太阳能电池板

太阳能电池

一：太阳能及其应用

太 阳 能

太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3。8×10^23kW的辐射值，其

中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kW。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。化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、 环境、 社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。 一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。 太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一，又其中70％是照射在海洋上，于是仅剩下约1．5×10^17千瓦每小时，数值约为美国1978年所消费能6000倍。未被吸收或散射而能够直达地表的太阳幅射能称为「直接」幅射能；而被散射的幅射能，则称为「漫射」（diffuse）幅射能，地表上各点的总太阳幅射能即为直接和漫射幅射能二者的总和。

太 阳 能 热 利 用

(一)太阳能集热器

太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨

胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器.按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器 一个好的太阳能集热器应该能用20-30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40-50年且很少进行维修。

(二)太阳能热水系统

早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元

件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种： （a）自然循环式 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像

（thermosiphon），促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。 （b）强制循环式 热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀（check valve）以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处；，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。

(三)、暖房

太阳能暖房系统（space－heateng） 利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因

寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房的热（heat pump）装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。

太 阳 能 电 池 的 开 发

太阳能电池是一种有效地稀收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件.下面介绍北京太阳能光电研究中心对太阳能电池的研究情况.晶体硅高效太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池的研究开发以及研究成果向产业化转化。

1.高效晶体硅太阳电池 光电中心高效晶体硅太阳电池研究开发项目有钝化发射区太阳电池（PESC）、埋栅太阳

电池（BCSC）及多晶硅太阳电池。●钝化发射区太阳电池（PESC）光电中心研究钝化发射区太阳电池（PESC）的基本目的是探索影响电池效率的各种机制，为降低太阳电池成本提供理论和工艺依据，推动太阳电池理论的发展。实验中采用的材料为区熔（FZ）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，电阻率ρ＝0．2～1．2Ωcm，厚度t＝280－350μm，双面抛光。电池工艺包括正面倒金字塔织构化、前后表面钝化、制备选择性发射区、减反射表面、背场、前后金属接触等。目前电池达到的水平见表1。

表1 PESC电池的性能（测试条件AM1.5，25℃）

Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 测试单位

656.1 37.4 0.806 19.79 4.04 北京市太阳能研究所

* VOC 开路电压，JSC 短路电流密度，FF 填充因子，η 转换效率，A 太阳电池面积（下同）

●埋栅太阳电池（BCSC） 埋栅电池的制作工艺省去了复杂的多次光刻和蒸发电极步骤，减少了高温氧化次数，使

整个电池制作工艺大大简化；埋栅不仅减小了电极阴影面积，还可减小欧姆接触电阻，是一种可实现产业化的高效电池技术。实验中使用的材料分别为：①区熔（FZ）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，厚度t＝300－400μm；②直拉（CZ）、p-型（掺硼）〔100〕单晶硅，厚度t＝300—400μm；③太阳级（复拉）、p-型p〔100〕单晶硅，厚度t＝300—400μm。电池的工艺包括表面织构化、钝化，制备选择性发射区、减反射表面、背表面场和金属化等。目前电池所达到的水平见表2。

表2 不同材料的BCSC电池的性能（测试条件：AM1.5，25℃）

材料(刻槽) Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF(%) η(%) A(cm2) ρ(Ω.cm) 测试单位

FZ(激光) 663.8 35.6 80.58 18.6 25 0.2 A

FZ(机械) 621.9 37.0 80.02 18.47 4 0.5 B

CZ(激光) 622.9 35.2 79.27 17.22 25 0.8 B

太阳级 (激光) 624.1 35.4 75.44 16.59 25 0.4 B

* A：美国国家可再生能源实验室，

B：北京市太阳能研究所

●多晶硅太阳电池 在PESC电池和BCSC电池的基础上，光电中心开展了多晶硅太阳电池的研究，以适应我国未

来多晶硅太阳电池发展的需要。实验中使用的材料为Bayer公司p-型多晶硅片，厚340μm，电池制作工艺过程包括吸杂、制备p-n结、钝化、形成背场和金属化等。实验制备的最好电池的特性见表3。

表3 PESC电池的性能（测试条件：AM1．5，25℃）

Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 测试单位

595.0 34.23 0.7129 14.53 1.0 北京市太阳能研究所

581.0 29.92 0.6787 11.8 10×10 (与北京有色金属研究总院合作项目)

2.多晶硅薄膜太阳电池

多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点，又有大幅度减少材料用量

从而大幅度降低成本的潜力，因而成为目前光伏界的研究热点。光电中心采用快速热化学气相沉积（RTCVD）、等离子增强化学气相沉积（PECVD）和a-Si／μc-Si迭层电池等不同工艺对多晶硅薄膜太阳电池进行了研究。RTCVD多晶硅薄膜以SiH2Cl2或SiCl4为原料气体在石英管反应室内沉积而成。研究工作初期，以重掺杂非活性硅为衬底。RTCVD多晶硅薄膜太阳电池的结构 PECVD多晶硅薄膜太阳电池的结构为：（Al／Ag）／ITO／p-a-Si：H／n-a-Si：H／n-poly-Si／n＋＋非活性Si衬底（0.005Ωcm）／Ti-Pd-Ag。其中n型Poly-Si薄膜（～10μm）采用快速PECVD和固相晶化法制备。a-Si／μc-Si迭层电池（与中国科学院半导体研究所合作）结构为：玻璃／SnO2膜／p-i-n a-Si：H电池炖p-i-n μc-Si：H电池炖Al。电池的性能列于表4。

表4 多晶硅薄膜太阳电池的性能（测试条件：AM1.5，25℃）

Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 电池工艺

625.64 26.3 0.7357 12.11 1.0 RTCVD

455.0 21.18 0.6474 6.15 1.0 PECVD

1160 11.4 0.6740 8.91 0.126 RECVD(a-Si/pc-si)

太 阳 能 热 利 用 技 术

1. 新型高效太阳能集热器

开发和利用丰富、广阔的太阳能，对环境不产生和很少产生污染，既是近期急需的补充能源，又是未来能源

结构的基础。国际上，太阳能的使用技术已进入新的发展阶段。在太阳能热利用系统中，重要的一个技术关键是如何高效率地收集太阳光并将其转变为热能。国内平板型太阳能集热器和全玻璃真空管太阳能热水器已形成产业，近20年来产量逐年增长，年产量达80多万平方米。近几年，我国又研制成具有国际先进水平的热管式真空管热水器，具有良好的应用前景。然而，我国太阳能热利用多限于低温范围，“九五”期间应扩大到中温和高温范围。这就要研究开发新型高效太阳能集热器。

2. 目标 研究、开发、应用

新型高效太阳能集热器，为逐步扩大热利用的温度范围打下技术基础。研究开发四种新型高效集热器，并应用于太阳能空调及太阳能工业热水及发电系统等。

3.内容

①直通式真空管集热器 ②同心套管式真空管集热器 ③储热式真空管集热器 ④光式真空管集热器

（1）太阳能热利用系统研究及示范工程 热利用在太阳能利用技术中占有重要位置，是综合项目。但是，以往所取

得的成绩是太阳能低温热水系统，而太阳能中、高温供热系统的研究是与工厂供热系统结合的大型太阳能利用工程，其中太阳能热发电是人类大规模利用太阳能的重要途径，是太阳能热利用的一个重要发展方向。事实上，只有与工业企业结合，太阳能的利用才能有更高的经济效益，更充分发挥出太阳能利用的优势，体现未来能源的意义。

（2）目标 建立两个太阳能工业用热的示范工程, 功率为200千瓦，工作温度为150一200度。 建立太阳能热发

电中试电站。 通过以上两项研究和示范，拓宽我国太阳能热利用的领域。

（3）内容 ①太阳能工业用热系统的研究及示范工程 功率： 200千瓦 工作温度： 150一200℃ ②太阳能空调系

统研究及示范工程 制冷能力： 200千瓦 ③太阳能热发电示范装置

太 阳 能 光 伏 技 术

（一）高效率低成本太阳电池研究与发展

1．背景 太阳能等新能源为世界2000年经济展望中最具决定性影响的五大技术领域之一，而太阳能光伏发电又

是其中最受瞩目的项目之一。1994年，世界太阳能电池销售量已达64兆瓦，呈现飞速发展势态。我国太阳能电池销售已超过1．2兆瓦。累计用量约5兆瓦，其应用范围亦在不断扩大。近年来，市场销售量以20％的速度在递增，预计到2000年，我国太阳电池年用量将超过10兆瓦。目前晶体硅太阳电池组件已出现供不应求的短缺局面。为满足日益增长的市场需求，除已有企业要发挥现有生产潜力之外，还要积极研制开发多种高效、低成本的光伏电池，扩大我国太阳电池产业规模，提高技术经济效益。

2．目标 提高效率，降低成本，扩大规模，推动我国光伏产业发展发展高效率、低成本多晶硅太阳电池技术，攻

关与引进相结合，建立一条年生产能力为兆瓦级的生产线。提高单晶硅太阳电池组件的效率，降低生产成本，发挥现有生产能力，满足市场需求。

3．内容 ①兆瓦级多晶硅太阳电池组件生产线的建立主要技术经济指标： 组件效率13％ 组件寿命20～25年②

单晶硅太阳电池组件生产线的技术改造主要技术经济指标： 组件效率14～15％ 组件寿命20～25年③高效率、低成本新型太阳电池的开发。

(二).太阳电池应用枝木研究及示范

1．背景 我国太阳电池应用领域在不断扩大，已涉及农业、牧业、林业、交通运输、通讯、气象、石油管道、文

化教育及家庭电源等诸多方面，光伏发电在解决偏僻边远无电地区供电及许多殊场合用电上已起到引人注目的作用。但从总体的应用技术水平和规模上看，与工业发达国家相比仅有很大的差距，主要问题是光伏系统造价偏高、系统配套工程装备没有产业化、应用示范不够和公众对太阳电池应用的巨大潜力缺乏了解以及系统应用仅限于独立运行，还没有并网运行和与建筑业结合。因此，有必要加强太阳电池应用技术研究和示范，推进产业化，拓宽应用领域和市场。

2．目标 通过本项目执行，实现如下目标：小型光电源产业化 100千瓦容量以下的独立运行光伏电站系列化、规

范化、商品化研究井网光伏发电技术，为大规模应用做好前期准备

3．内容 ①小功率光伏电源产业化 功率范围：千瓦级、百瓦级 产业规模：总容量大于1兆瓦 系统造价：比“八

五”平均价格降低30％以上②独立运行光伏电站系列化、规范化、商品化。功率范围： 10千瓦～100千瓦 系统造价：比“八五”平均价格降低30％以上。③并网光伏发电技术研究和示范。兆瓦级并网光伏电站的前期研究 10千瓦并网光伏示范电站 100千瓦并网光伏电站用逆变器研制” 光伏电站运行及与电力系统相关技术研究。④高扬程光电水泵的研制 主要技术指标：扬程50～100米 太阳电池功率5千瓦～10千瓦。

（这些是太阳能的作用,太阳能指的就是太阳能源,不包括阳光的其他作用.）

二：太阳能电池板

分类：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。

硅太阳能电池

生产过程：大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。 材料： 当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在

今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。 1994年全世界太阳能电池

的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一

组成

（1）单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池

中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要

降低不少，其光电转换效率约12％左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，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。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

（3）非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完

全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

原理 太阳光照在半导体p-n结上，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。 一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转

换方式。

（1） 光—热—电转换方式通过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，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW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。

（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，是一个半导体光电二极管，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。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。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，这是其它电源无法比拟的

电池板原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等

多元化合物太阳电池

除了常用的单晶、多晶、非晶硅电池之外，多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成

的太阳能电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：

a) 硫化镉太阳能电池

b) 砷化镓太阳能电池

c) 铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)

组成 多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大

多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a) 硫化镉太阳能电池b) 砷化镓太阳能电池c) 铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)

Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多

元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18％，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

三：发展

太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源.太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池.太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱.制造太阳能电池材料的禁带宽度E:应在1.leV-13W之间，以1.5eV左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率(以下简称“效率”)，材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产.

195 4年 美 国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后用于人造卫星.经近半个世纪努力，人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力.硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用.在随后10多年里，空间应用不断扩大，工艺不断改进.20世纪70年代初，硅太阳电池开始在地面应用，到70年代末地面用太阳电池产量己经超过空间电池产量，并促使成本不断降低.80年代初，硅太阳电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大.20世纪80年代中至今，薄膜太阳能电池研究迅速发展，薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路，成为今后太阳能电池研究的热点和主流，并逐步向商业化生产过渡.

中国太阳能电池产业的发展大致可分为三个阶段。第一阶段为1984年以后的研究开发时期。之后迎来了2001年以后的产业形成时期，这第二阶段也是尚德等太阳能电池厂商开始创业的时期。2005年至今的第三阶段是中国太阳能电池产业的快速发展时期。

2008年中国太阳能电池产能约为3.3GW，产量超过了2GW。2009年中国太阳能电池产量已经达到了4.3GW，中国所占全球份额已达到4成。中国已在生产制造方面取得重要地位，也将成为使用太阳能的大市场。2009年国家陆续出台了太阳能屋顶计划、金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，会启动一个巨大的市场。

1不同材料太阳电池分类及特性简介

太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等儿大类.开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高效率和降低成本.

1. 1晶体硅太阳电池

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.

1. 2硅基薄膜太阳电池

多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格.多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在PV市场上占据主导地位.非晶硅是硅和氢(约10%)的一种合金，具有以下优点:它对阳光的吸收系数高，活性层只有1IIm厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低(约200'C)，可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池

面积大，便于工业化大规模生产.缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1.7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减(即光致衰退)，使电池性能不稳定.

1. 3 化合物半导体薄膜太阳电池化合物

半导体薄膜太阳电池主要有铜锢硒(CIS)和铜锢稼硒(CIGS) 、CdTe,G aAs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.GaAs带隙宽度1.45eV，是非常理想直接迁移型半导体PV材料，在GaAs单晶衬底上生长单结电池效率超过25%，但价格也高，用于空间等特殊环境.C IS和CIGS电池中所需CIS,C IGS薄膜厚度很小(约211 m )，吸收率高达105/cm.CI S电池的带隙Eg为1.04eV，是间接迁移型半导体，为了提高效率，只要将Ga替代CIS材料中部分In，形成Culnl_XGa,Se2(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电池效率高.C IS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.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.CdTe电池的带隙E:为1.5eV，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lum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.

1.4 染料敏化丁i02 纳米薄膜太阳电池

1991年瑞士Gratzel教授以纳米多孔TiO:为半导体电极，以Ru络合物作敏化染料，并选用12/13一氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TiO:纳米薄膜太阳电池(简 称DSC).DSC具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10%以上„61.缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响.染料敏化TiO:纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视.目前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点.

2 不同材料太阳电池主要制备工艺、典型结构、效率比较分析

2. 1 单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池制备和加工工艺:一般以高纯度单晶硅棒原料，有的也用半导体碎片或半导体单晶硅的头尾料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒.在电弧炉中用碳还原石英砂制成纯度约99%冶金级半导体硅，然后将它在硫化床反应器进行化学反应，使其杂质水平低于10-11%，达到电子级半导体硅要求.将单晶硅棒切成厚约30011 m硅片作太阳电池原料片，通过在硅片上掺杂和扩散，硅片上形成了pn结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜，这样，单晶硅太阳电池单体片就制成了.经检验后的单体片按需要规格组装成太阳电池组件(太阳电池板)，用串联和并联的方法构成一定输出开路电压和短路电流.

2. 2 多晶硅太阳电池浇铸

多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去昂贵单晶拉制过程，用纯度低的硅作投炉料，耗料、耗电较小.铸锭工艺主要有定向凝固法和烧铸法两种.定向凝固法:将硅料放在增祸中加以熔融，从增竭底部通上冷源形成一定温度梯度，使固液界面从增锅底部向上移动形成晶锭.烧铸法:选择多晶块料或单晶硅头尾料，破碎后用1:5氢氟酸和硝酸混合液进行适当腐蚀，用离子水冲洗呈中性，并烘干.用石英增祸装好多晶硅材料，加入适量硼硅，放入烧铸炉，在真空状态下加热熔化，熔化后保温20 min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后得多晶硅锭.

2. 3 多晶硅薄膜太阳电池

通常的晶体硅太阳电池是在厚度350^-45011 m的高质量硅片上制成的，实际消耗的硅材料较多.为了节省材料，人们从20世纪70年代中期就开始在廉价的衬底上沉积多晶硅薄膜用相对薄晶体硅层作电池激活层.目前制备多晶硅薄膜电池工艺方法主要有以下几种:化学气相沉积(C VD)法;低压化学气相沉积(LPCVD)法;等离子增强化学气相沉积(PECVD)法;液相外延(LPE)法;快速热CVD (RTCVD)法;溅射沉积(PSM)法等.CVD:〔艺:以SiH2C12. SiHC13, SiCla或SiH;作反应气体，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, Si02, Si3N;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

办法是先用LPCVD法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，然后再在这层晶粒上沉积厚的多晶硅薄膜.该工艺中区熔再结晶(ZMR)技术无疑是很重要的一个环节.

2. 4 非晶硅薄膜太阳电池

非晶硅薄膜太阳电池典型制备工艺:一般用高频辉光放电、PECVD等方法制备.辉光放电法是将石英容器抽成真空，充入氢气或氢气稀释硅烷(Si场)，用射频电源加热，使硅烷电离形成等离子体.非晶硅薄膜就沉积在被加热的衬底上.若在硅烷中掺入适量氢化磷或氢化硼，可得n型或p型非晶硅膜.非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅的规则性，缺陷多.为此，要在p层与n层之间加入较厚的本征层i，非晶硅薄膜电池一般具有p-i-n结构.为了提高光电效率和改善稳定性，通常制备p-i-帅-i-帅-i-n叠层太阳能电池，叠层太阳电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n形成的双结或三结非晶硅薄膜电池.非晶硅太阳电池在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子反应沉积p-i-n三层非晶硅，再蒸镀铝(Al)电极.光从玻璃入射，电池电流从导电膜和铝引出，双结非晶硅薄膜电池结构为glass/ TCO/p-i-n/ p-i-n/ ZnO/Ag/Al，衬底为不锈钢和塑料膜等.为了增加短波区的光谱响应，采用梯度膜层的a-SiC窗口涂层和微晶硅p膜层;为了增加长波区的光谱响应，采用绒面TCO膜、绒面多层背反射电极(ZnO/Ag/Al)和多带隙叠层结构，从而提高光电转换效率。

2.5 CIS和CIGS薄膜太阳电池

CIS电池薄膜的生长工艺主要有真空蒸发法、铜锢合金膜的硒化处理法等.蒸发法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、锢和硒，硒化处理法是使用HZSe叠层膜硒化，但该法难以得到均匀的CIS. CIS电池结构:金属栅状电极碱反射膜/窗口层(ZnO)/过渡层(CdS)/)}吸收层(CIS)/金属背电极(MO)/衬底.经过多年研究，CIS电池发展了不同结构，主要差别在于窗口的选择.CIS薄膜电池从80年代初8%的效率发展到目前的15%左右.CIS薄膜太阳电池具有价格低廉、性能良好和制作工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向.

CIG S 制备工艺有共蒸法和硒化法.共蒸法是在衬底上用Cu.I n和(Ga)S e进行蒸发、反应;硒化法是先在衬底上生长Cu. In (Ga )层，再在Se气氛中硒化.成膜方法有溅射法、近空间升华(CSS)法、MOCVD法、电沉积法等，大面积商业化生产采用磁控溅射法.CIGS基本结构:glass/Mo/CIGS/CdS/ZnO.美国能源部可再生能源实验室(NREL)于1999年研制出效率为18.8% CIGS电池，目前CIGS效率达19.2%191.

2.6 CdTe薄膜太阳电池

CdTe薄膜生长工艺主要有:丝网印刷烧结法，真空蒸发法，近空间升华法，电镀沉积法等.丝网印刷烧结法:由含CdTe, US浆料进行丝网印刷CdTe, US膜，然后在600^-7000C可控气氛下进行热处理Ih得大晶粒薄膜.近空间升华法:采用玻璃作衬底，衬底温度500-6001C，沉积速率10 it m/min.真空蒸发法:将CdTe从约700℃加热钳祸中升华，冷凝在300^-400℃衬底上，典型沉积速率1nm /s.以CdTe吸收层，US作窗口层半导体异质结电池的典型结构:减反射膜/玻璃/(Sn02:F)/CdS/P-CdTe/背电极.CdTe电池实验室效率16.4%，商业化电池平均效率8%-10%.

2. 7 染料敏化Ti02纳米薄膜太阳电池

TiO2纳米太阳电池制备:先合成TiO:纳米粒子，合成方法很多，包括液相水解法、气相火焰法、TiCl;气相氧化法、溶胶凝胶法等，多数用水解法，然后将制得Ti02纳米粒子微粒均匀涂于导电玻璃上，在室温干燥l0min，在50℃下处理15 min，再以20-50 C/ min的速率升温至450℃处理30min，冷却后得10Rm厚纳米多孔TiO:膜〔101.在纳米粒子上吸附一层高效染料敏化剂形成阳极，染料敏化剂为Ru络合物，1993年报道效率为11%1 93.Ti O:纳米太阳电池结构:导电玻璃/多孔纳米TiO:膜/染料敏化剂/电解液随明电极.

3 太阳能电池研究现状

3. 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公司研制川T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%"'.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.

3. 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, (Si0: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lcm2与30x3Ocm2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.

3.3 CIS,CIGS薄膜太阳电池

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.

4 太阳能电池商业化发展趋势

国外各种太阳电池商业化进程是不同的，1998年前单晶硅电池占主导地位，1998年后多晶硅电池超

过单晶硅跃居首位，非晶硅和CdTe薄膜电池从80年代中期开始商业化生产，由于非晶硅薄膜效率低、 易老化和人们对Cd的毒性担忧问题，市场份额增加缓慢，CIS电池商业化起步较晚发展相对缓慢，而

日本、美国和欧洲在太阳能电池产量上处于领先水平，日本新能源产业技术开发机构(NEDO)投入巨资

对各种类型太阳能电池进行大量开发研究，并取得可喜成绩.2003年排名前10位生产商的产量占全世界 85%.最近5年全世界光伏产量平均增长率为35%，预见2010-2015年光伏组件成本可以降到1美元/峰 瓦，约是目前成本的一半.

国内太阳电池产业化起步较晚，但近年来商业化生产发展较快.2005年南京中电光伏科技有限公司引

进澳大利亚先进太阳能技术，建设三条太阳电池生产线，形成l00MW生产规模，该生产基地计划2008 年生产太阳电池600MW "23.到2006年末期，无锡尚德公司的太阳电池产能将达到240MW.到2008年， 天威英利公司三期扩建项目如果完成的话，太阳电池产能从目前的l00MW提高到600MW.

总之 ， CIS和CIGS薄膜太阳电池产业化问题解决后很有发展前途.今后太阳电池商业化发展的重点 仍是多晶硅薄膜和非晶硅薄膜电池，由于多晶硅薄膜和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低 的成本，将成为市场的主导产品.

2903402018 邹兴强