太阳能电池概述

王秀波

（和田师范专科学校 新疆和田 848000）

太阳能电池概述

王秀波

（和田师范专科学校 新疆和田 848000）

以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。利用洁净的太阳光能，以半导体光电效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。本文概括介绍了太阳能电池工作原理，不同材料的太阳能电池分类和特性以及各自的效率比较。

太阳能电池；光电效应

0.引言

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。目前，人类使用的最主要能源是不可再生能源，如石油、天然气、煤炭和裂变核燃料等。约占能源总消费量的90%，而可再生能源，如水力、太阳能等只占10%。太阳能是人类取之不尽，用之不绝的可再生能源，不产生任何环境污染，是清洁能源，优越性非常突出。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。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用，直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括CO2任何气体，是对环境无污染的可再生能源，这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此太阳能电池有望成为21世纪的重要新能源。目前一些发达国家采用太阳能电池发出的电并人电网的措施，既能部分平衡高峰用电，又可省去储电的费用。太阳能发电系统一般没有发电机具有的转动部件，所以也不会产生噪音，不容易损坏。太阳能发电装置规模可大可小，小的可以是数瓦或数十瓦，如便携式太阳能手电筒和太阳能手机充电器，大的可以是数兆瓦或数十兆瓦，例如大型发电站等。

1.太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理重要是半导体的光电效应（Photovoltaic Efect缩写PV）是l839年被发现的。由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光能转换成电能，此种进行能量转化的光电元件称为太阳能电池。

半导体的光电效应原理由半导体的P-N结产生电流很容易理解，[1]如图1。

图1.太阳能电池原理图

在P型半导体和N型半导体的连接处存在着一个由P-N结建立的内电场。太阳光照射到半导体上，当光子的能量大于半导体材料的禁带能级宽度时，光子就被材料所吸收并且在材料内部产生电子－空穴对。电子就要向N型一侧跑，空穴就要向P型一侧跑，这时在开路的电极上就能造成一个电压，在闭路时就能形成电流。太阳光不断的照射，这个电流就不断的产生。

2.太阳能电池研究现状

2.1 单晶硅、多晶硅太阳电池。目前研究的主要任务是在提高效率同时如何进一步降低成本，采用发射极钝化、倒金字塔表面织构化、分区掺杂、刻槽埋栅电极和双层减反射膜等技术工艺提高效率，有的采用新工艺技术研制新型结构电池，如日本Sanyo公司研制HIT电池，采用PECVD工艺在n型单晶硅片上下面沉积非晶硅层，构成异质结电池，大面积效率21%。[1]目前，晶体硅太阳电池向薄片化方向发展，通过制备条带状硅提高材料利用率，在商业生产上普遍采用限边喂膜生长法，枝蔓蹼状法等带硅技术降低生产成本。从效率和材料来源考虑，太阳电池今后发展重点仍然是硅太阳电池。

2.2 多晶硅薄膜电池。既有晶硅电池高效、稳定、资源丰富、无毒的优势，又具有薄膜电池低成本优点，成本远低于单晶硅电池，成为国际上研究开发热点，国外发展比较迅速，在未来地面应用方面将是发展方向有在玻璃、（SiO2和SiN包覆的）陶瓷、（SiC包覆的）石墨等廉价衬底上采用PECVD、RTCVD生长多晶硅薄膜电池，还有通过激光刻槽和化学电镀实现接触、互联和集成的叠层多晶硅薄膜电池，非晶硅薄膜电池研究工作主要在提高效率和稳定性方面。优化电池结构设计，采用多带隙多pin结叠层电池，减薄各pin结的i层厚度，增强内建电场，降低光诱导衰减，可提高效率和稳定性。非晶硅薄膜电池质量轻、成本低，有极大发展潜力，如果效率和稳定性方面进一步提高，将是太阳电池主要发展产品。我国研制的1cm2与30×30cm2单结电池实验室初始效率分别为11.4%与6.2%。目前研究任务是提高大面积非晶硅电池稳定效率，稳定效率7-8%，寿命20年，尽快为产业化服务。我国硅基薄膜太阳电池研究水平和产业化进程与国际水平相差较大，还处于实验阶段。

2.3 CIS，CIGS，CdTe电池。被认为未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池CIGS电池在实现产量时制造成本比硅电池更低，如生产工艺发展成熟，产业化问题得以解决，与硅电池相比有很强竞争优势，是一种很有发展前途薄膜太阳电池。目前研究重点是进一步提高效率，降低成本，使之大规模产业化。我国对CIS，CIGS，CdTe、DSC太阳电池重点研究新工艺，新结构，提高大面积组件效率，建设中试线。我国对DSC太阳电池研究与国际同步。DSC电池由于液体电解质存在，这种电池稳定性还存在问题，引入固态电解质解决稳定性问题是这种电池重要研究方向，但全固态电解质纳米太阳电池效率不理想，仍需进一步深入研究。[9]

3.第1代太阳能电池是晶体硅太阳电池

包括单晶硅和多晶硅2种。

3.1 单晶硅太阳能电池。1954年美国贝尔实验室的Chapin等研制了世界上第一块真正意义上的单晶硅太阳能电池，光电转化效率大到6%，很快达到10%。单晶硅能太阳电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。

单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳能电池生产总成本中己超1/2。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。

单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术也最为成熟，理想转化效率略大于30%，在实验室最高的转化效率为23%，最近实验室转化效率可以达到24.7%，常规地面用商业用直拉单晶硅太阳能电池转化效率一般可达到13%-16%，期望不久可以达到17%-20%。

3.2 多晶硅太阳能电池。目前，太阳能电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

晶体硅太阳电池是PV（Photovoltaic）市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料。缺点是生产成本高。在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率。如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的。

表1 国内外高效晶体硅太阳电池比较[3]

3.3 第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池。第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池的厚度通常只有1-10um，制备在玻璃等相对廉价的衬底上，大大降低了生产成本，其成本低于第l代，可大幅度增加电池板制造面积，但是效率不如第1代。其中包括：①硅薄膜型（主要包括多晶硅、非品硅和微晶硅）、②化合物半导体薄膜型（主要包括非结晶型（a-Si：H，a-Si：H：F，a-Six-Gel-X：H等）、III-V族（GaAs，InP等）、II-VI族（Cds系）和磷化锌（ZnP）等）、③新材料薄膜型电池（主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。

3.3.1 硅基薄膜太阳能电池。

①多晶硅薄膜光伏电池。由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且可以在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池将成为薄膜太阳能中发展速度最快的。

②非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，相比有重量轻，工艺简单，硅材料消耗少、成本低，电耗低等优点。非晶硅可以生长在很薄的不锈钢和塑料衬底上，制备出超轻量级的太阳能电池。这种电池具有很高的电功重量比，首先被用在太阳功率飞机上，并在1990年完成了首次跨越美国的飞行，创造了太阳功率飞行的新记录。

目前，非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，制约着非晶硅电池作为大型太阳能电源，只能应用于弱光电源，主要应用于电子计算机，手表，路灯等。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

表2 非晶硅薄膜太阳电池及组件比较[3]

3.3.2 化合物半导体薄膜型太阳能电池。化合物半导体薄膜太阳电池主要有砷化镓GaAs、CdTe，铜铟硒（CIS）和铜铟镓硒（CIGS）等，它们都是直接带隙材料，带隙宽度Eg在1-1.6eV之间，具有很好大范围太阳光谱响应特性。所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。但由于其组成元素大都剧毒，会对环境造成严重的污染，有的元素比较稀有。因此，这种电池并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。

①砷化镓薄膜型太阳能电池。砷化镓是硅材料之外的一种重要的半导体材料，它是直接能带结构材料，其能隙1.43eV，光谱响应特性好，并且耐高温性强，在200多度的温度下，光电转换性能仍不受到太大的影响，并且由于其最高光电转换，理论效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。

但是相对硅太阳能电池砷化镓薄膜型太阳能电池生产设备复杂，能耗大，生产周期长，生产成本高，所以砷化镓薄膜型太阳能电池仅在空间应用。

1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的砷化镓太阳能电池转换效率为24.2%，为欧洲最高记录。首次制备的GalnP电池转换效率已经达到为14.7%。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，GaSb电池，该电池是将2个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是GaSb，所得到的电池效率达到31.1%。

②CdTe薄膜型太阳能电池。CdTe电池的带隙Eg为1.45eV，光谱响应与太阳光谱十分吻合，性能稳定，光吸收系数极大，厚度为1µm的薄膜，足以吸收大于CdTe禁带能量的辐射能量的99%，是理想化合物半导体材料，理论效率为30%，是公认的高效廉价薄膜电池材料，一直被PV界看重。缺点是Cd有毒，会对环境产生污染。因此CdTe电池用在空间等特殊环境。

CdTe薄膜型太阳能电池实验室转换效率为16.4%，商业化电池平均转换效率为8%-10%。

③铜铟硒（CIS）和铜铟镓硒（CIGS）薄膜型太阳能电池。铜铟硒（CIS）是另外一种重要的太阳能光电材料，具有黄铜矿结构，其禁带宽度为1.02ev，光吸收系数大，达105cm-1，CIS薄膜电池从80年代初8%的转换效率发展到目前的15%左右。

如果用Ga替代1%-3%的In，就会形成与CIS薄膜材料同系列的形成In1-xGaxSe2（简称CIGS）四元化合物，掺Ga目的将带隙宽度Eg调到1.5eV，因而CIGS电池转换效率高达19.2%。

CIS和CIGS电池由于廉价、高效、性能稳定和较强的抗辐射能力得到各国PV界的重视，成为最有前途新一代太阳电池，非常有希望在未来十年大规模应用。[3-4]缺点是Se、In都是稀有元素，大规模生产材料来源受到一定限制。

综上所述，尽管多元化合物薄膜太阳能电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于其组成元素大都剧毒，会对环境造成严重的污染，有的元素比较稀有。因此，这种电池并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。

3.3.3 新材料薄膜型电池太阳能电池。

①聚合物薄膜太阳能电池。在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

②染料敏化太阳能电池。染料敏化电池的原理是TiO表面吸附一层对可见光具有良好的吸收性能的染料光敏化剂后，染料分子在可见光的作用下，通过吸收光能而跃迁到激发态，通过染料分子和TiO表面的相互作用，电子跃迁到较低能级的导带，进人TiO导带的电子被导电电极薄膜收集，通过外回路，回到反电极产生光电流。

纳米晶TiO太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上（1993年报道为11%），制作成本仅为硅太阳电池的1／5-I／1O，寿命能达到20年以上。

③柔性光伏电池。传统的硅基太阳能电池容量大，对太阳光的转换率可以达到20%，技术成熟，但是它存在的最大问题就是必须加工成坚硬的板块状电池板，这就限制了它的许多用途。柔性太阳能电池重量轻，而且可以折叠、卷曲，甚至可以粘贴在其他物体表面，例如：汽车玻璃、衣服等。

柔性太阳能电池具有成本低、重量轻、应用范围广、携带方便等优点，只要光电转换率达到应用水平，市场前景非常广泛。

3.4 在将来的第3代太阳能电池应该具有以下特征：薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括：叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。

4.结束语

目前，太阳能电池产业发展的瓶颈主要有2方面的问题：第一个是成本问题。从成本上讲，太阳能电池仍然是目前常规能源中成本最高的。当前的成本对比如下表4。

表3 常规能源成本对比

另一个是效率问题。目前实验室所研发出来的电池的效率几乎可以达到理论的最高值。但是因为制造工艺过程复杂，产量太低，造成价格偏高，不符合经济效益。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是硅薄膜电池。

[1]曾光廷.现代新型材料[M].中国轻工业出版社，2006，P56-58.

[2]杨德仁.太阳电池材料[M].化学工业出版社，2007，P11-40.

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[5]由世俊，孙贺江，马德刚等.中国的太阳能资源及应用潜力[J].城市环境与城市生态，2002（2）.

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[8]程雅丽.独立光伏发电系统优化设计[J].天津大学硕士学位论文，2003.

[9]郭浩，丁丽，刘向阳.太阳能电池的研究现状及发展趋势[J].许昌学院学报，2006（2）.

the Solar Energy Photovoltaic Cell

With the continuous consumption of normal resources, oils, coals, and so on, are not suited for the need of the social sustainable development. To accelerate the development and utilization of solar energy as the mainstay of renewable energy has become a consensus all over the world. Exploiting the pure solar energy of light by the semiconductor photoelectric effect has the very broad application prospect. This article introduced the solar cell principle of work, the different material solar cell classification and the characteristic as well as the respective efficiency comparison.

Solar cell; Photoelectric effect

王秀波（1985-），女，吉林白城人，和田师范专科学校物理系助教，主要从事物理教学与研究。

2010-07-19