| 2.4 染料敏化 TiO2纳米薄膜太阳电池
1991年瑞士Gratzel教授以纳米多孔TiO2为半导体电极，以Ru络合物作敏化染料，并选用I2-/I3-氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TiO2 纳米薄膜太阳电池（DSC）。DSC具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10%以上[6]。缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响。染料敏化TiO2纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视。发表论文，环保理念。。目前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点。
2.5 第三代太阳能电池
新南威尔士大学队太阳能电池中能量损失机理进行了研究，他们发现造成太阳电池的能量损失主要是热损失。光生载流子对很快将能带多余的能量以热的形式损失掉；另一主要的能量损失是由电子-空穴对的重新结合引起的；还有一部分能量损失是由PN结和接触电压损失引起的。为减少热损失，设法让通过太阳能电池的光子能量刚刚大于能带能量，使得光子的能量激发出的光生载流子没有多余的能量可以损失;为减少电子-空穴结合所造成的损失，设法延长光生载流子的寿命，消除不必要的缺陷;减小PN结的接触电压损失，可聚集太阳光，加大光子密度的方法来实现。基于以上分析，提出了第三代太阳能电池的概念。第三代太阳能电池主要有前后重叠电池、多能带电池、热太阳能电池、热载流子电池、和冲击离子化太阳能电池或量子点电池等[12]。
表一太阳能电池的发展[12]
Table 1 Three generations of solar cells
| 发展阶段 |
材料类型 |
光电转换效率 |
特征 |
| 第一代太阳能电池 |
单晶硅 |
15%-24.7%（UNSW） |
光、电、力学性能均匀，造价高，工艺成熟，商品化 |
| 多晶硅 |
12-20% |
铸锭成型，性能稳定，成本较低，产业化程度高 |
| 第二代太阳能电池 （薄膜技术） |
非晶硅（a-Si） |
6%-16.6% |
吸收系数较高，节省硅材料。但存在光致衰退效应 |
| 多晶硅(poly-Si) |
10%-11% |
良好的长波吸收特性 |
| 铜铟(镓)硒CIS/CIGS |
11%-19.2% |
廉价、高效、稳定、电池良品率低，未产业化 |
| 碲化镉CdTe |
16.5% |
高校、稳定、廉价，镉为有毒物质 |
| 砷化镓GaAs |
25.7%-30% |
高温下有较高的光电转化效率，用作航天系统 |
| 染料敏化 |
11% |
效率低、不稳定、便宜 |
| 有机聚合物 |
2%以下 |
成本低、可弯曲、面积大、毒性小、实验阶段 |
| 第三代太阳能电池 |
叠层、多带隙、碰撞离化、热载流子、热光伏 |
50%以上 |
实验阶段 |
3 太阳能电池材料的关键问题
3.1 硅原料
制造太阳能电池材料的禁带宽度应在1.1eV-1.7eV之间，以1.5eV左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率，材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产。开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低成本。太阳光能转换过程中的损失主要在热损失，以及电子与空穴的复合，再就是pn结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善。据理论预测，其转换效率可达到40%以上[4]。现有的太阳能市场中，高纯度的太阳能级硅是必有可少的一个因素，硅材料供应量短缺或过分的供不应求的问题已经成为影响太阳能行业各个产业链的“瓶颈”。长期以来，太阳能电池制造商都在购买IC制造商的“边角废料”，即利用硅锭的末端部分，有缺陷的以及其他的废料。这种方式一直运作良好到太阳能电池产业开始以每年20%的速度增长。硅材料供应的严重不足制约了电池与组件制造商扩产容量，无法满足全球光伏市场需求。这一状况阻碍了行业增长与经济规模的扩大，使市场不能为消费者提供较低的产品。这种严重的形式，甚至使太阳能安装商无法保证最基本的组件需求量[13]。
作为太阳能电池材料的硅的供应日益紧张,业界对有助于降低成本的硅用量削减技术也加大了开发力度。减少硅用量的方法包括:将硅底板厚度减小、减小与硅底板厚度差不多的切割损失、减少单晶硅与非晶质硅界面生成过和碳等杂质的技术、制作面积大而薄的非晶质硅薄膜层的技术、为减少电池表面反射制作凸凹均匀电池表面的技术。京瓷开发出可将硅底板厚度减小30%左右的技术以及可将硅用量减少至目前1/5的“球状硅太阳能电池”的开发计划。Clean Venture 21 等数家公司也在开发球状硅太阳能电池。
3.2 薄膜技术及原料
随着硅能源的紧缺,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。但是薄膜光伏电池不仅存在块状光伏电池产业化发展中遇到的普遍问题，还存在着现有薄膜技术无法达到以下要求：沉积薄膜的速率在每分钟1μm以上；沉积的温度在600℃以下；薄膜的厚度在10μm以下；成长的晶粒大小在1μm以下；少数载子的扩散长度超过10μm[10]。所以虽然电池的薄膜技术已经被人们广泛接受,被认为是最具有潜力的方式。但是目前为止仍然没有任何一种技术可以进入产业化。另外,由材料来源看,由于III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备,即使它们所制备的太阳能电池转换效率很高,将来也不可能占据主导地位。而其他薄膜类电池还处于探索阶段,短时间内不可能替代硅系太阳能电池。
3.3 第三代太阳能电池的发展
根据理论计算，太阳的热动力学转换效率限为93%，如果无限增加电池层数目，电池的理论效率可达86.8%。当突破单结器件的概念，集合堆垛电池具有不同的能带间隙，可以运用低维纳微结构材料，超晶格、多层膜，及量子阱、量子线、量子点的特殊性能，以及半导体的杂质工程和能带工程，人工制造出高效、低价、使用的光伏材料及器件[15,16]。基本原理是设法使光子的能量刚好高于电池能带，当光子通过使用多层电池时，每层电池的能带都不同，最高能带的电池位于最高位置，往下能带依此减小。随着能带降低，被吸收的光子能量可以得到很好的过滤，能量高的光子被能带高的电池吸收，能量低些的光子被能带低的电池吸收有效地提高了太阳能电池的效率。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有纳米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会拥有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。
参考文献：
1稻盛和夫，梅原猛，回归哲学--探求资本主义的新精神[M],上海,学林出版社,1996。
2李红波，俞善庆，太阳能光伏技术及产业发展，上海电力[J]，2006（4）：331-337。
3藤井修一，兼子俊彦，柘植隆，白泽胜彦，京瓷株式会社，太阳能电池组件[P]，中国专利，CN2.X
4成志秀，王晓丽，太阳能光伏电池综述，信息记录材料[J]，2007（2）：41-47。
5张耀明，中国太阳能光伏发电产业的现状与前景，新能源与新材料[J]，2007（1）：1-6。
6王建军，刘金霞，太阳能电池及材料研究和发展现状，浙江万里学院学报[J]，2006（5）：73-77
7倪萌，MKLeung,KSumathy，太阳能电池研究的新进展，可再生能源[J]，2002（2）：9-11。
8徐慢，夏冬林，杨晟，薄膜太阳能电池，材料导报[J]，2006（9）：109-111。
9沈辉，闻立时，简论发展我国太阳电池及多晶硅产业，科技导报[J]，2006（24）：8-10。
10徐立珍，李彦，秦锋，薄膜太阳电池的研究进展及应用前景，可再生能源[J]，2006（3）:9-12。
11.张明杰，李继东，陈建设，太阳能电池及多晶硅的生产，材料与冶金学报[J]，2007（1）：33-38。
12钟金德，金属/氧化物、半导体/氧化物多层膜的研究，大连交通大学硕士学位论文[D]，2006。
13王文静，硅材料紧缺对太阳能电池产业链有利有弊，新材料产业[J]，2006（10）：10-11。
14孙洪福，汤华娟，王承遇，刘鸣，玻璃基片硅薄膜太阳电池的制备与研究现状，材料导报[J]，2003（17）：184-186。
15YoshihiroHamakawa,SolarPVEnergyConversionand21stCentry’sCivilization,12thInternationalPhotovoltaicScienceandEngineeringConference[N],JEJUKorea,2001。
16C.Lenuzza,M.HylandandM.J.Carter,PhaseFormationandDepthDependenceCu(In,Ga)Se2ThinFilmCellsProducedbyStackedElementalLayerProcessing,13thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConference[N],October,1995:1946.
2/2 首页 上一页 1 2 |
