1、浅谈太阳电池物理与 新型太阳电池技术发展,沈 辉 中山大学太阳能系统研究所 顺德中山大学太阳能研究院,主要内容,国内外能源市场分析 国内光伏发展现状 回答两个焦点问题 太阳电池物理基础问题 太阳电池成本分析 新型太阳电池发展 关于光电转换效率 商业化的薄膜电池简介 化合物多能带叠层太阳电池 全硅叠层太阳电池 热载流子太阳电池 多电子-空穴对太阳电池 光谱转换技术 结束语,国内外能源市场分析,Solarbuzz发布2010年统计数据全球安装18.2GW，其中： 德国占比例42%（7.2 GW）、 意大利21% （3.822 GW） 欧洲其他18%美国5%日本5%全球其他9%,2010年度中国光伏
2、行业十大风云人物 （排名不分先后）,国内光伏发展现状,2010年度中国光伏行业十大创新产品 （排名不分先后）,2010年度中国光伏行业十佳应用案例 （排名不分先后）,回答两个焦点问题,问题由来：对光伏发电的怀疑和批评，主要来自政府有关部门与专家- 多晶硅高耗能、高污染？水泥、钢铁、玻璃等高耗能、高污染？与行业没有关系，行业没有高贵与低贱之分，没有水泥、钢铁和玻璃可以吗？高耗能、高污染应该是对企业来划分，不是对行业！黄金1盎司：矿石3.3吨，水5400升，电力370度，高耗能高污染？！- 晶体硅电池与薄膜电池之争？本是同根生，相煎何太急！晶体硅与薄膜是一家，共同发展没有矛盾！当前和未来10年晶体
3、硅就是主流，薄膜还有待技术突破！高效电池离不开薄膜技术，硅片与薄膜技术可以兼容，如HIT电池！,太阳电池物理问题,太阳光谱 - 光谱高效利用，全光谱，高转换率 材料来源 - 丰富、无毒、易于加工等 光学问题 - 材料、结构、原理，硅片厚度100微米 电学问题 材料、结构、原理，电极材料 成本问题 - 与化石能源相比，实现大规模应用 环境问题 环保、回收利用 、可持续发展,太阳电池制造成本：材料-电池-组件 （特别说明：以下按照河北工业大学任丙炎教授数据整理）,多晶硅材料按50/kg计算（未来3-5年可以达到30）： 50/kg70片/kg=0.71/片；（尺寸125，厚度180） 0.71/片
4、2.5W/片=0.29/W（效率17%，硅材料每瓦成本） 长晶 + 切片： 75（长晶切片含利润总成本）70片/kg = 1.07/片 1.07/片2.5 =0.43/W （硅片每瓦成本） 电池生产统计每瓦成本：（125125）=0.25/W（20） 组件生产统计每瓦成本（含电池外的其它材料）：0.4/W（30） 由材料到电池组件的总成本： 0.29/W+0.43/W+0.25/W+0.4/W=1.37/W 折合人民币：1.37￥6.83=￥9.3571/W 最新发展：材料到组件成本1.2美元每瓦以下,太阳电池制造成本：组件-系统安装-并网发电,并网光伏电站安装每瓦价格按组件1倍价格计算： ￥
5、9.3571/W2 ￥19, 1kW = ￥ 19000 1 kWh = 1度电，在广州晶体硅太阳电池每瓦平均年发电1.1度, 在青海可以发电1.5度 1kW电池20年发电量： 1kW1500h/每年20年 = 30000 度电（西宁） 1kW1100h/每年20年 = 22000 度电（广州） （青海：1500小时，广东1100小时）每度电安装总成本 / 20年的发电量： ￥ 19000 30000 度 = 0.63元/度 （西宁） ￥ 19000 22000 度 = 0.86元/度 （广州）,太阳电池制造成本：发展预测与趋势,如多晶硅的价格降为$35/Kg，硅片的厚度实现160m，则： 多
6、晶硅按35/kg79片/kg=0.443/片2.5W/片=0.177/W 由材料到电池组件的总成本： 0.177/W+0.43/W+0.25/W+0.4/W=1.257/W 折合人民币：1.257￥6.83=￥8.585/瓦 每安装工程瓦按组件1倍价格计算：（￥8.585/瓦）2￥17.17 完成电池并网工程后每度电的成本： ￥17.17元/瓦（装机）1000瓦小时=￥17170/度（每度电） 每度电安装总成本/20年的发电量 ￥ 17170 /度（每度电）30，000 度= 0.572元/度电（西宁）随着科技的不断进步，各个工艺环节的成本还会继续下降。成本还会继续下降。届时，光伏发电将成为真
7、正的替代能源。,新型太阳电池发展,三代太阳电池的概念和论述来自国际著名的太阳电池的研究专家Martin A. Green教授。上世纪七十年代初，Martin A. Green及其研究团队在澳洲新南威尔士大学开始了晶体硅太阳电池的研究，此后一直到今天，新南威尔士大学研究团队一直保持着单晶硅太阳电池最高转换效率的世界纪录。 Martin A. Green在研究中发现了晶体硅（第一代）电池的问题：虽然转换效率可以达到很高，甚至接近单结电池极限，但是需要高质量低缺陷的昂贵晶体材料和复杂耗时的工艺。鉴于此，新南威尔士团队在八十年代后期开始对薄膜太阳电池（第二代）进行研究，九十年代，他们开发出在玻璃上沉积
8、硅工艺，并由Pacific Solar公司所验证。 与第一代太阳电池相比，第二代电池的好处是采用沉积技术，减少材料制备过程的有毒物质和降低了价格，代价是效率的降低和稳定性的问题。,第三代光伏技术旨在利用类似第二代的沉积技术制备高效电池，目标是实现生产成本低于0.5美元每瓦，甚至低于0.2美元每瓦，同时在生产过程中尽量使用无毒物质。 目前他们主要在全硅叠层电池和热载流子电池方面进行研究。,第三代光伏技术的核心理念是高效、长寿与低价。 第三代光伏技术包括：- 叠层太阳电池；- 热载流子电池；- 多电子空穴对电池；- 杂质能级以及多能带太阳电池；- 热光伏电池和；- 运用新材料等制备的电池，如染料敏
9、化电池。其中大部分的电池还处于实验室试验阶段甚至理论阶段，如多能带太阳电池。但是具有冲击低价、高效这一目标的潜力。,在晶体硅电池迅猛发展的今天，也有学者对Martin A. Green三代电池的说法提出了异议，讨论的核心在于薄膜电池能否取代第一代电池。 按照Martin A. Green当初的设想，薄膜太阳电池将在2020年后成为市场的主流，2020后第三代电池将迅速发展。 有学者也称第三代光伏技术为新一代光伏技术，或者未来一代光伏技术。无论命名如何，学术界一直以来对这一领域都保持了巨大的热情和兴趣，特别是凭借迅猛发展的纳米技术和材料技术，科学家们有机会应对Shockley-Queisser
10、极限效率的挑战。,晶体管之父 William Bradford Shockley 或许没有想到，他关于半导体的工作不仅引发了一次产业革命，在数十年后又为另外一个庞大行业提供了研究的基础。1961年，他与 Queisser 通过理论计算发现，半导体中光电转换的效率极限约为32%。效率极限与材料的带隙有关，具有最高理论转换效率的材料是GaAs，其极限效率接近32%，而Si的极限效率要低一些。 虽然Shockley预言了半导体太阳电池的极限效率，但是他的结果仅适用了单个p-n结的器件，随着 技术日益完善，采用新材料、具有复杂结构的新型光伏器件的制备技术已经出现 。对于多个p-n结结构的多结叠层电池和
11、采用纳米技术制备的新材料和新结构的电池而言，它们不受 Shockley 极限的限制，以至可获得超过40%甚至50%的效率。,William Bradford Shockley (February 13, 1910 August 12, 1989),W. Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys., 32 (1961) 510,关于光电转换效率,卡诺循环太阳电池的热力学效率极限 太阳辐射可以近似为温度为6000K（太阳光球的温度）的黑体辐射（黑体即为完美的吸收体和光发射体）。Planck采用公式描述了黑体辐射的能量分布。在Shockley和Queiss
12、er的研究中，认为太阳电池也是黑体模型，温度采用地表温度300K。则温度为6000K（Tsource）和300K（Tsink）的两个热库之间的能量转换效率受卡诺循环限制（1- Tsource/ Tsink）为95%。,这个数值没有考虑电池的光子发射损失，因为模型假设这些损失能量又回到了太阳，使太阳保持自身的温度。修正模型考虑了光子发射损失，并假设过程是可逆的，满足卡诺循环的条件，由此得到的转换效率是93.3%，这个数值是实际太阳电池的效率极限。 UNSW研究中心对转换效率为93.3%的器件的结构设计以及发展前途作了全面研究。指出达到这一极限效率的电池器件是有可能实现的，其结构为在无限层Tand
13、em电池中采用一系列光循环装置达到通道带阻辐射。否则，太阳光转换为有用功（包括电能）的热力学极限效率计算结果为86.8%，与无限层Tandem电池的理论效率相同。 另一个研究结果是，理论上Tandem电池不是获得86.8%转换效率的唯一途径。其它一些模型，例如热载流子和能量级联电池的极限效率也是这一数值。,标准太阳电池的效率损失标准单结太阳电池能量损失来自如图2- 1所示的几种过程,图2- 1 标准太阳电池能量损失过程。(1)晶格热振动损失；(2)、(3)p-n结和接触电压损失；(4)复合损失。,标准太阳电池的结构,主要损失是过程（1）：光激发电子空穴对迅速失去多于禁带宽度的多余能量。能量较低
14、的红光光子与能量较高的蓝光光子在激发电子空穴对产生输出时是等效的。仅这一项损失就使标准电池的转换效率局限至44%左右。 另一个重要损失是过程（4）：光激发电子空穴对的复合。采用光生载流子寿命长的材料，亦即材料缺陷更少以消除载流子复合通道，可以将复合损失降至最低。此时，载流子寿命取决于电池内部的辐射复合，即光激发过程的逆过程。 光吸收和发射过程的对称性可用于太阳电池性能的理论极限的推导。推导引用了“黑体辐射”理论，这一理论为量子力学的诞生奠定了基础。在一个太阳下，假设带隙宽度1.3 eV，理想标准电池的转换效率极限计算结果为31.0%。W.Shockley, H.J.Queisser, J.Ap
15、pl.Phys. 32 (1961) 510,另外一个损失是由于接触和p-n结处的电压降，电池输出电压低于带隙宽度可产生的电势，如图2- 1所示。采用聚光方法提高光强密度，可以减小此类压降。在极限聚光倍数下（46200倍，此数值是根据卡诺循环得到的计算结果），理想太阳电池的转换效率极限可以达到40.8%。 需要注意的是在这种方式下，只有直射光才可以被聚焦。最大聚光倍数下的效率极限可以作为有关聚光和非聚光电池研究的参考数据，还可以作为经典热力学结果的参考。,商业化的薄膜电池简介,非晶硅-微晶硅薄膜（a-Si/c-Si ） 5-9%, 1.00 Kaneka, Ersol, United Sola
16、r, Sharp 杜邦，新奥， 百世德，正泰，天裕，强生，普乐，拓日，创益等 碲化镉薄膜CdTe First Solar， 9-11%, 0.82 铜铟镓硒薄膜CIGS Wuerth Solar，昭和壳牌等 10-11% 晶体硅薄膜CSG 8-10%,化合物多能带叠层太阳电池,多能带叠层电池是目前唯一一个已突破Shockley-Queisser极限并且已经实现商业化的电池。半导体具有如下性质：能量低于带隙的光无法被价带的电子吸收并使之跃迁到导带。由于不同的材料具有不同的带隙，而太阳光谱包含了较宽的波段，因而可以将不同的材料按照带隙从大到小的顺序堆叠起来，大带隙的材料吸收高能量的光子，能量小于带
17、隙的光子将透射过去被下层的材料吸收，以此类推，从而将吸收效率提高。这就是叠层电池光谱分割技术的原理，通过将太阳光谱进行切割，让不同带隙的材料吸收对应部分的光以提高效率。,多能带叠层电池是一个很好的想法，在1955年就由Jackon提出，并在1978年首次由Moon用实验证实。1982年，Fan J等人对多结电池进行了设计和理论预测，理论预测显示，这种Si衬底的AlGaAs/GaAs/GaInAs（或GaAsP）的多结电池效率将达到36-40%。1988年，实验室制备出高性能的GaInP电池。考虑到电流匹配问题，1990年，AM 1.5G条件下效率超过27%的电池在美国国家可再生能源实验室（NR
18、EL）被制备出来。 三年后，NREL刷新了GaInP/GaAs叠层电池的效率纪录，达到29.5%。这个报导引起了众多实验室的广泛关注和兴趣，不久，这一纪录被日本能源公司以30.3%打破。,采用光谱分割技术的太阳电池的极限效率与p-n结的个数有关，这容易理解，如果有足够多种的材料，每一种材料吸收相应能量的光子，这将大大的保证光能的吸收和减小热耗散。1980年Henry计算了AM1.5条件下多结电池的效率极限，当结数分别为1，2，3，和36时，对应的效率为37，50，56和72%。注意到当结数由1变化为2时，效率增长非常明显，结数超过2之后，增加p-n结数目对效率的贡献减弱。这对于器件制备是非常幸
19、运的，这是因为首先每增加一个p-n结需要更加困难和复杂的工艺；其次增加的材料的带隙是必须经过严格计算和设计以实现匹配，然而在自然界中不一定能找到符合计算带隙要求的材料；最后层数越多，随之而来的电流、电压匹配、材料体系的稳定等问题将难以控制，导致废品率上升。因此，目前的电池一般采用2结或3结结构。,材料科学的发展，特别是MOCVD技术，极大的推动了多结叠层电池的发展，在此之前，这种电池只能存在于理论和设想中。迄今而至，在非聚光条件下，三结电池的世界纪录由NREL保持，采用GaInP/GaInAs/Ge体系，转换效率达到了32%；二结电池的世界纪录由日本能源公司保持，采用GaInP/GaAs体系，
20、转换效率达到30.3%。在聚光条件下，NREL的GaInP/GaInAs/Ge和GaInP/GaAs/GAInAs电池分别在240和140倍聚光条件下，效率分别高达40.7%和40.8%，Fraunhofer ISE的GaInP/GaInAs/Ge在454倍聚光条件下效率高达41.1% （Dr. A. Bett）。,夏普公司2009年10月22日宣布,由于应用了一种创新的层形成技术,该公司长期致力研发的3结化合物太阳电池实现了35.8的高光电转换效率。夏普公司22日发布的新闻公报说,化合物太阳电池不同于现在主流的以硅为材料的太阳电池.它以铟等2种以上元素组成的化合物作为材料,形成光吸收层,其光
21、电转换效率高于硅晶体太阳能电池,主要应用于人造卫星。,全硅叠层太阳电池,新南威尔士研究组将全硅叠层技术定为向第三代光伏技术进军的两个课题之一。之所以要选择硅是因为硅的原料丰富而且制备技术成熟。 按照新南威尔士团队的设想，他们准备用块体的硅材料做衬底，然后通过量子点技术，在上面生长带隙分别为2 eV和1.5 eV的量子点电池，从而实现多能带结构。最初的工作是在一维的硅量子阱上进行。研究者发现，当薄层为1 nm左右时，带隙可以提高到1.7 eV，接着他们又做了2 nm的量子点超晶格结构，带隙同样可以提高到1.7 eV。这表明，采用三维的纳米结构可以允许更大的加工容差。 现在正在Si/SiO2体系以
22、及Si1-xCx/SiC体系进行量子点结构的研究，该团队也在氮化硅体系和Ge/SiO2体系进行理论模拟和实验。在2008年年度报告报导的结果中，他们已经在石英衬底上成功制备了Si的量子点，做出开路电压为493 mV的SiO2和83 mV的SiC量子点异质结电池。,单结晶硅电池效率29% (1.1 eV) 双结：42.5% (1.7- 1.1 eV) 三结：47.5% (2 -1.5 -1.1eV),热载流子太阳电池,当能量超过带隙的光子被价带电子吸收后，价带电子将跃迁到导带，由于吸收的能量足够大，大于带隙多余的那部分能量成为载流子的动能，光子的能量越大，则载流子的动能就越大。这些热载流子在一般
23、情况下将与晶格、缺陷或者其他载流子发生碰撞进行能量交换，最终达到平衡状态。这些热载流子的动能将最终消耗，以发热的形式耗散掉。 如果能在热载流子的动能消耗完之前将热载流子提取出来，则可以产生较高的开路电压，从而把能量更大限度的提取出来，这就是热载流子电池的出发点。这种热载流子电池的极限效率可以达到很高，在非聚光情况下甚至可以超过65%，而结构相对于其他电池而言，比如多能带叠层电池，要简单得多。,热载流子电池必须经过两个很严格的考验。首先，必须在热载流子“变冷”之前将之提取出来，这个时间极短，在一般的情况下约为1 ps到1 ns之间，甚至更短。换句话说，必须想办法将热载流子变冷之前的时间延长。其次
24、，必须设计一个专门的电极收集热载流子，以避免热载流子在于“冷”金属电极之间的接触中消耗能量。,Ross和Nozik在1982年最早为热载流子电池进行系统分析和模拟。此后一直到1993年，Arent等人才在多量子阱和超晶格器件中观察到热载流子“变冷”速度减慢。另一方面，1997年，Hanna等人制备热载流子电池的尝试失败，人们才认识到选择性电极对于热载流子电池的重要性。Wrfel 在1997年提出用具有很高带隙并且导带和价带都很窄的材料作为选择性电极材料，另外的一种方法则是量子点技术制备选择性电极。新南威尔士的研究者对后者进行了理论模拟，结果表明随着带隙增大，电导率曲线将出现一个个尖峰，这说明了
25、遂穿效应的产生，目前他们正在进行实验验证。,多电子-空穴对太阳电池,多电子-空穴对电池提高效率的出发点与热载流子电池基本是一样的，都是想尽可能的利用太阳光中的高能量光子。不同点在于，当热载流子产生以后，热载流子电池想办法把这些热载流子传递出去，而多电子空穴对电池则是想办法让这些热载流子产生更多的载流子。这个想法由来已久，早在1972年就由Deb和Saba提出。直到1994年Kolodinski等人又将这个理念重新拾起。科学家已经证实了多电子空穴产生的可行性，1990年，Barnham和Duggen发现可以采用多重量子阱结构（MQW : Multiple Quantum Well ）制备太阳电池
26、，并且在MQW中观测到量子效率大于1的反俄歇效应。 在新南威尔士，当350 nm波段的光照射的时候，人们观测到量子效率约为1.05，当波长缩短为250 nm时，量子效率达到1.5。,单光子激发多对电子空穴对的物理机制可以用碰撞电离来解释。在此过程中，高能量载流子的动能可以用来激发另一对电子空穴对。在体材料中，产生碰撞电离的门槛能量必须远远高于带隙，同时晶格振动必须被有效的限制，产生碰撞电离的速率必须与电子 - 声子散射的弛豫速率至少匹配。研究表明，只有当载流子的动能高出带隙几倍的情况下碰撞电离的产生速率才可以大致等于声子散射速率。在Si材料中，光子能量为4 eV时碰撞电离效率仅为5%，而在4.
27、8 eV时为25%。然而，在量子点中，由于载流子被限制以及电子空穴之间增强的库伦作用，多重激子的产生被极大的增强。,通过MEG (multiple Excition Generation ) 机制在减少太阳电池能量耗散和电池发热有良好的前景，但是 MEG要求光子能量足够大，根据地面的太阳光谱，这种光子的比例非常少，但是在大气层以外具有很多高能的粒子，这种量子点太阳电池将有可能在宇航上取得运用。,光谱转换技术,光谱转换也是一个热门的课题，通过将太阳光谱中的上转换和下转换技术，可以将近红外波段和紫外波段的光波转换为可见波段，从而增加太阳电池的能量转换效率。目前国内也有学者专注于该领域的研究，并且取
28、得了很大的进展。文献报导了五光子或者四光子参与的近红外到紫外的上转换过程以及量子效率为200%的482 nm到976 nm的可见 - 近红外转换。如果能够实现近红外和紫外向可见波段的转换，提高太阳电池的效率将大有可为。,结束语,在光伏产业蓬勃发展的今天，材料科学和纳米科学的迅猛发展，使得新型材料和结构的制备成为可能，也使得很多之前受囿于技术的理念以及新的想法得到实现。技术在进步，气候也在改变，寻找高效、低价、清洁的新能源依然是摆在人类面前的一道难题。如何兼顾太阳电池的效率和价格，一直是研究者和行业努力的方向，新一代光伏技术的出现使人们看到了希望和曙光，通过科学家和行业孜孜不断的努力，新一代光伏技术将会有更加长足和深远的发展。,
