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20##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46TW^[1]。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，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。

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200~500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。20##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，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^[3]

a、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、     燃料敏化太阳能电池

1991年，瑞士科学家Michael Grätzel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(Dye Sensitized 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 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。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20##年世界太阳能电池生产量的发展情况，20##年已经达到2500MWp的产量^[6]。另外，据有关机构统计，20##年，世界太阳能电池产量已达5456MW，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

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] Renée M. Nault, Argonne National Laboratory. “Basic Research Needs for Solar Energy Utilization”. Report on the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, April 18-21, 2005

[2] 罗运俊，何梓年，王长贵. 太阳能利用技术/21世纪可持续能源丛书. 北京：化学工业出版社，20##年1月

[3] 杨德仁. 太阳电池材料. 北京：化学工业出版社，20##年1月

[4] R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, C. M. Fetzer, G. S. Kinsey, H. Yoon, R. A. Sherif, and N. H. Karam. “40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells”. Appl. Phys. Lett., 2007, 90(183516)：1~3

[5] Grätzel M. “Photoelectrochemical cells”. Nature, 2001, 414, 338-344

[6] 李俊峰，王斯成，张敏吉，马玲娟等. 2007中国光伏发展报告. 中国环境科学出版社

[7] Robert W. Miles, Guillaume Zoppi, and Ian Forbes. “Inorganic photovoltaic cells”. Materialstoday, 2007, 10(11)：20～27