太阳能光伏电池综述.docx

太阳能光伏电池综述.docx

《太阳能光伏电池综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能光伏电池综述.docx（125页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

太阳能光伏电池综述

太阳能光伏电池综述.txt﹃根网线''尽赚了多少人的青春い有时候感动的就是身边微不足道的小事。

﹎破碎不是最残酷的最残酷的是踩着这些碎片却假装不疼痛固执的寻找﹎将来就算我遇见再怎么完美的人,都有一个缺点,他不是你,_____下辈子要做男生，娶一个像我这样的女生。

本文由zfmfns0646贡献

本文由ed4wj9d4l8贡献

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。

建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。

信息记录材料

２７　第Ｒ０年０卷

第２　期

综　

述　

太阳能光伏电池综述　

成志秀，王晓丽　

（中国乐凯胶片集团公司，保定０１５）７０４　

摘

要：

几年来，近由于能源减少和环境污染的双重压力，得光伏产业迅猛发展。

详细叙述了薄膜光伏电池使　

的发展历程、类和光伏电池的制备工艺，种以及薄膜光伏电池产业发展的瓶颈问题，并对光伏产业进行了展望。

　关键词：

太阳能；光伏效应；光伏电池；薄膜　

中图分类号：

Ｔ０　Ｋ２文献标识码：

Ａ　文章编号：

１０５２０９－６４一【０７　２－０１０　２Ｏｌ００４—７

１前言　

释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污　染的可再生能源。

这对改善生态环境、缓解温室气　

人类在２世纪面对的最大困难是什么？

答案是　体的有害作用具有重大意义。

因此太阳能电池有望　ｌ不可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重。

成为２世纪的重要新能源。

目前一些发达国家采用　　ｌ太阳能电池发出的电并人电网的措施，既能部分平　如何解决这一对难题成为困扰世界经济发展的首要　任务。

各种可再生能源的优越性日渐突出。

于是，衡高峰用电，又可省去储电的费用。

太阳能发电系　　统一般没有发电机具有的转动部件，所以也不会产　人们将目光纷纷投向了太阳。

　不容易损坏。

太阳能发电装置规模可大可　太阳时时刻刻都在向地球发送着能量，并且这　生噪音，

种能量是取之不尽，用之不竭的。

如果仅仅将太阳　小，小的可以是数瓦或数十瓦，如便携式太阳能手　发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可以高达　电筒和太阳能手机充电器，大的可以是数兆瓦或数　

１７１　千瓦，比目前全世界平均消费电力还要大　十兆瓦，例如大型发电站等。

．７×０数亿倍。

太阳能不但数量巨大，而且源于太阳的各　

种绿色能源，如：

风能、潮汐能、生物质能、水力　

２光伏电池简介　

能都属于可再生能源，只要有太阳的存在，能源就　

作为太阳能电池工作基本原理的光伏效应（ｈ－Ｐｏ　像阳光一样源源不断。

太阳能的利用有很多种，可　ｔｏａｅＥｅｔｏｌｉｆｃ缩写Ｐ）是ｌ３ｖｔ　Ｖ８９年被发现的。

由太阳　以利用光的热效应，将太阳辐射转化成热能；也可　光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光的　

以利用光的伏特效应，将太阳辐射直接转换成电能　能量转换成电能，此种进行能量转化的光电元件称为　等。

在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用成　太阳电池（ｏｒＣｌ，也可称之为光伏电池。

１５　Ｓｌ　ｅ）ａ１９４为近些年发展最快、最具活力的研究领域。

太阳能　年Ｂｌ实验室研发出第—个太阳能电池，不过由于效　ｅｌ

率太低，造价太高，缺乏商业价值。

随着航天技术的　太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接　发展，使太阳能电池的作用不可替代，太阳能电池成　产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不　为太空飞行器中不可取代的重要部分。

１５９８年３月发　

收稿日期：

２Ｏ０６—１０—１　８

电池的研究发展也日益迅速起来。

射的美国Ｖｕｄ１锄ｇａ　号上首次装设了太阳能电池。

ｒ　１８５５９年月苏联发射的第３颗人造卫星上也开始装设　

太阳能电池。

到１６９９年美国人登陆月球，这使得太阳　

作者简介：

成志秀（９７，女，工程师，主要从事膜　１一）７

林科方面的研究。

———硼　

ＲＥＶｌＥＷ　

能电池的发展达到了第１个巅峰期。

此后，几乎所有　其最大的特点是在降低成本方面有很大的优势，便　发射的人造天体上都装设太阳能电池。

加世纪７０年　于大面积连续生产等优点。

其应用市场，一是弱光　电池市场，二是功率型应用市场。

　下图是一般太阳能组件结构：

　石油供应中断，出现了“能源危机”，人们开始认识　代初期，由于中东战争，石油禁运，使得工业国家的　

到不能长期依靠传统能源。

特别是近年来地面能源面　

临的矿物燃料资源的减少与环境污染的问题，于是太　阳能电池的应用已被提上了各国政府的议事日程。

１０以后，太阳能的发展开始与民用电相结合，９年９　

“

ｇｉ—ｎｅｔ　ｈｔｏａ　ｅ”（ｒｃｎｃｄｐｏｖｌｉｓｍ与市电并联型太　ｄｏｅｏｔｃ￣ｔ

图１一般太阳能组件结构　　

Ｆｇ１Ｔｈｅｓｒｃｕｅｏ　ｏｍａ　ｏａ　ｎｒｙｉ　　　ｔｕｔｒ　ｆｎｒｌｓｌｒｅｅｇ　

阳能电池发电系统）开始推广，太阳能电池不断有新　的结构与制造技术被研发出来。

　至今太阳能电池已经发展到了第２代。

第１代　

据文献资料报导，目前太阳能电池的光电转换　率：

晶硅为２．％；晶硅为１．％；晶硅为　单４７多９８非太阳能电池包括单晶硅和多晶硅２种，工业化产品　１．％；ａｓ为２．％；ＩＳ为１．％；４５ＧＡ５７ＣＧ８８多接面串　效率一般为１％一１％，目前可工业化生产、可　叠型（ｎａ／ａｓ／ｎａｓｍｈｊｎｔｎａｄｍ３５ＩＧＰＧＡ／ＩＧＡ，ｕｉｃｏ　ｔｎｅ　ｕｉ获得利润的太阳能电池就是指第１代电池。

但是由　ｃ１３．％。

ｅ１３３　）于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较　近年来，伏电池产业发展迅速。

据２０数　光０４年高。

第２代太阳能电池是薄膜太阳能电池，其成本　据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量　的９％，８晶体硅太阳能电池占总产量的８．％，晶　４６多低于第ｌ，可大幅度增加电池板制造面积，代但是　６０５年，界太阳能　世效率不如第１。

在将来的第３代太阳能电池应该　硅太阳能电池占总量的５％。

２０代６６Ｗ其７２占　具有以下特征：

薄膜化、高效率、原材料丰富和无　电池总产量１５Ｍ，中日本仍居首位，６ＭＷ，世界总产量的４％；洲为４４Ｗ，总产量的　６欧６Ｍ占毒性。

可望实现的第３代电池效率的途径包括：

叠　５Ｍ占总产量的９；％其他２４Ｗ，　７Ｍ占层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、２％；　８美国１６Ｗ，总产量的１％。

２０７０５年，界光伏市场安装量　世热载流子电池、热离化、热光伏电池等。

　１６Ｍ，２０４０Ｗ比０４年增长３％，中德国安装最多，４其为　太阳能电池（光伏）材料主要包括：

产生光　８７，２０３ＭＷ比０４年增长５％，世界总安装量的　３占伏效应的半导体材料、薄膜用衬底材料、减反射膜　５％；７欧洲为９０Ｗ，２Ｍ占总世界安装量的６％，３日本　材料、电极与导线材料、组件封装材料等。

其中用　安装量２２，幅为１％，世界总安装量的　９ＭＷ增４占来制作太阳能电池所用的半导体材料有元素半导　２％；国安装量为１２Ｗ，０美０Ｍ占世界总安装量的７，％　体、化合物半导体和各种固体溶体。

从半导体材料　其他安装量为１６Ｗ，４Ｍ占世界总安装量的１％。

全　０使用的形态来看，有晶片、薄膜、外延片。

按化学　球光伏电池产量预测如图２所示，中纵坐标表示光　其组成及产生电力的方式，太阳能电池可分为无机太　伏发电占总发电的百分比。

图３是ＰＶ主要生产国近　阳能电池、有机太阳能电池和光化学电池３大类。

１　０年来产量变化趋势图。

据统计，０５—００年世界　２０２１按形态分可以分成块状（ｕｋ光伏电池和薄膜　太阳能电池平均年增长率在２％。

Ｂｌ）５　（ｈｎｎｎ光伏电池２大类。

Ｔｉ—ｈ）　块状（ｕｋＢｌ）光伏电池一般指晶体硅太阳能电　池，主要包括单晶硅、多晶硅。

其电池发电层的厚　

度一般在２０—５Ｂｎ之间。

其光电转化率一般为　５４０ａ１％一１％。

目前空间用的太阳能电池中单晶硅电　３５池占重要地位，在今后几十年内仍具有重要地位。

　薄膜（ｉ－ｌ光伏电池，主要包括硅薄膜型、ｈｉＴｎｆｍ）　

化合物半导体薄膜型以及新材料薄膜型。

其薄膜厚　度一般在２—３ｍ。

非晶硅太阳能电池是２ｍ０世纪　７０年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳能电池，　

图２全球光伏电池产量预测图　

Ｆｇ２Ｔｈ　ｕｐｔｆｒｃｓ　ｆ０ａ　ｈｔｖｌｉ　ｅｌｉ　　ｅｏｔｕ　　ｅａｔｏ　ｂｌｐｏｏｏｔｃｃｌａ　

啊—一

信息记录材料　．０’０１年　第８卷　第！

期　

６０ｏ　

综　

述　

电池的单体片就制成了。

单体片经过抽查检验，即　

可按所需要的规格组装成太阳电池组件（阳电池　太

５００　４ＯＯ　３ｏ０　２ｏ０　

ｌ　００Ｏ　

板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和　电流。

最后用框架和组装材料进行封装。

用户根据　

Ｉ９　９６Ｉ９　９８Ｉ９　００２０Ｉ０２２ｏ　ｏ４９５１９　９７Ｉ９　９９２０　０　ｏ　０３２ｏ　２

系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同　

的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。

目前单　晶硅太阳电池的光电转换效率为１％左右，实验　５

室成果也有２％以上的。

０　

来源：

成都证券研究所　

图３近１０年ＰＶ主要生产国家产量变化趋势　

Ｆｇ３Ｔｅｏｔｕ　ｅｄｏ　Ｖ　ｈｅ　ｎｆｔｒｇｉ　　ｈ　ｕｐｔｔｎ　ｆＰｃｉｆｍａｕａｕｉ　ｒｎ

ｃｕｎｒ　ａｙｔｎｙａｓｏＬｙｎｅｒ　ｅ　ｅｒ　

单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯　硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在　太阳能电池生产总成本中己超１２／。

加之拉制的单　晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，　

３块状光伏电池　　

块状光伏电池一般指晶体硅光伏电池，目前　是市场上的主导产品。

晶体硅光伏电池按材料形态主　要分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。

其中单　晶硅太阳电池在太阳电池中研究最早、先进入应　最用。

晶体硅光伏电池以硅半导体材料制成大面积的　ｐｎ结进行工作。

一般采用ｎ＋／ｐ同质结的结构，即　在１ｃ见方的硅片上用扩散法制作出一层很薄的　０ｍ经过重掺杂的ｎ型结，后在ｎ型结上面制作金属　然栅线，为正面电极。

在整个背面也制作金属膜，作作　为背面欧姆接触电极。

这样就形成了晶体硅太阳电　池。

为了减少光的反射，般在整个表面上再覆盖　一

一

组成太阳能组件平面利用率低。

因此，８０年代以　来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研　

制。

３２多晶硅太阳能电池　．

目前，太阳能电池使用的多晶硅材料，多半是　含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和　冶金级硅材料熔化浇铸而成。

其工艺过程是选择电　

阻率为１０～０Ｑ?

ｍ的多晶块料或单晶硅头尾　０３０ｃ

料，经破碎，用１：

５的氢氟酸和硝酸混合液进行　

层减反膜或在硅表面制作绒面。

现分述如下：

　单晶硅能太阳电池是当前开发得最快的一种太　

适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘　干。

用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放　

人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。

熔化后应保温　约２ｍｉ，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却　０ｎ后，即得多晶硅锭。

这种硅锭可铸成立方体，以便　

切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和　

３１单晶硅太阳能电池　．　

阳能电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广　

泛用于空间和地面。

这种太阳电池以高纯的单晶硅　

方便组装。

多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅　棒为原料，纯度要求９．９％。

为了降低生产成　９９９太阳电池差不多，其光电转换效率约１％左右，２　本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的　稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节　单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。

有的也可使用　约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

　半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过　复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。

　将单晶硅棒切成片，一般片厚约０３．ｍｍ。

硅片　

４薄膜光伏电池　

薄膜（ｈｎｆｍ）光伏电池，其薄膜厚度一般　Ｔｉ—ｌｉ

经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅　

。

其中包括硅薄膜型（主要包括多晶　片。

加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩　在２～３ｍ、化合物半导体薄膜型（主　散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。

扩散是在　硅、非品硅和微晶硅）

ａＳ：

Ｈ，ａＳ：

Ｈ：

Ｆ，ａＳｘ—ｉ—ｉ　－石英管制成的高温扩散炉中进行。

这样就硅片上形　要包括非结晶型（—ｉｅ—Ｘ、ＩＩＧＡ，ＩＰ等）Ｉ　、Ｉ—成ＰＮ结。

然后采用丝网印刷法，精配好的银浆　Ｇｌ：

Ｈ等）Ｉ—Ｖ族（ａｓｎ／

ＩＣｓ系Ｚ　　、新材料　印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电　Ｖ族（ｄ）和磷化锌（ｎＰ）等）极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光　薄膜型电池（主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染　子被光滑的硅片表面反射掉。

因此，单晶硅太阳能　料敏化太阳能电池。

　）

———硼　

ＲＥＶｌＥＷ　

４１多晶硅薄膜光伏电池　．　

典型硅薄膜光伏电池基本结构示意图：

射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅　烷法等。

　辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充人氢　气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电　

图４典型硅薄膜光伏电池基本结构示意图　

Ｆｇ４Ｔｅｂｓｃｓｒｃｒｅｏ　ｐｃｌＳ—ｉ　ｌＰ　ｅ　ｉ　　ｈ　ａｉｔｕｔｕ　ｆｙｉａ　ｉｔｎｆｍ　Ｖｃｌ　ｔｈｉｌ

从７Ｏ年代中期人们就已经开始在廉价衬底上　沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未　能制成有价值的太阳能电池。

目前制备多晶硅薄膜　电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉　积（ＰＶＬＣＤ）和等离子增强化学气相沉积　

（ＥＶＰＣＤ）工艺，另外还有液相外延法（ＰＥ）ＬＰ　和溅射沉积法。

化学气相沉积主要是以Ｓｌ２１、ＳＨ１、ＳＣ４ｉＣ２ｉＣ３ｉ１　或Ｓ　ｉ，为反应气体，在一定的保护气氛下反应生　ｌ成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选　用Ｓ、ＳＯ、Ｓ　　等。

但是，在非硅衬底上很难　ｉｉ：

ｉＮ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Ｌ￣ＶｔＤ在衬底上沉一层较　薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大　的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄　膜，这就是再结晶技术，目前采用的技术主要有固　相结晶法和中区熔再结晶法。

多晶硅薄膜电池除采　用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶　硅光伏电池的技术，这样制得的光伏电池转换效率　明显提高。

　液相外延（Ｐ）法的原理是通过将硅熔融在　ＬＥ母体里，降低温度析出硅膜。

　由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅　少，又无效率衰退问题，并且可以在廉价衬底材料　上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非　晶硅薄膜电池。

因此，多晶硅薄膜电池将成为薄膜　太阳能中发展速度最快的。

　４２非晶硅薄膜太阳能电池　．非晶硅太阳电池是１７９６年出现的新型薄膜太　阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作　方法完全不同，硅材料消耗少、电耗低。

制造非晶　硅太阳能电池最常见的方法有辉光放电法、反应溅　

离，形成等离子体。

非晶硅膜就沉积在被加热的衬　底上。

若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可　得到Ｎ型或Ｐ型的非晶硅膜。

衬底材料一般用玻璃　或不锈钢板。

这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取　决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温　度的要求也很严格。

　非晶硅太阳能电池有各种不同的结构，其中有　种经典的结构叫ＰＮ型，它是在衬底上先沉积一　ｉ层掺磷的Ｎ型非晶硅，再沉积一层未掺杂的ｉ，层　然后再沉积一层掺硼的Ｐ型非晶硅，最后用电子束　蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。

此种制作工　艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程　序，以实现大批量生产。

同时，非晶硅太阳能电池　很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制　造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作　多个串联电池，以获得较高的电压。

　非晶硅可以生长在很薄的不锈钢和塑料衬底　上，制备出超轻量级的太阳能电池。

这种电池具有　很高的电功　重量比，首先被用在太阳功率飞机　上，并在１９９０年完成了首次跨越美国的飞行，创　造了太阳功率飞行的新记录。

　目前，非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转　换效率偏低，国际先进水平为１％左右，且不够　０稳定，常有转换效