太阳能电池材料

太阳能电池材料

摘要：太阳能可以转换为热能、电能和化学能，是可再生能源，而且不产生任何的环境污染。太阳能利用研究是现在能源研究的热点，其中太阳能的光电利用已经显示了很好的发展势头。太阳能利用的关键问题是需要发展新材料。多晶硅薄膜太阳能电池就是近年来太阳能电池的研究的主导，而且多晶硅薄膜也是一种很好的新材料。本文简单地介绍了太阳能电池研究现状和对多晶硅薄膜太阳能电池材料进行了简单的分析，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

关键词：材料 太阳能利用 太阳能电池 多晶硅

1、引言

经济的发展离不开能源的支持，但现在世界上的能源越来越少。据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过95年。面对即将到来的能源危机，全世界认识到必须采取开源节流的战略。开源就是开发“绿色能源”，这是解决能源危机的重要途径。太阳能、地热能、风能、海洋能、核能以及生物能等存在于自然界中的能源被称作“可再生能源”，由于这些能源对环境危害较少因此又叫做“绿色能源”。其中，近年来人们对太阳能材料的研制和利用，已显示了积极有效的作用。这一新型功能材料的发展，既可解决人类面临的能源短缺，又不造成环境污染。尽管太阳能材料的成本还较高和性能还有待进一步提高，但随着材料科学的不断进步，太阳能材料愈来愈显示了诱人的发展前景。但可以预见，太阳能材料将扮演更为重要的角色。在太阳能的有效利用当中，大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。本文简单地综述了太阳能电池研究现状及其材料分析，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

2、太阳能电池研究现状

太阳能是很好的“绿色能源”，不产生任何的环境污染又是可再生能源。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦，从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦，太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。虽然近年来我国太阳能电池相关的技术研发取得了突破，但是，与国外相比可能还存在一些差距，主要表现在技术水平、产业和市场发展等方面。

比如，几种典型太阳电池的实验室最好效率都比国外要低，我国单晶硅、多晶硅的实验室效率分别为19.8%、16.5%，而国外的分别为24.8%和19.8%。

3、太阳能电池材料分析

多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶硅。

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浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100~300欧姆.cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，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，加入适量硼硅，放入浇铸炉，在真空状态中热化。熔化后的英保温约20min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，既得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳能电池片，可提高材制利用率和方便组装。

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（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,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、SiO2、Si3N4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在衬底上沉炽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，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，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太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国

Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能方面的报道还未见到。

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能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，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

4、太阳能电池的发展趋势

中科院院士褚君浩在接受记者采访时曾表示，除了单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池外，第三代太阳能电池是一些新概念、新结构的电池，如染料敏化电池、有机薄膜电池、纳米结构电池等，这些电池在未来10年将根据其稳定性、效率和成本情况先后进入市场。 中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国介绍说，高效、低成本的有机/无机复合纳米半导体柔性太阳能电池是目前国际前沿研发热点之一。以微米不锈钢带为衬底的柔性非晶硅薄膜太阳能电池,具有重量轻、抗冲击、可弯曲、易安装以及应用领域宽等多方面的优点。

展望太阳能电池的未来，总的来说：薄膜化、高转换效率、原材料丰富、无毒性和低成本是理想的第三代太阳能光伏电池，这是人们追求的目标。

5、结论

以上就与太阳能电池材料的发展状况进行了概述。总的来看，太阳能利用的水平,最终取决于太阳能材料的发展水平。新材料、新工艺的出现，可进一步提高人类利用太阳能的水平，也可以为未来的能源危机做好准备。

参考文献：

[1] 宋力昕, 章俞之. 太阳能利用及太阳能新材料发展状况[J]. 21世纪太阳能新技术,

2003.

[2] 李奇, 陈光巨, 李戬洪. 材料化学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[3] 建军, 刘金霞. 太阳能电池及材料研究和发展现状[J]. 浙江万里学院学报, 2006，9

（5），8~11.

[4] 梁宗存, 沈辉, 李戬洪. 太阳能电池研究进展[J]. 能源工程, 2000（4），8~11.