2023年太阳能电池的研究进展综述.doc

太阳能电池的研究进展综述 班级：11光电工程 学号： 姓名： 指导老师： ：太阳能电池的利用可为人类社会提供可再生的清洁能源。本文主要阐述了太阳能电池的开展历程，太阳能电池的种类，太阳能电池的现状以及开展前景。关键词：太阳能电池；太阳能电池种类；研究进展；转换效率 。 Research Result on Solar Cells and its Development Trends . Abstract:The application of solar cells can offer human society renewable clean energy．This article mainly explains the development of solar cells,the types of solar battery,actual situation of solar battery and its prospect. Key Words: solar battery; types of solar battery; actual situation of solar battery  ;transition efficiency. 引言： 古语云：“唯江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无尽，用之不竭。〞太阳能亦是这样，因此受到了人们的亲睐。在太阳能电池领域中，太阳能的光电利用是近些年来开展最快、最具活力的研究领域[1]．太阳能电池的研制和开发日益得到重视．制作太阳能电池主要是以半导体材料为根底．其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转化反响。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以无机盐的多元化合物为材料的电池；③纳米晶太阳能电池等。无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[2]．这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因.  在硅太阳能电池的本钱中,约50%~60%的造价源于硅原料，假设采用薄膜太阳能电池，在廉价衬底上沉积硅薄膜作为吸收层,40Lm厚的硅薄膜即可吸收80%太阳光， 与单晶硅和多晶硅太阳能电池中至250Lm厚的硅片相比，大幅度削减了硅原料的消耗， 本钱降低，因此硅薄膜太阳能电池成为硅太阳能电池研究的热点。相对于硅太阳能电池,CIS/ CIGS、GaAs和CdTe 薄膜太阳能电池以其低本钱、高效率、高稳定性成为人们研究最多的化合物半导体太阳能电池，但由于其制作工艺重复性差，高效电池的成品率低等原因，限制了商业化进程。染料敏化太阳能电池(DSSC)是20世纪90年代后开展的新一代太阳能电池，以其潜在的低本钱、相对简单的制作工艺和技术等优势赢得了广泛重视，但在电极材料、染料敏化剂和电解质的选择与制备等还存在一系列问题, 制约了染料敏化太阳能电池转换效率和稳定性的进一步提高。可见，要想使太阳能电池广泛应用于生活、生产中，解决太阳能电池的低本钱低效率是首要问题。 1太阳能电池开展进程  1.1第一代太阳能电池：包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池创造开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90％以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔外表织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率到达了19.8％。  1.2第二代太阳能电池：第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大规模生产。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。我国南开大学于20世纪80年代末开始研究铜铟硒薄膜电池，目前在该研究领域处国内领先、国际先进地位。其制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过12％。铜铟硒薄膜太阳电池的试生产线亦已建成。我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域其有一定的影响。  1.3第三代太阳能电池：第三代太阳电池必须具有以下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究。已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电等。虽然太阳能电池材料的研究已到了第三个阶段，但是在工艺技术的成熟程度和制造本钱上，都不能和常规的硅太阳能电池相提并论。硅太阳能电池的制造本钱经过几十年的努力终于有了大幅度的降低，但是与常规能源相比，仍然比拟昂贵，这又限制了它的进一步大规模应用。鉴于此点，开发低本钱，高效率的太阳能电池材料仍然有很长的路要走[3] 2太阳电池的种类 2.1 硅太阳能电池  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。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，但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在开展了薄膜太阳能电池，其中典型代表有以高温、快速制备为开展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层(多结)非晶硅太阳电池。  2.2多晶硅薄膜太阳能电池  通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm 的高质量硅片上制成的，这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，上世纪70年代中期人们就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。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前较成功的为化学气相沉积法:包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺。此外，液相外延法(LPE)[4]和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。  德国夫朗霍费太阳能研究所采用RTCVD法在SSP衬底上制备的太阳能电池转换效率可达8 %以上，国内的北京太阳能研究所也采用RTCVD对多晶硅薄膜太阳能电池的制备作了尝试。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.12 %。中国光电开展技术中心的陈哲艮[5]研究员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。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备，本钱远低于单晶硅电池而效率高于非晶硅薄膜电池,具有良好的开展前景。  2.3非晶硅薄膜太阳能电池  非晶硅薄膜太阳能电池由于其本钱低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到开展[6]。目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，以PECVD 法最为成熟。该法可以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过12.15 %[7]。日本中央研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为13.12 %[8]。南开大学的耿新华等[9]采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20×20cm2、转换效率为8.128%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池。由于非晶硅的光学带隙为1.7eV，使材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应[10]，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,该方面研究已取得两大进展:第一，三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率到达13%;第二,三叠层太阳能电池年生产能力达5MW[11]。  2.4 多元化合物薄膜太阳能电池  单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。与非晶硅薄膜太阳能电池相比，上述电池具有效率高、本钱低、易于大规模生产的特点。但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率也受到人们的普遍重视。Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、GaSb、GaInP等电池材料都得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.12%，首次制备的GaInP电池转换效率为14.7 %。该研究所还采用堆叠结构制备GaAs/GaSb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是GaSb。所得到的电池效率可达31.11%.铜铟硒CuInSe2简称CIS，其能隙为1.1eV适于太阳光的光电转换。另外，CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题，可用作高转换效率薄膜太阳能电池材料。主要制备方法有真空蒸镀法和硒化法。其转换效率从上世纪80年代最初的8%已开展到目前的15%左右[12]。日本松下公司开发的掺镓的CIS电池，光电转换效率已达15.13 %(面积1cm2)。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，但铟和硒都是比拟稀有的元素，不易获得。  2.5 有机物太阳能电池  有机物太阳能电池制备工艺简单(真空蒸镀或涂敷)，具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点，可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池。目前，有机太阳 能电池在特定条件下光电转换率已达9.15%[13]。1974年,K.Ghosh等制造出Al/MgPc/Ag肖脱基势垒(Schottky-barrier)光电池，对短路电流、有机染料光吸收常数、有机膜层厚度、载流子扩散长度等的关系进行了研究.A.R. Inigo 等在Polyaniline (Pani) Schottky - barrier 电池中参加CuPc 粉末,增加并拓宽了有机膜层的光吸收幅度;在CuPc单晶中掺杂I2 时，CuPc层的电导率增大3个数量级.G.D.Sharma等对金属/染料或敏化染料SnO2的Schottky- barrier电池研究发现通过对染料的敏化和提高电极的功函，势垒高度和激活能都得到了降低。染料敏化后金属/半导体界面的耗尽层宽度减小，导致近界面的电场增强，强电场迅速将激子分裂成自由电子和空穴，因而提高了电导率和整体效率;另一方面由于空间电荷密度提高而导致的耗尽层宽度收缩也可能限制有机光电池的性能。另外，入射Schottky-barrier电池光电导层的光强有很大局部被电极反射掉，降低了光电池转换效率.S.Hayashi等从共振观点出发，用SPP(surface plasmon polaritons) 激发技术改善了CuPc Schottky- barrier电池,在入射角45°的白光照射下，光电转换效率提高到原来的2.13倍。  2.6纳米晶化学太阳能电池  湿化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为电能或电能和化学能的电器件。目前最成功的是Gr¨atzel 等[14]人提出的染料敏化纳米二氧化钛薄膜为光阳极的太阳能光电池(简称为Gr¨atzel 电池) ,其光电转换效率在模拟日光照射下(AM1.5) 已达10 %.Muakoshi 等[15]以纳米二氧化钛颗粒外表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。 Gr¨atzel 等[16]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到达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。Schon 等[17]报道了通过在有机光电二极管中进行有机材料的分子掺杂可以提高光电转换效率。这种由掺杂的并五苯构成的薄膜器件的出现对高效太阳能电池的生产是一个巨大的推动。染料敏化湿化学太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶TiO2 薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及