能源概论报告Word格式.docx
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在当今社会，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，一直作为研究和利用的热点，长盛不衰。
太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，是来自太阳的辐射能量。
人类利用太阳能虽然已有3000多年的历史,但把太阳能作为一种能源和动力加以利用,却只有不到400年的历史。
植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。
煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。
尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为499,400,00,000焦。
地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；
即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
1.2利用现状
为了更好的实现的太阳能的综合利用，人们探索出了多种利用技术。
太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。
它主要分为两类：
把太阳辐射能转换成热能并加以利用属于太阳能热利用技术；
利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能能转换成电能称为太阳能光伏技术。
1.2.1太阳能热利用
太阳能热利用具有广阔的应用领域,但最终可归纳为太阳能热发电和建筑用能,包括采暖、空调和热水。
当前太阳能热利用最活跃，并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。
此外，在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。
下面简单介绍两种太阳能热利用技术：
（1）太阳能热水器
热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。
国际上,太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展.目前热水器产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减少热量损失。
目前在提高集热器效率的研究领域,主要在以下几个方面取得了较大进展：
（a）透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究
（b）真空管太阳能热水器的研究
（c）热管式真空管太阳能热水器的设计研究
（d）应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究
下图1为全息太阳能聚光器，能够会聚更多的太阳光，极大提高热水器的效率。
图1全息太阳能聚光器示意图
太阳能热水器是我国可再生能源领域中产业化发展最成功的范例。
到2006年，我国太阳能热水器年产能已超过1800万
，使用总量已达到9000万
，占世界的60%。
（2）太阳能热发电
目前,太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是:
①30～80MW聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术（简称抛物面槽式）;
②30～200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术（简称塔式）;
③7.5～25kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术（筒称抛物面盘式）。
除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外,太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。
1.2.2太阳能光伏技术
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。
独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置,主要用于无电网的边远地区和人口分散地区,整个系统造价很高；
在有公共电网的地区,光伏发电系统与电网连接并网运行,省去蓄电池,不仅可以大幅度降低造价,而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。
目前,太阳能光伏发电的研究重点在开发高效率、低成本新型太阳能电池方面。
主要包括非晶硅太阳能电池和微晶硅迭层薄膜电池的实验型研究。
（a）非晶硅太阳能电池
非晶硅是一种很好的太阳能电池材料,成熟的非晶硅太阳电池具有较高的稳定性,效率已达到8%。
随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低,柔性衬底非晶硅太阳电池,已经应用于一些实际领域。
由于柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率,轻便,柔韧性强等优点,所以在光伏建筑一体化,特别是在城市遥感用平流层气球平台,军用微小卫星,空间航天器等应用中极具优势。
（b）晶硅叠层薄膜电池
晶体硅薄膜电池之所以得到普遍的重视是由于它将晶体硅电池工艺优点和薄膜电池的优势有机的结合起来,从单结叠层电池到多结叠层电池,电池的稳定转化效率会明显增加。
但晶体硅薄膜电池存在着一个问题:
与其它薄膜电池材料不同,硅是非直接半导体,为了最大限度地吸收和转换太阳光谱,通常需要较厚的活性层。
这样就需要薄膜电池工艺采取有效的限光措施以弥补硅片厚度减薄后所造成的光谱损失和快速的沉积技术。
因此,只有薄膜电池衬底成本和薄膜沉积技术成本低于晶体硅成本时,它才能在经济上是可行的,衬底和沉积技术的经济型研究也因而成为目前薄膜电池研究的重点。
1.3发展前景展望
随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用将被推到新的高度。
至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决，将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。
随着越来越多的国家和有识之士的重视,太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。
（1）提高太阳能热利用效率有望获得突破
目前,世界范围内许多国家都在进行新型高效集热器的研制,一些特殊材料也开始应用于太阳能的储热,利用相变材料储存热能就是其中之一。
开发更为高效的相变材料将会成为未来提高太阳能热利用效率研究的重要课题。
（2）太阳能建筑将得到普及
太阳能建筑集成已成为国际新的技术领域,将有无限广阔的前景。
太阳能建筑不仅要求有高性能的太阳能部件,同时要求高效的功能材料和专用部件。
如隔热材料、透光材料、储能材料、智能窗（变色玻璃）、透明隔热材料等,这些都是未来技术开发的内容。
（3）新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破
光伏技术的发展,近期将以高效晶体硅电池为主,然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳能光电池的发展。
薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能电池具有生产材料廉价、生产成本低等特点,随着研发投人的加大,必将促使其中一、二种获得突破,正如专家断言,只要有一、二种新型电池取得突破,就会使光电池局面得到极大的改善。
2、太阳能电池技术及特点综述
目前，全球太阳能电池主要以硅半导体太阳能电池为主，2012年占全球光伏市场的90%。
下面将简要叙述各种太阳能电池的技术发展现状及特点。
2.1晶体硅太阳能电池技术特点
晶体硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳能电池是发展最快、最稳定、转化效率最高、一直以来占据太阳能电池市场主导地位的硅基太阳能电池。
单晶硅太阳能电池以纯度为99.99%的高纯硅作为生产的原材料，原材料的范围较广，主要有导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料等，以及半导体用不合格的单晶硅。
单晶硅太阳能电池多用于光照时间短、光照强度小、劳动力成本高的区域，如航空航天领域等。
虽然单晶硅太阳能电池转换效率最高，但对硅的纯度要求高，且工艺复杂和材料价格等因素致使其成本较高，应用受限。
多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池而生产的多晶硅等材料。
与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，是太阳能电池主要产品之一。
随着长晶技术和多晶硅太阳能电池制备技术的不断改进，近年来多晶硅太阳能电池的转换效率得到了大幅提高。
据报道，实验室小尺寸硅片，通过采用不同的加工处理工艺，其转换效率高达19.8%、20.3%。
。
在商业化方面，挪威ＲEC公司与荷兰能源研究中心（ECN）制造出转换效率为17%的多晶硅太阳能板。
2.2薄膜太阳能电池技术特点
2.2.1非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比，具有吸光率高、重量轻、工艺简单、低成本和低能耗等优点，但是转换效率偏低，转换效率随时间而衰退。
在美国ＲCA实验室Carlson和Wronski的共同努力下，第1块非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕。
目前，非晶硅薄膜太阳能电池正在进入显著的技术进步和规模化应用阶段。
西班牙巴塞罗那大学的Villar.F等在温度低于150℃的条件下利用HWCVD方法制备出转换效率为4.6%的非晶硅薄膜光电池。
日本三菱重工（MHI）制成了世界上面积最大的高效非晶硅薄膜太阳能电池（1.4m×
1.1m），其转换效率达到8%。
2.2.2染料敏化太阳能电池
1991年，瑞士Gratzel研究组利用钌多吡啶配合物染料作为光敏化剂，敏化纳米晶二氧化钛（TiO2）薄膜电极作为电池的光阳极而制备成染料敏化太阳能电池（Dye-SensitizedSolarCell，DSSC），转换效率达7.9%，这一发明引起了世界轰动。
图2是染料敏化太阳能电池工作原理示意图。
1993年，Griitzel教授发表论文指出N3染料将DSSC的效率提高到10%。
这种电池的成本很低，根据试算，仅是硅电池的1/5～1/10。
除此之外，该电池还具有原材料丰富、无毒环保、制作工艺简便等特点。
图2燃料敏化太阳能电池工作原理示意图
人们还尝试用TiO2以外的金属氧化物混合电极代替TiO2电极来提高太阳能电池性能。
Tenna-kone等人用SnO2与大宽带隙的ZnO或MgO，AlO的复合材料做电极，获得了较高的光电转换效率。
之后，Graetzel和其他研究者也证实了这一结果。
2.2.3碲化镉薄膜太阳能电池
CdTe薄膜太阳能电池属于化合物燃料电池的一种，具有成本低、转换效率高且性能稳定的优势，是技术上发展较快的一种薄膜太阳能电池。
制备CdTe薄膜太阳能电池主要的工艺有丝网印刷烧结法、近空间升华法（CSS）、真空蒸发法、电沉积法、溅射法等。
CdTe薄膜太阳能电池的具体结构如下图3所示，其包括玻璃衬底、背接触层、CdTe吸收层、窗口层等。
图3碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图
CdTe是闪锌矿结构的半导体材料，能隙1.45eV，接近太阳能电池的最佳能隙位置（~1.5eV）。
CdTe具有很高的光吸收系数，1μm厚的CdTe可以将太阳光中大于禁带宽度的辐射能吸收99%以上，因此很适宜制作太阳能电池。
目前CdTe薄膜太阳能电池的转化效率最高可以达到16.5%。
CdTe电池的主要缺点在于电池里含有相当数量的有毒元素Cd，有可能对环境造成污染，一旦进行市场化，所引起的安全和环保问题需要引起高度重视。
此外尽管CdTe电池的稳定性优于α-Si电池，但是有研究认为CdTe薄膜电池也存在一定的稳定性问题。
2.2.4铜铟镓硒薄膜太阳能电池
在各种薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒薄膜太阳能电池由于材料有近似最佳的光学能隙、吸收率高、抗辐射能力强和稳定性好等特点，被国际上称为最有希望获得大规模应用的太阳能电池之一，受到了广泛的关注。
2010年8月，德国太阳能和氢能研究中心（ZSW）研究的CIGS太阳能电池的光电转化率达到20.3%。
在产业化组件转换效率方面，2010年12月，CIGS薄膜太阳能电池板制造商MiaSol研发的大面积生产组件（面积为1m2）效率达到15.7%，是商业规模薄膜组件中已证实的最高效率。
采用柔性衬底也是CIGS薄膜电池的发展趋势之一。
2011年5月，瑞士联邦材料科学与技术实验室EMPA在PI衬底上制造出转化效率为18.7%的柔性CIGS电池。
IslamMM等人研究了AZO（Al∶ZnO）薄膜窗口层厚度对CIGS太阳能电池光电性能的影响，研究表明:
当AZO窗口层厚度为400nm时，CIGS太阳能电池光电性能达到最优，转换效率可达17.2%
3、薄膜太阳能电池技术实例
本章将通过举薄膜太阳能电池技术具体实例--铜铟硒薄膜太阳能电池（CIS电池）来探讨它的技术特点，从而更清晰的凸显出薄膜太阳能电池的优势和独特之处。
铜铟硒薄膜太阳能电池与2.2.4节提到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池本质上是很相近的。
3.1CIS及CIS薄膜太阳能电池介绍
CuInSe2是一种典型的I-III-VI族化合物半导体材料，具有黄铜矿相和Cu-Au立方相两种结构，其中黄铜矿相结构如下图4所示：
图4CIS黄铜矿相结构示意图
从结构上来看，如图4所示，黄铜矿相可以看成是两个闪锌矿结构的CuSe和InSe上下叠合在一起，只不过上下两个闪锌相结构中的Cu跟In的原子位置进行了对调。
CIS薄膜太阳能电池的性能受薄膜成分影响很大，包括CIS中固有Cu/In
比例和同族元素取代量如Ga/（In+Ga）和S/（Se+S）。
高转换效率的CIS电池一般需要制备体成分稍微贫Cu的CIS吸收层，尤其是在CIS表面形成一层比较薄的富In层。
CIS薄膜太阳能电池的典型结构如图5所示。
电池使用钠碱玻璃作为基底
材料，钠碱玻璃来源广泛、价格低廉。
另外，钠碱玻璃中的Na+离子进入CIS
吸收层能够改善电池的光电性能。
钠碱玻璃上依次制备厚度为1μm左右的Mo层作为背电极和1~2
的CIS作为吸收层。
然后是两层ZnO作为窗口层，分别是i-ZnO和n-ZnO，i-ZnO是高阻的，主要是用来保护CdS、防止漏电流，n-ZnO是用Al、In等对ZnO进行掺杂，以形成超低电阻的上电极，n-ZnO的电阻率将直接影响到电池的短路电流。
图5CIS薄膜太阳能电池的典型结构及性能参数
CIS吸收层与CdS缓冲层之间存在相互扩散过程，这种相互扩散在一定程度上对电池性能有所裨益。
3.2CIS的性质特点
CuInSe2薄膜的电学性质强烈依赖于组分。
如图6所示，Se/M和CuIn是影响电学性质的主要参量,M是CuIn。
电阻率从富Cu到富In由
提高到
富Cu的CuInSe2薄膜虽然是p型的,但却不能用于制备太阳能电池。
许多不同的本征缺陷存在于黄铜矿结构中,对太阳能电池的性能有重要影响。
CuInSe2材料最重要的一个特征是存在电中性的缺陷对
形成能很低,是电学非激活的,可补偿成分偏离化学比的影响,从而即使CuInSe2薄膜的成分与化学比有比较大的偏离时,也一样可以得到高转化效率的电池。
图6CuInSe2电学性质和成分的关系
由于CuInSe2的能隙相对较低，为1.04eV，但可以通过同族元素取代来调节能隙到最佳太阳光谱吸收位置。
其中同族元素取代包括III族元素取代如Ga、Al取代In和VI族元素取代如S取代Se等。
理论上，对CuInSe2进行一种或多种同族元素取代后，能隙可以由1.04eV变化到1.53eV（CuInS2）、1.68eV（CuGaSe2）或2.53eV（CuGaS2）。
一般来说，进行同族元素掺杂能够有效地提高电池的转换效率，所以Ga/（In+Ga）和S/（Se+S对于CIS吸收层具有很重要的影响。
但并是高能隙就对应高转换效率，事实上，对于CuInSe2、CuInS2和CuGaSe2三种材料而言，以它们作为吸收层制备的电池的最高转换效率分别是14.5%、9.5%和11.1%，目前研究较多并且取得最高转换效率的是用Ga部分取代In。
3.3CIS薄膜制备技术简介
3.3.1一步电沉积法制备CIS薄膜研究
物质在阴极上析出的电位，是该物质的沉积电位，又称析出电位。
不同的
金属，其沉积电位也不同。
沉积电位较高的金属将优先在阴极上沉积出来。
多
元合金共沉积时，要求它们的析出电位必须相近。
但沉积电位接近的金属尚属
少数，通常我们可以采用改变反应物离子浓度和添加络合剂的方法，来改变某
个或某几个金属的析出电位，达到共沉积的目的。
本方法在电解液中加入柠檬酸
钠，就是要降低Cu2+的浓度，使Cu和In的沉积电位尽量接近。
另外，由于
In元素的沉积电位远低于Cu和Se的沉积电位，可以预计共沉积的CIS薄膜中In元素含量可能偏低。
由于In3+在沉积过程中并没有得到电子，而且其含量过量很多，因此我们可以将三元素共沉积的情况考虑成为在Cu2+和SeO2二元溶液的情况下加入In
3+的电解液的电沉积过程，In3+主要是伴随着Cu和Se的化合物的沉积进行的；
而且由于溶液中In3+成分过量，这样就可以通过调整溶液中Cu2+和SeO2
的比例来控制最终的沉积结果。
这里我们定义
=
，J代表相应元素的扩散通量，是单位时间内通过单位横截面积的粒子数量，也是衬底表面沉积到的元素的数目（忽略从衬底表面脱落的情况）。
根据Vedel等人的理论，在溶液中存在过量In3+的情况下，如果沉积电位低于-0.2V（vs.SCE），阴极反应的过程可以通过下面的反应式表达：
图7阴极反应方程式
从上面的反应式可以看出，当α=2时，将生成单一的CIS。
如果α<
2，将在薄膜沉积过程中产生过剩的Cu2Se，而当α>
2时，将会产生过剩In2Se3。
3.2溅射Cu-In合金层硒化法制备CIS薄膜
金属预置层硒化法是一个多步骤过程，首先是要制备金属预置层，一般是层叠的金属层或合金层，然后是在硒气氛中进行退火处理以制备CIS薄膜。
制备金属预制层的主要方法有蒸发法、溅射法和电沉积法。
在本技术中采用先进的溅射法。
当金属预置层是层叠的Cu/In金属层时，一般认为交替层叠的Cu/In硒化后薄膜表面更平滑、结晶性更好。
固态源硒气氛一般是在退火过程中通过加热元素硒粉提供，其优点是来源广泛，成本低廉，是目前所常用的方法。
近来，也有研究者使用液态的二乙基硒来作为硒源对Cu-In和Cu-In-O金属层进行了硒化退火，效果不错。
硒化温度一般在300℃~500℃之间，在高硒化温度下有可能形成
Mo2S，硒化时间则取决于金属预置层的厚度、结构及成分。
下表中列出了不同硒化温度和硒化时间下薄膜中的Se的含量，以考察硒化温度和时间对Se进入Cu-In合金层的影响。
使用XRF方法测量了薄膜的成分。
表1硒化过程中薄膜中Se原子含量随硒化温度和时间的变化
当硒化时间固定为60分钟，而硒化温度由230℃升高到460℃的过程中，薄膜中Se的原子百分比是一直增加的。
值得指出，在硒化温度超过400℃时，薄膜中Se的含量超过50%，这说明在薄膜中形成的物相不仅仅是Cu2Se和In2Se3，有部分过量的Se是以其它的物相存在。
而当硒化温度较低时，即使硒化时间较长，薄膜中Se的含量也达不到50%，这说明Se扩散进入Cu-In合金层是有温度限制的，太低的硒化温度将造成薄膜硒化不够完全。
当硒化温度固定为460℃时，可以看到，当硒化时间仅仅是15分钟时，薄膜中Se的含量就已经接近50%，这说明高的硒化温度对于硒扩散进入Cu-In合金层有很大的促进作用。
另外，当硒化时间达到120分钟时，薄膜中Se的含量较之60分钟是减少的，这说明在持续的硒化过程中，薄膜中物相发生了变化，造成了过量部分Se的损失。
4、总结思考
太阳能作为一种取之不尽用之不竭的绿色能源，近些年来得到了广泛的关注和应用。
在太阳能薄膜发电部分，相关的研究很多还处于初步阶段。
虽然CIS电池在国内研究还很少，但它与其他类型的太阳能电池相比具有显著优势。
这种电池的优势体现在:
吸收系数高；
晶粒尺寸大；
工作寿命长；
原材料消耗少；
输出电流大。
尽管它存在着材料性质易变、原材料难于制备，成本昂贵、溅射法易造成原材料浪费等缺点，但是不可否认的是溅射法制CIS太阳能薄膜电池具有着广阔的发展前景。
假以时日，它的主要缺点被克服后，一定会在世界范围内引起太阳能电池领域的革命。
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