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本也必須要達到大規(guī)模應(yīng)用的要求。目前從材料、工藝與理論研究等方面來看，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率還可以有很大提高，薄膜電池的發(fā)展也還有充足的發(fā)展空間。第3代光伏電池主要是要解決電池能量的損失問題，第3代電池的理論概念及其工藝方法成為了太陽能電池研究領(lǐng)域的*前沿問題，若第3代光伏電池能夠獲得成功，將會對整個太陽電池領(lǐng)域的發(fā)展起到里程碑式的貢獻。