太阳能电池的原理及种类

第25卷第2期2011年3月

POWER󰀁EQUIPMENT

Vol.25,No.2

󰀁

Mar.2011

太阳能电池的原理及种类

许伟民1,󰀁何湘鄂2,󰀁赵红兵1,󰀁冯秋红1

(1.中国联合工程公司,杭州310022;󰀁2.浙江大学信息与电子工程学系,杭州310027)

摘󰀁要:介绍太阳能电池的原理和种类,分析了各类太阳能电池的优缺点,比较了各类太阳能电池的转换效率、制造难易程度和发展前景。

关键词:太阳能电池;原理;种类;光电转换效率

中图分类号:TM615󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1671󰀁086X(2011)02󰀁0137󰀁04

WorkingPrinciplesandTypeofSolarCells

XUWei󰀁min,󰀁HEXiang󰀁e,󰀁ZHAOHong󰀁bing,󰀁FENGQiu󰀁hong(1.ChinaUnitedEngineeringCorporation,Hangzhou310022,China;

2.DepartmentofInformationScienceandElectronicEngineering,ZhejiangUniversity,

Hangzhou310027,China)

Abstract:Anintroductionisbeingpresentedtoworkingprinciplesandcategoryofsolarcells,togetherwithananalysistoadvantagesanddisadvantagesofeachtypeandacomparisonofphotoelectricconversionefficiency,manufacturingcomplexityanddevelopmentprospectamongvariouscells.

Keywords:solarcell;principle;type;photoelectricconversionefficiency

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󰀁󰀁太阳能是人类取之不尽、用之不竭的能源。在目前创导节能减排、保护环境的形势下应大力提倡太阳能利用。本文对太阳能电池的原理及种类作一概括的介绍。

转换成电能,光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,太阳能电池工作原理见图1。

1󰀁太阳能发电方式

1.1光热电转换方式󰀁󰀁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(蒸汽)的势能和动能,再驱动汽轮机发电。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,其投资估计至少要比普通火电站高5~10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均每千瓦的投资为2000~2500美元。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。1.2光电直接转换方式󰀁󰀁该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接󰀁󰀁

收稿日期:2010󰀁08󰀁24

作者简介:许伟民(1981),男,工程师,主要从事工业工程设计。

E󰀁mail:xuwm@chinacuc.com

图1󰀁太阳能电池工作原理

󰀁󰀁当许多个电池串联或并联起来,就可以成为较大输出功率的太阳能电池方阵[12]。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期󰀁󰀁

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使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其他电源无法比拟的。

所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm󰀁2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm󰀁5cm)转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中单晶硅太阳能电池仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅太阳能电池成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。

3.1.2多晶硅薄膜太阳能电池

为了节省高质量材料,薄膜太阳能电池就成了单晶硅电池的替代产品,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶体硅薄膜太阳能电池就是典型代表。实验室的最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450󰀁m的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成,因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,从20世纪70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒太小,未能制成有价值的太阳能电池。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外,液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子,并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2或Si3N4等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙,解决这一问题的办法是先用LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能系统研究所采用区域再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%,日本三菱公司用该法制备的电池效率达16.42%。液相外延(LPE)法的原理是通过将硅2󰀁对太阳能电池材料的要求

󰀁󰀁对太阳能电池材料一般的要求有:

(1)半导体材料的禁带不能太宽。(2)要有较高的光电转换效率。(3)材料本身对环境不造成污染。

(4)材料便于工业化生产,且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也越来越显示出诱人的前景[13]。

3󰀁太阳能电池分类

󰀁󰀁根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池等,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位3.1硅太阳能电池

󰀁󰀁硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

3.1.1单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在,单晶硅的电池工艺一般都采用表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。光电的转化效率主要取决于单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺,在这方面,德国(夫朗霍费)费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术,将电池表面结构化,制成倒金字塔结构;并在表面把13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合;改进电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率。通过以上措施制得的电池转化效率超过23%,最大值可达23.3%。Kyo󰀁cera公司制备的大面积(225cm)单晶硅太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究2

[23]

。

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熔融在母体里,降低温度析出硅膜。美国Astro󰀁power公司采用LPE制备的电池效率达12.2%。中国光电发展技术中心采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒,并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池,称之为󰀁硅粒󰀁太阳能电池,但有关性能方面的报道还未见到。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅材料远较单晶硅少,又无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制成,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶体硅薄膜电池,因此,预计多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

3.1.3非晶体硅薄膜太阳能电池

由于非晶体硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速发展。早在20世纪70年代初,Carlson等就已经开始了对非晶体硅电池的研制工作,目前世界上己有许多公司生产这种产品。非晶体硅作为太阳能电池材料尽管是一种很好的材料,但由于其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这就限制了非晶体硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S󰀁W效应,使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳能电池是在制备的p󰀁i󰀁n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个p󰀁i󰀁n子电池制得的。

叠层太阳能电池能提高转换效率、解决单结电池的不稳定性,其关键在于:

(1)把不同禁带宽度的材料组合在一起,提高了光谱的响应范围;

(2)顶电池的i层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保证i层中的光生载流子抽出;

(3)底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰退效应减小;

(4)叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等,反应原料气体为H2稀释的SiH4,衬底主要为玻璃及不锈钢片,制成的非晶体硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。

目前非晶体硅太阳能电池的研究取得两大进展:

(1)三叠层结构非晶体硅太阳能电池转换效

率达到13%,创下新的记录;

(2)三叠层太阳能电池生产能力达5MW。美国联合太阳能公司(VSSC)制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%,三带隙三叠层电池最高转换效率为13%,上述最高转换效率是在小面积(0.25cm2)电池上取得的。曾有文献报道,单结非晶体硅太阳能电池转换效率超过12.5%,日本中央研究院采用一系列新措施,制得的非晶体硅电池的转换效率为13.2%。国内关于非晶体硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多,南开大学的耿新华等采用工业用材料,以铝背电极制备出面积为20cm󰀁20cm、转换效率为8.28%的a󰀁Si/a󰀁Si叠层太阳能电池。

非晶硅太阳能电池由于具有成本低、重量轻、转换效率较高和便于大规模生产等而有极大的发展潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决其稳定性问题和提高转换率问题,那么,非晶体硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。3.2多元化合物薄膜太阳能电池

󰀁󰀁多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,主要有砷化镓III󰀁V族化合物电池、硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池和铜铟硒薄膜电池。3.2.1硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶体硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,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。

3.2.2砷化镓(GaAs)III󰀁V化合物电池

GaAs属于III󰀁V族化合物半导体材料,其能降为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,转换效率可达28%,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了GaAs电池的普及。GaAs等III󰀁V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术,其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III󰀁V比率、总流量等诸多参数的影响。除GaAs外,其他III󰀁V族化合物,如GaSb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2%,󰀁140󰀁

第25卷

为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外,该研究所还采用堆叠结构制备GaAs/GaSb电池,该电池是将两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%。3.2.3铜铟硒薄膜电池

铜铟硒薄膜电池(简称CIS)材料的能降为1.1eV,适于太阳光的光电转换。另外,CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题,因此,CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注意。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒,硒化法是使用H2Se叠层膜硒化,但该法难以得到组成均匀的CIS。CIS薄膜电池从20世纪80年代最初8%的转换效率发展到目前的15%左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池,其光电转换效率为15.3%(面积1cm2)。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17.l%的CIS太阳能电池,2000年CIS电池的转换效率达到20%,相当于多晶硅太阳能电池。CIS作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后太阳能电池发展的一个重要方向,唯一的是材料的来源问题,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展必然受到限制。3.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池

󰀁󰀁以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好、制作容易、材料来源广泛和成本低等优势,从而对大规模利用太阳能有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究刚开始,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。3.4纳米晶太阳能电池

󰀁󰀁纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的,优点在于其廉价的成本、简单的工艺及稳定的性能,其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10,寿命能达到20年以上。但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。

4󰀁结语

󰀁󰀁目前批量生产的太阳能电池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其他无机材料制成的。

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类,而前者又分为单结晶型和多结晶型;按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机膜型,而化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(a󰀁Si:H,a󰀁Si:H:F,a󰀁Six󰀁Gel󰀁x:H等)、󰀁󰀁V族(GaAs,InP等)、󰀁󰀁󰀁族(Cds系)和磷化锌(Zn3P2)等。

开发太阳能电池的两大关键问题是提高转换效率和降低成本。随着对太阳能发电的深入研究和应用,必将使太阳能发电技术得到进一步发展。参考文献:

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