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摘要：太阳能电池的利用可为人类社会提供可再生的清洁能源。综述了太阳能电池的研究现状, 从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处, 并对太阳能电池的发展趋势进行了预测。
关键词：太阳能太阳能电池发展趋势
中图分类号： TK511 文献标识码： A 文章编号：
前言
随着煤、石油等一次性能源的逐渐枯竭及对环境的恶化影响，人类迫切需求对环境友好的可再生能源。目前，太阳能电池由于制造成本高、光电转换效率低，因而其应用受到了限制，但其优点及化石能源的枯竭又促使人们不断地寻找低成本、高效率的太阳能电池材料。
太阳能电池的研究现状
太阳能电池由材料分类大致可分为4类:硅太阳能电池;多元化合物薄膜太阳能电池;有机物太阳能电池;纳米晶太阳能电池。
目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。单晶硅电池己十分成熟,效率高,寿命长,在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位。单晶硅电池的最高效率已达到24.4%,而多晶硅电池的效率也已达到19.8%。但是硅电池生产工艺比较复杂,需要高温(400～2000)和高真空条件,这导致其制造成本较高;同时其成熟的技术使光电转换效率已基本达到极限值,而且其材料本身不利于降低成本。开发太阳能电池的两个关键是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜成本低,便于大量生产,受到普遍重视并得到迅速发展。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:3叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,创下新的记录;3叠层太阳能电池年生产能力达5MW。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及质量轻等特点,有着极大的潜力。
多元化合物薄膜太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)电池、碲化镉(CdTe)电池、硫化镉(CdS)电池和铜铟硒(CuInSe2)薄膜电池。砷化镓及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。在多元化合物薄膜太阳能电池中,由于GaAs电池的原料价格昂贵,且不易制备;而CdTe电池含有危险的重金属元素,对环境保护不利,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。
以聚合物代替无机材料是太阳能电池制造的方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机pn结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解液中时。光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路从还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。虽然目前聚合物太阳能电池转换效率比较低,存在载流子迁移率比较低、高的体电阻及耐久性差的问题,但如果在性能上取得进一步的突破,将其能量转换效率提高到接近无机材料的商品太阳能电池的水平,就有可能在生产实践中得到广泛的应用。
人们在新工艺、新材料、电池薄膜化等方面的探索中,纳米TiO2晶体化学能太阳电池受到国内外科学家的重视,1991年瑞士的Gratzel教授等人制备了TiO2纳米多孔膜半导体太阳电池,转换效率达到7.1%～7.9%。纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极,此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理是:染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10。寿命能达到20年以上。Muakoshi等人以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质,建立了一种固态光电池,Gratzel等用一种有机空穴导电材料代替液态电解质,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池,其单色光电转换效率达到33%,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步。
美国国家可再生能源实验室发现:纳米晶体硅每吸收一个高能太阳光光子便能产生2～3个电子,额外的电子来自蓝光和紫外光的光子,这两种光线的能量比太阳光谱中其它光线高得多。大多数太阳能电池都把这额外的能量浪费了。小的纳米晶体(量子点)具有量子力学效应,能将这些能量转化为电能。通过产生多个电子,由纳米晶体硅制成的太阳能电池理论上可以把40%以上的能量转化为电能。而目前太阳电池板的转化效率最多为20%(理论上限27.8%)。借助反射镜、透镜聚集太阳光,效率可达40%,而纳米晶体硅电池则可升至60%。因此对于光电材料的发展,纳米晶体硅极具应用潜力。
纳米晶TiO2、纳米晶硅和聚合物修饰电极太阳能电池的研究刚刚起步,技术还不成熟,还处于探索阶段,短时间内不可能替代硅系太阳能电池。
二、太阳能电池的发展前景
目前对某一种光电池材料,能利用的光能只是与其能带隙对应的光谱段。所以,对单晶硅,能量转化效率的理论极限为27.8%。太阳光中有大量的低能长波光子,目前的太阳能电池无法有效地将其转换成高能短波光子,降低了太阳能电池的效率。德国马普聚合物研究所和索尼材料科学实验室的专家通过大量试验,找到了两种新物质,即乙基卟啉白金薄膜和二苯蒽,解决了阳光中低能长波光子向高能短波光子的转换。这两种,被称为光子传递者的物质具有不同的特性,一种作为吸收长波光子的接收器分子,另一种作为发射短波光子的发射器分子。首先由接收器分子接收太阳光中的低能光子,然后将能量传递给发射器分子,由其以高能短波光子形式输出。用它们的组合结构可以得到高效率光电转换。这为太阳能全光谱利用结构的研究提供了很好的开端。
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中,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。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素,对于目前的硅系太阳能电池,要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此,今后研究的重点除了开发新的电池材料外,应集中到如何降低成本上来,现有的高效率电池是在高质量的硅片上制成的,是最费钱的部分。因此,在保证转换效率较高的情况下降低硅片的成本就显得尤为重要,也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。
结束语
在新的世纪,可持续发展已成为世界的第一大主题。太阳能对可持续发展的重要战略意义使得各国竞相发展光伏技术,促使光伏技术在近几年得到快速发展。目前,全球燃料价格上涨,而太阳能发电系统的价格却迅速下降。这为利用太阳能进一步提供了有利条件。
参考文献
[1] 梁宗存,沈辉,李戬洪.太阳能电池及材料研究[J]. 材料导报. 2000(08)
[2] 谢建生,李金华.太阳电池研究的现状与发展前景[J]. 江苏工业学院学报. 2008(03)
[3] 梁宗存,沈辉,李戬洪.太阳能电池研究进展[J]. 能源工程. 2000(04)
[4] 郝云榮.太阳能电池的研究进展[J]. 广西物理. 2008(03)
关键词：太阳能太阳能电池发展趋势
中图分类号： TK511 文献标识码： A 文章编号：
前言
随着煤、石油等一次性能源的逐渐枯竭及对环境的恶化影响，人类迫切需求对环境友好的可再生能源。目前，太阳能电池由于制造成本高、光电转换效率低，因而其应用受到了限制，但其优点及化石能源的枯竭又促使人们不断地寻找低成本、高效率的太阳能电池材料。
太阳能电池的研究现状
太阳能电池由材料分类大致可分为4类:硅太阳能电池;多元化合物薄膜太阳能电池;有机物太阳能电池;纳米晶太阳能电池。
目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。单晶硅电池己十分成熟,效率高,寿命长,在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位。单晶硅电池的最高效率已达到24.4%,而多晶硅电池的效率也已达到19.8%。但是硅电池生产工艺比较复杂,需要高温(400～2000)和高真空条件,这导致其制造成本较高;同时其成熟的技术使光电转换效率已基本达到极限值,而且其材料本身不利于降低成本。开发太阳能电池的两个关键是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜成本低,便于大量生产,受到普遍重视并得到迅速发展。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:3叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,创下新的记录;3叠层太阳能电池年生产能力达5MW。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及质量轻等特点,有着极大的潜力。
多元化合物薄膜太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)电池、碲化镉(CdTe)电池、硫化镉(CdS)电池和铜铟硒(CuInSe2)薄膜电池。砷化镓及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。在多元化合物薄膜太阳能电池中,由于GaAs电池的原料价格昂贵,且不易制备;而CdTe电池含有危险的重金属元素,对环境保护不利,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。
以聚合物代替无机材料是太阳能电池制造的方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机pn结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解液中时。光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路从还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。虽然目前聚合物太阳能电池转换效率比较低,存在载流子迁移率比较低、高的体电阻及耐久性差的问题,但如果在性能上取得进一步的突破,将其能量转换效率提高到接近无机材料的商品太阳能电池的水平,就有可能在生产实践中得到广泛的应用。
人们在新工艺、新材料、电池薄膜化等方面的探索中,纳米TiO2晶体化学能太阳电池受到国内外科学家的重视,1991年瑞士的Gratzel教授等人制备了TiO2纳米多孔膜半导体太阳电池,转换效率达到7.1%～7.9%。纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极,此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理是:染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10。寿命能达到20年以上。Muakoshi等人以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质,建立了一种固态光电池,Gratzel等用一种有机空穴导电材料代替液态电解质,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池,其单色光电转换效率达到33%,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步。
美国国家可再生能源实验室发现:纳米晶体硅每吸收一个高能太阳光光子便能产生2～3个电子,额外的电子来自蓝光和紫外光的光子,这两种光线的能量比太阳光谱中其它光线高得多。大多数太阳能电池都把这额外的能量浪费了。小的纳米晶体(量子点)具有量子力学效应,能将这些能量转化为电能。通过产生多个电子,由纳米晶体硅制成的太阳能电池理论上可以把40%以上的能量转化为电能。而目前太阳电池板的转化效率最多为20%(理论上限27.8%)。借助反射镜、透镜聚集太阳光,效率可达40%,而纳米晶体硅电池则可升至60%。因此对于光电材料的发展,纳米晶体硅极具应用潜力。
纳米晶TiO2、纳米晶硅和聚合物修饰电极太阳能电池的研究刚刚起步,技术还不成熟,还处于探索阶段,短时间内不可能替代硅系太阳能电池。
二、太阳能电池的发展前景
目前对某一种光电池材料,能利用的光能只是与其能带隙对应的光谱段。所以,对单晶硅,能量转化效率的理论极限为27.8%。太阳光中有大量的低能长波光子,目前的太阳能电池无法有效地将其转换成高能短波光子,降低了太阳能电池的效率。德国马普聚合物研究所和索尼材料科学实验室的专家通过大量试验,找到了两种新物质,即乙基卟啉白金薄膜和二苯蒽,解决了阳光中低能长波光子向高能短波光子的转换。这两种,被称为光子传递者的物质具有不同的特性,一种作为吸收长波光子的接收器分子,另一种作为发射短波光子的发射器分子。首先由接收器分子接收太阳光中的低能光子,然后将能量传递给发射器分子,由其以高能短波光子形式输出。用它们的组合结构可以得到高效率光电转换。这为太阳能全光谱利用结构的研究提供了很好的开端。
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中,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。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素,对于目前的硅系太阳能电池,要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此,今后研究的重点除了开发新的电池材料外,应集中到如何降低成本上来,现有的高效率电池是在高质量的硅片上制成的,是最费钱的部分。因此,在保证转换效率较高的情况下降低硅片的成本就显得尤为重要,也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。
结束语
在新的世纪,可持续发展已成为世界的第一大主题。太阳能对可持续发展的重要战略意义使得各国竞相发展光伏技术,促使光伏技术在近几年得到快速发展。目前,全球燃料价格上涨,而太阳能发电系统的价格却迅速下降。这为利用太阳能进一步提供了有利条件。
参考文献
[1] 梁宗存,沈辉,李戬洪.太阳能电池及材料研究[J]. 材料导报. 2000(08)
[2] 谢建生,李金华.太阳电池研究的现状与发展前景[J]. 江苏工业学院学报. 2008(03)
[3] 梁宗存,沈辉,李戬洪.太阳能电池研究进展[J]. 能源工程. 2000(04)
[4] 郝云榮.太阳能电池的研究进展[J]. 广西物理. 2008(03)