太阳能电池调研报告.pdf

1、太 阳 能 电 池 调 研 报 告一 、 太 阳 能 概 述随 着 人 类 社 会 的 发 展 ， 人 们 对 能 源 的 需 求 也 越 来 越 大 。 目 前 全 世 界每 年 的 能 源 消 耗 已 经 达 到 了 4.1 1020焦 耳 ， 等 价 于 13TW。 预 计 到2050年 ， 世 界 能 源 需 求 将 超 过 现 在 的 两 倍 ， 达 到 30TW； 而 到 本 世 纪 末 ，需 求 将 达 到 46TW1。 相 比 之 下 ， 常 规 能 源 的 储 备 已 经 日 益 减 少 ， 现 有 常规 能 源 已 经 完 全 不 能 满 足 人 们 对 能 源 的 需 求

2、 ， 如 石 油 只 够 再 用 五 十 年 ，而 煤 也 只 有 两 百 年 ， 新 能 源 的 开 发 已 经 迫 在 眉 睫 。 与 此 同 时 ， 化 石 燃料 的 使 用 使 得 全 球 环 境 污 染 和 气 候 变 化 问 题 越 来 越 严 重 。 作 为 世 界 上 最大 的 煤 炭 消 耗 国 ， 我 国 的 环 境 污 染 问 题 和 生 态 恶 化 现 象 都 非 常 严 重 ， 所以 更 需 要 开 发 出 清 洁 的 可 再 生 能 源 以 缓 解 这 一 矛 盾 。 新 型 能 源 包 括 太 阳能 、 风 能 、 地 热 能 、 海 洋 能 、 生 物 能 等

3、一 次 能 源 以 及 氢 能 、 用 于 核 能 发电 的 核 燃 料 等 二 次 能 源 2。 由 于 新 能 源 的 能 量 密 度 较 小 、 或 品 位 较 低 、或 有 间 歇 性 ， 按 已 有 的 技 术 条 件 转 换 利 用 的 经 济 性 尚 差 ， 还 处 于 研 究 、发 展 阶 段 ,只 能 因 地 制 宜 地 开 发 和 利 用 ;但 新 能 源 大 多 数 是 再 生 能 源 。 资源 丰 富 ， 分 布 广 阔 ， 是 未 来 的 主 要 能 源 之 一 。 目 前 世 界 各 国 都 在 加 紧 新能 源 的 开 发 和 利 用 。和 其 他 新 能 源 相

4、 比 ， 太 阳 能 具 有 总 量 大 、 分 布 广 泛 、 使 用 时 间 长 、无 污 染 、 取 之 不 尽 的 优 点 。 首 先 ， 太 阳 能 的 总 量 十 分 巨 大 ， 仅 辐 射 到 地球 表 面 上 的 就 有 120,000TW， 远 远 超 过 人 类 目 前 的 能 源 需 求 （ 13TW） 。据 估 算 ， 只 要 地 球 上 0.16%的 陆 地 都 铺 上 效 率 为 10%的 太 阳 能 转 换 系 统 ，就 能 提 供 约 20TW的 能 源 1； 其 次 ， 太 阳 能 分 布 极 其 广 泛 ， 处 处 都 有 太 阳能 ， 可 以 就 地 利

5、用 ， 仅 我 国 而 言 ， 2/3的 地 区 年 辐 射 总 量 大 于5020MJ/m2、 年 日 照 时 数 在 2200小 时 以 上 ， 其 中 青 藏 高 原 多 年 辐 射 总 量更 是 高 达 6670 8374 MJ/m2； 从 太 阳 的 “ 寿 命 ” 看 ， 再 过 50亿 年 太 阳 才演 变 为 红 巨 星 ， 可 以 说 太 阳 能 是 取 之 不 尽 ， 用 之 不 竭 的 ； 此 外 ， 太 阳 能电 池 可 以 一 次 投 资 而 长 期 使 用 。 最 后 ， 相 比 火 力 发 电 、 核 能 发 电 ， 太 阳能 的 利 用 不 会 产 生 污 染

6、。当 然 ， 太 阳 能 也 有 它 自 身 的 缺 点 。 太 阳 能 虽 然 总 量 大 ， 能 流 密 度 却比 较 小 ， 1m2面 积 所 能 接 收 到 的 能 量 平 均 只 有 1kW左 右 ， 这 就 需 要 比 较 大的 面 积 来 收 集 太 阳 能 ； 太 阳 能 的 地 域 分 布 不 均 匀 ， 不 同 海 拔 、 不 同 纬 度的 地 区 接 收 到 的 太 阳 辐 射 是 不 一 样 的 ； 此 外 ， 由 于 昼 夜 的 更 替 、 季 节 的循 环 ， 以 及 各 种 天 气 的 变 化 ， 太 阳 能 的 供 应 是 不 稳 定 的 2。太 阳 能 的 利

7、 用 方 式 主 要 有 三 种 ： 光 电 、 光 热 和 光 化 学 。 光 电 直 接 转换 方 式 是 利 用 光 电 效 应 ， 将 太 阳 辐 射 能 直 接 转 换 成 电 能 ， 其 基 本 装 置 就是 太 阳 能 电 池 光 电 二 极 管 。 当 太 阳 光 照 到 光 电 二 极 管 上 时 ， 光 电 二极 管 就 会 把 太 阳 的 光 能 变 成 电 能 ， 产 生 电 流 ； 光 热 转 换 方 式 是 利 用 太 阳辐 射 产 生 的 热 能 发 电 ， 一 般 是 由 太 阳 能 集 热 器 将 所 吸 收 的 热 能 转 换 成 工质 的 蒸 气 ， 再

8、驱 动 汽 轮 机 发 电 。 前 一 个 过 程 是 光 热 转 换 过 程 ； 后 一 个过 程 是 热 电 转 换 过 程 ， 与 普 通 的 火 力 发 电 一 样 .太 阳 能 热 发 电 的 缺 点是 效 率 很 低 而 成 本 很 高 ； 而 光 化 学 主 要 指 太 阳 燃 料 ， 即 利 用 生 物 技 术 和工 程 ， 设 计 出 高 效 的 能 量 转 换 的 植 物 和 生 物 质 ， 以 及 合 成 具 有 光 合 作 用的 分 子 体 系 用 来 制 造 H2、 CH4等 化 学 燃 料 1。二 、 太 阳 能 电 池 原 理如 图 1所 示 ， 太 阳 光 照

9、在 半 导 体 p-n结 上 ， 能 量 高 于 半 导 体 禁 带 宽 度的 光 子 会 被 吸 收 ， 形 成 新 的 空 穴 -电 子 对 ， 在 p-n结 电 场 的 作 用 下 ， 空 穴由 n区 流 向 p区 ， 电 子 由 p区 流 向 n区 ， 接 通 电 路 后 就 形 成 电 流 。 这 就 是 光电 效 应 太 阳 能 电 池 的 工 作 原 理 ， 只 要 有 光 的 情 况 下 ， 就 会 源 源 不 断 地 产生 电 流 。 理 想 情 况 下 ， 开 路 电 压 是 由 n区 和 p区 的 费 米 能 级 决 定 1图 一 无 机 太 阳 能 电 池 的 能 级

10、原 理 图 1 三 、 太 阳 能 电 池 分 类太 阳 能 电 池 可 以 分 为 无 机 太 阳 能 电 池 （ Inorganic Solar Cell） 、有 机 太 阳 能 电 池 （ Organic Solar Cell） 和 光 电 化 学 太 阳 能 电 池（ Photoelectrochemical Solar Cell） 。 其 中 ， 无 机 太 阳 能 电 池 又 包括 单 晶 硅 、 多 晶 硅 、 非 晶 硅 、 GaSe、 CdTe、 CuInSe2、 CIGS等 太 阳 能 电池 。1、 硅 系 太 阳 能 电 池 。a、 单 晶 硅 太 阳 能 电 池单 结

11、太 阳 能 电 池 中 ， 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 转 换 效 率 最 高 ， 技 术也 最 为 成 熟 。 由 于 硅 是 间 接 带 隙 半 导 体 ， 对 光 的 吸 收 弱 ， 至 少 需 要200多 微 米 才 能 有 效 吸 收 入 射 的 太 阳 光 。 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 一 般 是在 200500微 米 厚 的 p型 硅 表 面 通 过 扩 散 形 成 0.25微 米 左 右 的 n型 半导 体 层 ， 构 成 p-n结 。 为 了 减 少 反 射 ， 一 般 表 面 会 腐 蚀 成 倒 金 字 塔型 绒 面 ； 还 有 通 过 厚 的 氧 化 物 钝

12、 化 层 和 减 反 射 涂 层 来 减 少 反 射 。 目前 ， 单 晶 硅 电 池 最 高 转 换 效 率 达 24.7%， 在 大 规 模 应 用 和 工 业 生 产中 仍 占 据 主 导 地 位 ， 但 由 于 单 晶 硅 成 本 价 格 高 ， 大 幅 度 降 低 其 成 本很 困 难 。 为 了 节 省 高 质 量 材 料 ， 寻 找 单 晶 硅 电 池 的 替 代 产 品 就 成 了一 种 有 效 的 策 略 。b、 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 。制 备 多 晶 硅 ， 目 前 采 用 的 技 术 主 要 有 固 相 结 晶 法 和 中 区 熔 再 结晶 法 。 其 它 制

13、作 工 艺 与 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 相 同 。 多 晶 硅 太 阳 能 电 池一 般 比 相 同 工 艺 制 作 的 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 效 率 低 ， 但 由 于 多 晶 硅 的制 备 对 原 材 料 的 纯 度 要 求 不 高 ， 材 料 的 损 耗 少 ， 相 对 的 耗 能 少 ， 因此 其 成 本 比 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 低 。 2006年 ， 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 市场 份 额 为 38%， 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 市 场 份 额 为 46%， 高 于 单 晶 硅 太阳 能 电 池 。 但 是 ， 目 前 相 对 于 常

14、 规 发 电 ， 单 晶 硅 和 多 晶 硅 太 阳 能 电池 成 本 仍 然 较 高 。c、 非 晶 硅 太 阳 能 电 池非 晶 硅 中 ， 电 子 跃 迁 不 必 受 动 量 守 恒 的 限 制 ， 对 光 的 吸 收 比 晶体 硅 更 有 效 率 ， 仅 数 微 米 的 材 料 就 能 吸 收 大 部 分 的 入 射 光 。 非 晶 硅太 阳 能 电 池 一 般 采 用 p-i-n结 构 。 非 晶 硅 太 阳 能 电 池 成 本 低 ， 便 于大 面 积 制 备 ， 且 可 以 沉 积 在 柔 性 衬 底 （ 金 属 薄 片 和 塑 料 等 ） 上 ， 因此 受 到 人 们 重 视

15、并 迅 速 发 展 ； 但 其 光 电 效 率 会 随 着 光 照 时 间 的 延 续而 衰 减 ， 强 光 更 是 如 此 ， 使 得 电 池 性 能 不 稳 定 ， 限 制 了 非 晶 硅 太 阳能 电 池 的 应 用 。 解 决 问 题 的 途 径 就 是 制 备 叠 层 太 阳 能 电 池 。 目 前 ，非 晶 硅 电 池 最 高 转 换 效 率 达 到 13%。 如 何 解 决 稳 定 性 问 题 及 进 一 步提 高 转 换 效 率 成 为 继 续 研 究 的 关 键 3。2、 多 元 化 合 物 薄 膜 电 池多 元 化 合 物 薄 膜 太 阳 能 电 池 材 料 为 无 机 盐

16、 ， 其 主 要 包 括 砷 化 镓III-V族 化 合 物 、 碲 化 镉 （ CdTe） 、 硫 化 镉 （ CdS） 及 铜 铟 硒（ CIS） 薄 膜 电 池 等 3a、 III-V族 化 合 物 薄 膜 太 阳 能 电 池 。砷 化 镓 （ GaAs） III-V化 合 物 电 池 的 转 换 效 率 可 达 28%， III-V族 化 合 物 化 合 物 材 料 都 是 直 接 带 隙 半 导 体 ， 具 有 较 高 的 光 学 吸 收 系数 、 十 分 理 想 的 光 学 带 隙 、 良 好 的 少 数 载 流 子 寿 命 和 迁 移 率 。 抗 辐照 能 力 强 ,对 热 不

17、敏 感 ， 适 合 于 制 造 高 效 单 结 电 池 。 ， 目 前 ， 世 界上 转 换 效 率 最 高 的 太 阳 能 电 池 就 是 GaInP/GaInAs/Ge三 结 太 阳 能 电池 ， 高 倍 聚 光 条 件 下 ， 转 换 效 率 高 达 40.7%4。 但 是 GaAs材 料 的 价格 不 菲 ,因 而 在 很 大 程 度 上 限 制 了 用 GaAs电 池 的 普 及 ， 现 在 主 要 用于 空 间 利 用 。b、 CdTe、 CIS薄 膜 太 阳 能 电 池 。硫 化 镉 、 碲 化 镉 多 晶 薄 膜 电 池 的 效 率 较 非 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池效

18、 率 高 ， 成 本 较 单 晶 硅 电 池 低 ， 并 且 也 易 于 大 规 模 生 产 ， 但 由 于 镉有 剧 毒 ， 会 对 环 境 造 成 严 重 的 污 染 ， 因 此 ， 并 不 是 晶 体 硅 太 阳 能 电池 最 理 想 的 替 代 产 品 。铜 铟 硒 薄 膜 电 池 （ 简 称 CIS） 适 合 光 电 转 换 ， 不 存 在 光 致 衰 退问 题 ， 转 换 效 率 和 多 晶 硅 一 样 。 掺 Ga能 改 变 其 带 隙 ， 使 材 料 光 吸 收与 太 阳 光 谱 更 好 的 匹 配 ， 铜 铟 镓 硒 简 称 CIGS。 具 有 价 格 低 廉 、 性 能良

19、好 和 工 艺 简 单 等 优 点 ， 将 成 为 今 后 发 展 太 阳 能 电 池 的 一 个 重 要 方向 。 唯 一 的 问 题 是 材 料 的 来 源 ， 由 于 铟 和 硒 都 是 比 较 稀 有 的 元 素 ，因 此 ， 这 类 电 池 的 发 展 又 必 然 受 到 限 制 。3、 聚 合 物 有 机 太 阳 能 电 池由 于 有 机 材 料 柔 性 好 ， 制 作 容 易 ， 材 料 来 源 广 泛 ， 成 本 底 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 。 有 机太 阳 能 电 池 和 无 机 太 阳 能

20、 电 池 的 最 大 区 别 就 是 ， 有 机 材 料 受 到 光 激发 产 生 的 是 束 缚 的 电 子 -空 穴 对 ， 即 激 子 。 首 先 要 将 激 子 分 离 ， 激子 一 般 在 材 料 的 界 面 处 发 生 电 荷 分 离 。 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 。4、 燃 料 敏 化 太 阳 能

21、 电 池1991年 ， 瑞 士 科 学 家 Michael Grtzel等 人 在 Nature上 报 道 了他 们 制 作 的 基 于 染 料 敏 化 纳 米 晶 TiO2膜 的 光 化 学 太 阳 能 电 池 (DyeSensitized Solar Cell, DSSC)， 其 能 量 转 换 效 率 达 到7.1%7.9%， 在 散 射 光 的 条 件 下 更 是 达 到 了 12%， 从 此 开 辟 了 染 料 敏化 太 阳 能 电 池 这 一 新 领 域 ， 并 迅 速 在 世 界 范 围 内 掀 起 一 股 染 料 电 池的 研 究 热 潮 。 该 种 类 型 的 电 池 优 点

22、 在 于 它 廉 价 的 成 本 和 简 单 的 工 艺及 稳 定 的 性 能 。 目 前 ， 其 光 电 转 换 效 率 超 过 11%5。 DSSC的 制 作 成本 只 有 硅 太 阳 能 电 池 的 1/5 1/10， 寿 命 能 达 到 2O年 以 上 。 但 由 于此 类 电 池 的 研 究 和 开 发 刚 刚 起 步 ， 估 计 不 久 的 将 来 会 逐 步 走 上 市场 。四 、 太 阳 能 电 池 新 模 型制 约 太 阳 能 电 池 效 率 的 因 素 有 以 下 几 点 ：1、 能 量 低 于 半 导 体 带 隙 的 光 子 不 能 被 吸 收 产 生 电 子 -空 穴

23、对 ，2、 能 量 高 于 半 导 体 带 隙 的 光 子 激 发 出 一 对 高 能 电 子 -空 穴 对 ，它 们 会 与 晶 格 相 互 作 用 ， 很 快 分 别 驰 豫 到 导 带 底 和 价 带顶 ， 高 于 带 隙 的 那 部 分 能 量 以 热 的 形 式 散 发 出 去 ；针 对 以 上 两 点 因 素 ， 人 们 从 拓 展 电 池 对 入 射 光 的 吸 收 以 及 利 用 高 于半 导 体 尽 带 宽 度 的 光 子 能 量 两 方 面 入 手 ， 提 出 了 一 些 新 的 太 阳 能 电 池 模型 。1、 叠 层 太 阳 能 电 池 。叠 层 太 阳 能 电 池 就

24、 是 把 不 同 带 隙 的 子 电 池 堆 垛 在 一 起 ， 其 中 窄带 隙 的 在 下 ， 宽 带 隙 的 在 上 。 当 光 向 下 辐 射 时 ， 高 能 光 子 先 被 宽 带隙 子 电 池 吸 收 ， 激 发 出 电 子 和 空 穴 ， 而 低 能 光 子 穿 过 上 面 的 电 池 被下 面 的 窄 带 隙 子 电 池 吸 收 、 激 发 1。 这 样 就 把 宽 的 太 阳 光 谱 分 割成 不 同 部 分 吸 收 ， 最 大 限 度 地 利 用 了 不 同 能 量 的 太 阳 光 ， 提 高 了 转换 效 率 。 同 时 电 池 的 总 电 压 是 各 级 子 电 池 的

25、 电 压 之 和 ， 增 加 了 电 池的 输 出 电 压 值 。2、 光 谱 转 移 ： 上 转 换 和 下 转 换光 谱 频 移 的 办 法 ， 即 利 用 上 转 换 （ up-conversion） 和 下 转 换（ down-conversion） 将 太 阳 的 宽 波 段 光 谱 转 换 成 窄 波 段 的 光 谱 ，如 图 2所 示 1。 这 样 ， 只 要 选 取 合 适 的 半 导 体 材 料 ， 就 能 吸 收 几 乎所 有 的 光 ， 激 发 出 更 多 的 电 子 和 空 穴 ， 提 高 转 换 效 率 。针 对 上 转 换 和 下 转 换 ， 人 们 分 别 作 了

26、 理 论 和 实 验 方 面 的 研 究 。经 过 理 论 计 算 人 们 发 现 ， 用 上 转 换 器 的 太 阳 能 电 池 ， 其 最 高 理 论 转换 效 率 在 光 聚 焦 下 可 达 63.2%， 而 在 不 聚 焦 时 为 47.6%； 相 比 之 下 ，采 用 下 转 换 器 的 带 隙 为 1.1eV的 太 阳 能 电 池 ， 其 最 高 理 论 转 换 效 率在 6000K的 黑 体 辐 射 光 谱 下 可 达 39.3%。 然 而 ， 实 验 上 的 进 展 还 很 缓慢 ， 还 没 有 利 用 上 转 换 和 下 转 换 的 太 阳 能 电 池 的 报 道 。图 二

27、光 谱 平 移 示 意 图3、 可 调 制 的 吸 收 光 谱 。量 子 点 是 指 直 径 在 几 个 纳 米 ， 通 常 包 含 几 十 甚 至 上 百 个 原 子 的晶 体 颗 粒 。 量 子 点 的 带 宽 随 尺 寸 的 变 化 而 变 化 ， 这 样 就 可 以 通 过 控制 量 子 点 的 尺 寸 来 调 控 它 对 于 太 阳 光 不 同 波 段 的 吸 收 ， 由 此 就 可 以利 用 不 同 尺 寸 和 不 同 材 料 的 量 子 点 来 设 计 全 波 段 吸 收 的 太 阳 能 电池 。4、 中 间 带 和 量 子 阱 太 阳 能 电 池其 基 本 原 理 是 通 过

28、添 加 中 间 带 或 量 子 阱 在 电 池 的 导 带 和 价 带 间增 加 能 级 ， 从 而 使 不 同 能 量 的 光 子 都 能 有 效 地 吸 收 ， 激 发 出 更 多 的电 子 和 空 穴 。 其 中 ， 量 子 阱 给 电 池 提 供 了 定 域 化 得 能 级 ， 而 中 间 带给 电 池 提 供 了 连 续 的 小 的 能 带 1。 五 、 太 阳 能 电 池 发 展 现 状自 从 1954年 第 一 个 可 实 用 性 的 硅 半 导 体 太 阳 能 电 池 在 Bell实 验 室 问世 1， 太 阳 能 电 池 就 在 世 界 范 围 内 日 益 发 展 起 来 。

29、 据 Dataquest的 统 计资 料 显 示 ,目 前 全 世 界 共 有 136 个 国 家 投 入 普 及 应 用 太 阳 能 电 池 的 热 潮中 ,其 中 有 95 个 国 家 正 在 大 规 模 地 进 行 太 阳 能 电 池 的 研 制 开 发 ,积 极 生产 各 种 相 关 的 节 能 新 产 品 。 图 三 显 示 的 是 1990年 到 2006年 世 界 太 阳 能 电池 生 产 量 的 发 展 情 况 ， 2006年 已 经 达 到 2500MWp的 产 量 6。 另 外 ， 据 有关 机 构 统 计 ， 2008年 ， 世 界 太 阳 能 电 池 产 量 已 达 5

30、456MW， 组 件 产 量 已 达6791MW。 可 以 看 出 目 前 太 阳 能 电 池 的 发 展 越 来 越 快 。图 三 世 界 太 阳 能 电 池 历 年 生 产 量 6目 前 ,许 多 国 家 正 在 制 订 中 长 期 太 阳 能 开 发 计 划 , 美 国 能 源 部 推 出国 家 光 伏 计 划 , 计 划 在 单 晶 硅 和 高 级 器 件 、 薄 膜 光 伏 技 术 、 PVMaT、 光伏 组 件 以 及 系 统 性 能 和 工 程 、 光 伏 应 用 和 市 场 开 发 等 5个 领 域 开 展 研 究工 作 。 另 外 美 国 还 推 出 了 “太 阳 能 路 灯

31、 计 划 “,旨 在 让 美 国 一 部 分 城 市 的路 灯 都 改 为 由 太 阳 能 供 电 ,根 据 计 划 ,每 盏 路 灯 每 年 可 节 电 800 度 。 日本 也 正 在 实 施 太 阳 能 “ 7万 套 工 程 计 划 ” ， 一 个 标 准 家 庭 可 安 装 一 部 发电 3000瓦 的 系 统 ， 主 要 是 装 设 在 住 宅 屋 顶 上 的 太 阳 能 电 池 发 电 设 备 ,家庭 用 剩 余 的 电 量 还 可 以 卖 给 电 力 公 司 。 欧 洲 则 将 研 究 开 发 太 阳 能 电 池 列入 著 名 的 “尤 里 卡 “高 科 技 计 划 ， 推 出

32、了 “ 10万 套 工 程 计 划 ” 。 此 外 ， 日本 、 韩 国 以 及 欧 洲 地 区 总 共 8个 国 家 携 手 合 作 ,在 亚 洲 内 陆 及 非 洲 沙 漠 地区 建 设 世 界 上 规 模 最 大 的 太 阳 能 发 电 站 ,他 们 的 目 标 是 将 占 全 球 陆 地 面积 约 1/4的 沙 漠 地 区 的 长 时 间 日 照 资 源 有 效 地 利 用 起 来 ,为 30万 用 户 提 供100万 千 瓦 的 电 能 。 20世 纪 90年 代 以 来 ,全 球 太 阳 能 电 池 行 业 以 每 年 15%的 增 幅 持 续 不 断 地 发 展 。到 目 前 为

33、 止 ， 以 功 率 成 本 ($/Wp)划 分 ， 太 阳 能 电 池 已 经 发 展 到 了 第三 代 ， 如 图 四 所 示 。 第 一 代 太 阳 能 电 池 （ I） 是 单 晶 硅 半 导 体 太 阳 能 电池 ， 采 用 的 单 晶 硅 材 料 是 间 接 带 隙 半 导 体 ， 对 光 的 吸 收 较 差 ， 需 要 数 百微 米 的 厚 度 才 能 完 全 吸 收 太 阳 光 中 能 量 大 于 其 禁 带 宽 度 的 光 波 ， 而 且 制造 太 阳 能 电 池 需 要 高 纯 度 的 完 美 晶 体 材 料 ， 其 制 作 工 艺 相 当 复 杂 。 目 前单 晶 硅 电

34、 池 的 造 价 为 $250/m2， 发 电 成 本 为 $3.5/Wp， 已 生 产 出 来 的 产 品效 率 可 以 达 到 13% 16%， 高 效 电 池 可 达 20%3； 第 二 代 太 阳 能 电 池（ II） 主 要 是 利 用 半 导 体 薄 膜 （ 非 晶 硅 、 微 晶 硅 、 GaSe、 CdTe、CuInSe2、 CIGS等 ） ， 只 要 几 微 米 厚 的 材 料 就 可 以 满 足 要 求 ， 且 可 以 大面 积 制 备 ， 生 产 成 本 较 单 晶 硅 低 。 现 有 的 薄 膜 电 池 的 发 电 成 本 已 经 降 到了 约 $1/Wp。 然 而 由

35、 于 光 激 发 部 分 的 成 本 限 制 ， 使 得 整 个 光 电 模 块 的 成本 增 加 ， 且 光 电 转 换 效 率 还 需 提 高 ， 这 些 都 限 制 了 它 的 应 用 ； 第 三 代 太阳 能 电 池 （ III） 就 是 目 前 正 在 研 究 和 开 发 的 先 进 结 构 光 伏 电 池 ， 它 是通 过 一 些 先 进 的 结 构 ， 尽 可 能 地 提 高 电 池 效 率 和 降 低 电 池 成 本 （ 预 计 制造 成 本 控 制 在 $100/m2， 发 电 成 本 控 制 在 $0.20/W， 转 换 效 率 要 达 到 20%以 上 ） ， 是 目 前

36、 太 阳 能 电 池 研 究 中 的 一 个 重 点 和 热 点 方 向 。 1图 四 光 伏 电 池 的 功 率 成 本 ($/Wp)作 为 模 块 效 率 和 面 积 成 本 的 函 数 1下 表 总 结 了 各 种 太 阳 能 电 池 的 发 展 现 状类 型 最 高 PCE% 商 业 PCE% 优 点 缺 点 及 需要 改 进单 晶 硅 2 4 .7 7 2 2 .7 7 效 率 高 ， 发展 成 熟 成 本 高 ，效 率 接 近理 论 极 限值多 晶 硅 2 0 .3 7 1 5 .3 7 成 本 较 单 晶硅 低 硅 片 晶 界脆 弱 易 碎非 晶 硅 1 3 1 0 .4 7 成

37、 本 低 ， 可长 在 柔 性 衬底 ， 大 面 积不 稳 定 ，长 期 光 照下 光 电 效率 大 幅 衰减GaAs 2 5 .8 7 / 效 率 高 ， 耐高 温 抗 辐 射性 好 ， 带 隙1 .4 2 ev设 备 复杂 ， 成 本高CdTe 1 6 .5 7 1 0 .7 7 直 接 带 隙1 .4 5 ev Cd有 毒 ，Te原 料 限制Cu（ InGa） Se2 1 9 .5 7 1 3 .4 7 带 隙1 .3 ev， 稳定 性 好In、 Se原 料限 制GaInP/GaInAs/Ge 4 0 .7 4 / 有 很 好 的 高温 特 性 成 本 较 高有 机 电 池 5 .5 /

38、 成 本 低 廉 ，柔 性 衬 底 ，可 大 规 模 生产效 率 仍 较低 、 稳 定性 不 佳染 料 电 池 1 1 5 / 成 本 低 廉 效 率 不高 ， 稳 定性 较 差 ，仍 未 规 模化根 据 上 表 ， 不 难 发 现 ， 降 低 成 本 和 提 高 太 阳 能 电 池 效 率 是 当 今 研 究的 两 个 主 要 方 向 。 不 同 类 型 的 电 池 研 究 重 点 不 同 ， 例 如 对 于 单 晶 硅 和 多晶 硅 系 列 电 池 ， 进 一 步 提 高 电 池 效 率 比 较 困 难 ， 应 考 虑 降 低 其 成 本 ， 而对 于 新 出 现 的 有 机 电 池 染

39、料 电 池 ， 可 以 进 一 步 优 化 其 结 构 以 提 升 电 池 本身 效 率 。 六 、 展 望目 前 ,太 阳 能 电 池 的 应 用 已 从 军 事 领 域 、 航 天 领 域 进 入 工 业 、 商业 、 农 业 、 通 信 、 家 用 电 器 以 及 公 用 设 施 等 部 门 ， 尤 其 可 以 在 边 远 地区 、 高 山 、 沙 漠 、 海 岛 和 农 村 使 用 ， 以 节 省 造 价 很 贵 的 输 电 线 路 。 但 是在 目 前 阶 段 ， 它 的 成 本 还 很 高 ， 发 出 1kW电 需 要 投 资 上 万 美 元 ， 因 此 大规 模 使 用 仍 然

40、受 到 经 济 上 的 限 制 。但 是 ， 从 长 远 来 看 ， 随 着 太 阳 能 电 池 制 造 技 术 的 改 进 、 各 种 新 型 材料 的 引 进 以 及 新 颖 构 造 的 提 出 ， 太 阳 能 电 池 必 将 朝 着 高 效 率 、 低 成 本 的方 向 迈 进 ， 再 加 上 其 本 身 丰 富 的 资 源 ， 无 污 染 的 优 良 特 性 ， 未 来 必 将 被人 类 广 泛 利 用 ， 顶 替 现 金 的 常 规 能 源 。 参 考 文 献 ：1 Rene M. Nault, Argonne National Laboratory. “ BasicResearch

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