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太阳电池

太阳电池可以有效吸收太阳能,并将其转化成电能的半导体部件。用半导体硅硒等材料将太阳的光能变成电能的器件。具有可靠性高寿命长转换效率高等优点可做人造卫星航标灯晶体管收音机等的电源。单体电池尺寸从1×1厘米至15.6×15.6厘米,输出功率为数十豪瓦至数瓦,它的理论光电转换效率为25%以上 ,实际已达到22%以上。

【释义】:用半导体硅硒等材料将太阳的光能变成电能的器件。具有可靠性高寿命长无污染等优点可做人造卫星航标灯晶体管收音机等的电源。

太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件,又叫光伏器件,主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。太阳电池最初为空间航天器使用,空间航天器用单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧厘米以上的P型单晶硅,包括p-n结、电极和减反射膜等部分,受光照面加透光盖片(如石英或渗铈玻璃)保护,防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从2×2厘米至5.9×5.9厘米,输出功率为数十至数百毫瓦,它的理论光电转换效率为20%以上 ,实际已达到15%以上。

单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24%,实际达到18%。它能在高温、高光强下工作,耐辐射损伤能力高于硅太阳电池,但镓的产量较少,成本高。级联p-n 结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的 p-n结,带隙大的顶结靠光照面,吸收短波光,往下带隙依次减小,吸收的光波波长逐渐增长,这种电池可以充分利用日光,光电转换效率大大提高。

为了提高单体太阳电池的性能,可以采取浅结、密栅、背电场、背反射、绒面和多层膜等措施,增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点,提高可靠性。

太阳电池发展历史可以追溯到1839年,当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光生伏打效应(Photovoltaic effect)。直到1883年,第一个硒制太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来。在1930年代,硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上,例如光度计及照相机的曝光针上。而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者Russell Ohl开发出来。接着在1954年,科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到4%左右,次年达到11%。随后,太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后,人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974年,Haynos等人,利用硅的各向异性(anisotropic)的刻蚀(etching)特性,在单晶硅太阳电池表面刻蚀出具有许多金字塔结构的绒面。金字塔绒面结构能有效降低太阳光在电池表面反射损失,使得当时的太阳电池转换效率达到17%。

1976年以后,如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后,电池成本降低使得太阳电池进入民间发电领域,太阳电池开始应用于并网发电。

分类太阳电池是光伏发电系统的核心。从产生技术的成熟度来区分,太阳电池可分为以下几个阶段:

第一代太阳电池:晶体硅电池;

第二代太阳电池:各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电池(CIGS)、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等;

第三代太阳电池:各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。

按电池结构划分,太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。

按照使用的基本材料不同,太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池几种。

硅基太阳电池

硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到14%~20%(单晶体硅电池16%~20%,多晶体硅14%~16%)。目前产业化太阳电池中,多晶硅和单晶硅太阳电池所占比例近90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领域。

(1)单晶硅太阳能电池 [1] 单晶太阳电池板硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高(16%~20%),技术也最为成熟。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、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。

提高转化效率主要是单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,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织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京市太阳能研究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18.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下。

(2)多晶硅太阳电池

多晶硅太阳电池成本低,转化效率较高(14%~16%),生产工艺成熟,占有主要光伏市场,是现在太阳电池的主导产品。多晶硅太阳电池已经成为全球太阳电池占有率最高的主流技术。但多晶硅太阳电池效率低于单晶硅电池。比较单位成本发电效率,两者接近。

(3)非晶硅太阳电池

非晶硅的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强(比结晶硅强500倍),所以只要薄薄的一层就可以把光子的能量有效吸收。而且这种非晶硅薄膜生产技术非常成熟,不仅可以节省大量的材料成本,也使得制作大面积太阳电池成为可能。主要缺点是转化率低(5%-7%),而且存在光致衰退(所谓的S-W效应,即光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减,使电池性能不稳定)。因此在太阳能发电市场上没有竞争力,而多用于功率小的小分型电子产品市场。如电子计算器、玩具等。

在1980年代,非晶硅是唯一商业化的薄膜型太阳电池材料,当年非晶硅太阳电池出现,曾引起大量投入。从1985到1990年初,非晶硅太阳电池的比例曾创下全球太阳电池总量三分之一,但之后却因为稳定性不佳问题未能获得有效改善,使得产量下滑。

薄膜太阳电池

依据材料种类不同,薄膜电池 [2] 可细分为:微晶硅薄膜硅太阳电池(Thin Film Crystalline Silicon Solar Cell,简称c-Si);非晶硅薄膜太阳电池(Thin Film Amorphous Silicon Solar Cell,简称a-Si)、Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池(碲化镉(CdTe)、硒化铟铜)、Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池可以利用多层薄膜结构达到高于30%以上的转换效率外,其他的集中薄膜型太阳电池效率一般多在10%以下。

目前已产业化的薄膜光伏电池材料有三种:非晶硅 (a-Si)、铜铟硒(CIS, CIGS) 和碲化镉(CdTe),其中,非晶硅薄膜电池生产比重最大。2007年,占全球总产量的5.2%。

(1) Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池

典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池为砷化镓(GaAs)电池,转换率达到30%以上,这是因为Ⅲ-Ⅴ族是具有直接能隙的半导体材料,仅仅2um厚度,就可在AM1的辐射条件下吸光97%左右。在单晶硅基板上,以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池,因效率较高,应用在太空。而新一代的GaAS多接面太阳电池,因可吸收光谱范围高,所以转换效率可达到39%以上,是目前转换效率了最高的太阳电池种类。而且性能稳定,寿命也相当长。不过这种电池价格昂贵,平均每瓦价格可高出多晶硅太阳电池数十倍以上,因此不是民用主流。

因为具有直接能隙及高吸光系数,而且耐反射损伤性佳且对温度变化不敏感,所以适合应用在热光伏特系统(thermophotovolaics TRV)、聚光系统(concentrator system)及太空等三个主要领域。

从2007年8月开始,砷化镓电池从卫星上的使用转变为聚光的太阳能发电站的规模应用。砷化镓高效聚光电池在国外正在被证明是低成本规模建造太阳能电站的有效途径。

(2)Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池

Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池包括碲化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜电池。

碲化镉电池具有直接能隙,能隙值为1.45eV,正好位于理想太阳电池的能隙范围内。此外,具有很高的吸光系数。成为可以获得高效率的理想太阳电池材料之一。此外,可利用多种快速成膜技术制作,由于模组化生产容易,因此近年来商业性表现较佳,CdTe/glass已经用于大面积屋顶材料。但镉污染问题是发展该薄膜电池的一项隐患。不过美国和德国已经推行CdTe太阳电池回收及再生机制,为市场注入正面力量。由于该电池制作过程耗时只有几分钟,易于快速批量生产,因此美国方面相当看好市场前景。认为未来可能超过非晶硅太阳电池占有量。

铜铟镓硒吸光范围非常广,而且户外环境下稳定性相当好。由于其具有高转换效率和低材料制造成本,因此被视为未来最有发展潜力的薄膜电池种类之一。在转换效率方面,若利用聚光装置的辅助,目前转换效率已经可以达到30%左右,在标准环境测试下最高也达到了19.5%水平,可以和单晶硅太阳电池媲美。除了适合用在大面积的地表用途外,Cu(InGa)Se2太阳电池也具有抗辐射损伤能力,所以也具有应用在太空领域潜力。经过30年发展,CIGS电池普及性仍然不高。小规模的量产阶段并未明确看到它被世人期待的成本优势。因此,如何使得太阳电池量产技术成熟化大幅降低制造成本是未来努力的课题。另一个发展方向,是发展比较宽能隙(大于1.5eV)的CIGS技术,而不会造成效率损失。发展可以制造高品质的CIGS薄膜低温制造过程,也是降低制造成本的一个重点。在低材料成本及高模组效率的市场潜力吸引下,近年来,除了Shell Solar,Wrth Solar, Showa Shell,ZSW等持续投入研发外,甚至本田也跟进生产。CIGS太阳电池发展的隐患是In及Ga的蕴藏量有限,在其他半导体及光电产业竞相使用下,可能面临目前硅材料不足的同样问题。同时,制造工艺复杂,投资成本高,因而制约市场成长;CdS具有潜在毒性的缺点,因此限制了市场发展。

柔性衬底薄膜太阳电池

美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位,其单结非晶硅锗电池实验室初始效率达到了13%,他们的技术团队参与组建了MWOE和Xunlight公司,并在积极筹划更大的产能。

日本在柔性衬底太阳电池的研究方面也走在世界前列。在日本,Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力从事柔性衬底非晶硅太阳电池的研制,已经建成了多条兆瓦量级的聚酯膜柔性电池生产线。

Sanyo公司最早在无人驾驶的太阳能飞机上采用了柔性衬底非晶太阳电池作为能源,完成了横跨美洲大陆的飞行,显示了柔性非晶薄膜太阳电池作为飞行器能源的巨大潜力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制备的非晶硅太阳电池目前已能生产面积为286cm2的组件,效率已达8.1%,小面积电池的效率已达11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe叠层电池稳定效率达到9%,在日本Kumamoto建立了工厂,塑料衬底非晶硅电池的产量2006年达15MW。

欧盟则联合其成员国的多个研究机构组织包括Neuchatel大学、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等开展了聚酯膜衬底柔性电池的联合攻关,目前已经实现了小批量的生产线。欧盟于2005年10月1日启动了''FLEXCELLENCE''项目,为期3年,目标是开发出高效率薄膜电池组件卷对卷生产的设备和工艺,建成50兆瓦以上的柔性电池生产线,并希望将生产成本控制在每瓦0.5欧元。据2007年的报道,目前Neuchatel大学的聚酯膜衬底非晶硅叠层电池实验室效率达到10.8%,VHF-technologies公司的年产能为25MW。

我国的柔性衬底薄膜电池的研究进展较慢。哈尔滨chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池,电池初始效率为4.63%,功率重量比为231.5W/kg,但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展,他们在0.115cm2的聚酰亚胺衬底上获得单结薄膜电池的初始效率为4.84%,功率重量比为341W/kg。

柔性衬底电池的产业化方面,目前天津津能电池有限公司在建6MW非晶硅柔性电池生产线,30MW生产线已经开始了项目论证,新疆天富光伏光显有限公司在建1MW非晶硅柔性电池生产线,未来准备建立8MW。这两家公司都由于设备及技术由国外进口,预计电池成本偏高。总的来说,国内目前具备了非晶硅薄膜电池研制的技术基础,但是在柔性衬底上的研究还处于刚刚起步的阶段,和国外的差距较大。 [3]

1.用户太阳能电源太阳电池片

[1] 小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧 区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;

[2] 3-5KW家庭屋顶并网发电系统;

[3] 光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

2. 交通领域

如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

卫星太阳电池板

3. 通讯/通信领域

太阳能无人值守微波中继站、卫星、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

4.石油、海洋、气象领域

石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等

太阳能路灯

5.家庭灯具电源

如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

6.光伏电站

10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。

7.服装

太阳能服装、太空服等。

华南理工大学高分子光电材料与器件研究所研究团队,在其首创并具有自主知识产权的水/醇溶性聚合物太阳电池界面调控材料与技术的基础上,通过协同创新,利用一种倒置结构实现了能量转换效率达到9.214%的聚合物太阳电池,刷新了单结聚合物异质结太阳电池能量转换效率的世界最好水平。该项成果也于近日入选2012年度“中国科学十大进展”。

该成果由国家杰出青年科学基金获得者吴宏滨教授和中国科学院院士曹镛教授所在的高分子光电材料与器件研究团队完成,他们发明的一种高效、新颖的倒置结构聚合物太阳电池,实现了9.214%的能量转换效率,这一效率得到国家光伏质检中心的独立认证。研究成果在国际著名学术杂志《NaturePho?tonics》(《自然光子学》)上发表,并被该期杂志选为研究亮点。 [4]


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