最新化工节能原理Word文档格式.docx
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12应化
2015年5月13日
摘要·
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前言·
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一、薄膜太阳能电池概述·
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二、薄膜太阳能电池的分类和特点·
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三、薄膜太阳能电池的基本原理和基本结构·
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四、薄膜太阳能电池的发展前景·
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五、薄膜太阳能电池的应用及产能·
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六、总结和展望·
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参考文献·
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摘要
传统的燃料能源正在一天天减少时，所产生的排放物对环境造成的危害问题也变得日益突出。
并且全球大约还有20亿人已得不到正常的能源供应。
在这个时候，整个世界都把目光投向了可再生资源，希望可以通过可再生能源来改变人类的能源供给结构，以维持今后的可持续发展。
在这些可再生资源中太阳能以其独有的优势而成为人们关注的焦点[1]。
这主要因为丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染并且人类能够自由利用的天然资源。
太阳辐射出的能量非常巨大，太阳能一般指太阳光的辐射能量：
在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。
其表面温度大概在6000K左右，接近于一个黑体。
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为23108.3kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球表面，其功率为800000亿kW，就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量，这些太阳能如果可以尽可能地被转换为电能，可以成功为最佳的替代能量来源之一。
本文阐述薄膜介绍有机太阳能电池研究的背景及历史发展情况，从器件结构、材料选择、工艺技术等方面时近儿年来研究的几种薄膜大阳能电池现状和进展做了系统综述，分析了结构、材料等对有机太阳能电池光电转化效率的影响，并讨论其发展趋势和以后的应用方向，让大家能清楚薄膜太阳能电池在未来的发展趋势。
前言
随着不可再生能源的不断消耗和日趋枯竭，能源危机日益突显，对太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能等可在生能源的开发利用，越来越引起世界各国的重视。
太阳能的光伏发电是太阳能利用的重要途径。
然而，硅系太阳能电池的成本主要消耗在价格昂贵的高纯硅材料上，其发展受到了一定的限制。
因此出现了新型非晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池。
前者光电转换率有光致衰退效应，使其性能不稳定；
而后者使用硅材料少、又无效率衰退问题，因此是硅系太阳能电池的发展方向。
但硅系太阳能电池光电转换效率的理论极限值为25％，效率提高潜力有限。
近年来，以GaAs（砷化镓）、GaSb（锑化镓）、GaInP（磷化铟镓）、CuInSe2（铜铟硒）、CdS（硫化镉）和CdTe（碲化镉）等为代表的新型多元化合物薄膜太阳能电池，取得了较高的光电转换效率，GaAs电池的转换效率目前已经达到30％。
而Ga、In等为比较稀有的元素，Cd等为有毒元素，因此，这类电池的发展必然将受到资源、环境的限制。
因此，凝聚态稳定的薄膜太阳能电池备受关注：
潜在的低成本、轻质量、柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强的竞争力。
薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。
通过进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。
当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。
薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。
但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。
为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本，来扩大薄膜太阳能的普及。
一、薄膜太阳能电池概述
随着社会的进步与发展，如今光电技术已经成为热门的学科，同时它与各种学科之间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。
例如，薄膜技术与光电子学领域的互相渗透使得光电子薄膜技术不断迅速发展，涌现了各种新型的光电薄膜器件，并且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。
对光电薄膜材料的研究和开发工作是非常活跃的，所涉及的光电薄膜材料也很丰富，这些材料主要包括：
Ge和si单晶以及以它们为基的掺杂体；
化合物半导体有：
CdS（硫化镉）、CaSe（硒化钙）、CdTe（碲化镉），ZnSe（硒化锌）、HgS（硒化汞）、HgTe（碲化汞），PbS（硫化铅），PbSe（硒化铅）、InP（磷化铟）、InAs（砷化铟），InSb（锑化铟）、GaAs（砷化镓），GaSb（锑化嫁）等。
在光（包括不可见光）的照射下，物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变化，就称为光电效应。
光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。
光电材料中光伏材料一直是研究的热点，利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转化元件，还可以制造光电池——薄膜太阳能电池。
随着世界能源的紧缺，薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且它无污染，易于大面积推广。
目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。
化合物半导体薄膜型又分为非结晶型（如a-Si：
H）、ⅢV-族（如CaAs）、II一Ⅵ族（CdS系）和磷化锌（Zn3P2）等。
以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始，已经获得了极大的发展和演化。
第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高，但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。
为降低成本，非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展，它制备工艺相对简单，易实现自动化生产，已在1980年开始实现产业化生产，但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应（S-W效应），因而阻碍了它的进一步发展。
多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点，且无光致衰减效应，因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。
另外，CIGS薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一，其光电转化效率高，性能稳定而且不会发生光致衰减效应。
本文将着重介绍非晶硅（a-Si）、多晶硅（Poly-Si）、铜铟镓硒（CIGS），（GaAs）砷化镓这几种薄膜太阳能电池。
二、薄膜太阳能电池的分类和特点
第一代太阳能电池包括多晶硅、单晶硅电池，其中单晶硅电池转换效率为16％到20％，多晶体硅电池效率为14％到16％。
目前硅基太阳能电池是全球市场的主流技术，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。
不过，由于受硅材料价格及复杂电池工艺影响，相应的太阳能电池成本价格居高不下。
第二代太阳能电池则包括各种薄膜电池，涵盖碲化镉电池（CdTe）、铜铟镓硒电池（CIGS）、非晶硅薄膜电池（a-Si）、砷化镓电池、纳米二氧化钛染料敏化电池等，目前，前三种薄膜电池已实现产业化。
1、碲化镉属于直接禁带半导体，能隙值（1.45eV）位于理想的能隙范围内，同时具有很高的吸收系数，因此是高效率的理想太阳电池材料之一。
目前工业化生产的模块效率已经达到12%（FirstSolar，2010年）。
最近，通用电气（GE）获得了创世界纪录的12.8%模块效率。
由于碲化镉材料价格相对较低，易于实现规模化大批量生产，因此具有潜在的成本优势。
近年来，碲化镉薄膜太阳能电池商业表现较佳，市场前景广阔，未来可能超过非晶硅太阳电池占有量。
2、铜铟镓硒吸光范围广，具有高转换效率和较低的材料制造成本，因此也被视为未来最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。
其实验室报道的最高转换效率达到了20.3%，可以和单晶硅太阳能电池媲美。
复杂的制造工艺以及高投资成本是其市场成长的主要制约条件。
2011年初，日本SolarFrontier公司开始了全面自动化铜铟镓硒薄膜太阳能组件的商业化量产，其生产线上的组件转换效率达到了11.6%。
但是，产品的大规模化生产以及转换效率的进一步提高，将有效降低其安装系统的系统平衡成本。
3、砷化镓的禁带较宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。
目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。
4、非晶硅太阳能电池的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强，所需的硅薄膜厚度低，生产技术成熟，可以制作大面积太阳能电池。
主要缺点是转化率低（6%-8%），而且光照一段时间后，效率还会衰减，且主要用于功率小的电子产品市场，如电子计算器、玩具等。
第三代太阳电池包括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能电池等新概念太阳能电池。
目前主要限于实验室研究，仍需大量研究工作深入探索，其产业化需待2020年以后。
从市场前景来看，薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等方面将比传统的晶体硅太阳能电池具有更加广阔的应用前景。
薄膜太阳能电池简单的制造工序以及能耗少的生产流程克服了光电转化效率相对较低以及寿命较短所带来的成本挑战。
由于采用价格相对便宜的玻璃、不锈钢等作为衬底，加之相关的电子半导体及玻璃行业已经发展成熟，这使得薄膜太阳能电池受上游原材料制约较少，使其可以非常好地控制成本和价格。
从应用环境看，薄膜太阳能电池弱光性好的特点使其能在广泛的环境下发电，因其适用各种强度的阳光，其性能受天气的影响较小，另外，由于它可承受较高的温度，其发电功率不容易受温度影响。
因此，薄膜太阳能电池的应用将十分广泛。
另外，由于薄膜太阳能电池具有便携、耐用、光电转换效率高等特点，可广泛应用于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域；
也由于使用塑料等质轻柔软的材料为基板，薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。
值得一提的是，清洁太阳能的广泛应用将同时带来下一代储能电池，尤其是在千瓦级小单元储能以及太阳能并网发电中储能调频的应用并获得广阔发展。
三、薄膜太阳能的基本原理和基本结构
无机半导体是通过掺杂微量的杂质元素（如P、N等），改变载流子浓度，从而提高电导率。
而聚合物的导电机理则更为复杂，聚合物半导体的主要特征是存在共轭键，其中σ键定域性较强，而π键电子定域性较弱。
在掺杂原子（
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