太阳能电池历史及发展趋势

太阳能电池历史及发展趋势
前言
1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池,效率为6%。自此开启了太阳能电池的新纪元。硅系太阳能电池已从单晶,多晶硅发展到非晶硅,从块状发展到薄膜,实现第一代到第二代的的转换。
20世纪后期,各种化合物薄膜电池兴起,呈现欣欣向荣的局面。碲化镉,砷化镓,铜铟镓硒如雨后春笋般地登上舞台。
有机物薄膜电池也不甘寂寞,在沉寂了数年之后也焕发出勃勃生气。
21世纪注定是太阳能利用的新世纪。那么,在诸多太阳能电池中,究竟哪些会脱颖而出,或者说占主导地位呢?未来的太阳能电池市场格局又会是怎样的呢?以下就是我的分析。
2 太阳能电池的简单分类
太阳能电池按照吸收层所用的材料可以分为无机太阳能电池,有机太阳能电池和光化学太阳能电池。
无机太阳能电池又可分为块状太阳能电池和薄膜太阳能电池。块状太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅太
阳能电池。薄膜太阳能电池包括硅薄膜和化合物半导体薄膜太阳能电池两类。硅薄膜电池分为多晶硅和非晶硅薄膜,化合物半导体薄膜电池主要包括砷化镓,硫化镉、碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池。
电动汽车噪音有机太阳能电池可分为两类,一类为P-N结结构有机太阳能电池,包括单质结结构、异质结结构和混合异质结结构有机太阳能电池。另一类就是近十几年来研究较多的染料敏化纳米晶太阳能电池。
3 各种太阳能电池的优劣
3.1 无机块状太阳能电池
3.1.1 单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是最早实现商业化的一种太阳能电池,商业光电转换效率为16%~20% 。原料硅来源丰富,它的结构和生产工艺已定型, 产品已广泛用于空间和地面。但用作太阳能电池的不是普通的硅,而是99.9999%的高纯硅。硅的提纯工艺复杂, 电耗很大, 在太阳能电池生产总成本中己超过了1/2。另外,目前冶炼的时候多用煤炭作为燃料,且用改良西门子法提纯硅时会产生大量的硅氯化合物,如果处理不当,将会造成很大的污染,这种情形在中国尤其严重。
3.1.2 多晶硅太阳能电池
多晶硅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。因此成本相对单晶硅来说要小,污染也降低了,但随之而来效率也降低了,商业转换效率大概在12%~13% 。
3.2 无机薄膜太阳能电池
由于高纯多晶硅价格飙升,使得晶体硅电池价格上涨,为薄膜太阳能电池带来了行业机会。薄膜太阳能电池,由于所用材料远远少于块状太阳能电池,所以成本要远低于块状太阳能电池,当然砷化镓太阳能电池除外。
3.2.1 多晶硅薄膜太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池一般采用气相沉积法制备。它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电池。
3.2.2 非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜光伏电池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、电耗低能,一般用辉光放电法、反应溅射法等制备。它能够在较低的温度下直接沉积在廉价衬底上,有大幅度降
低成本的潜力,适合用于建筑光伏一体化以及大型太阳能并网发电系统,但光电转换效率偏低, 国际先进水平为10%左右, 且不够稳定, 常有转换效率衰降的现象。因而非晶硅薄膜电池的发展受到制约。
3.2.3 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池
为了寻单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池,以解决硅系材料普遍存在的冶炼硅污染问题。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟镓硒薄膜电池等。
上述电池中,尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代物。
3.2.4 砷化镓太阳能电池
GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为1.4eV,正好为太阳光高吸收率的值,与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。但这种电池制备主要采用MOVPE和LPE技术,因此成本较高。由于镓比较稀缺,砷有毒,此种太阳电池的发展也受到影响。
3.2.5 铜铟硒、铜铟镓硒太阳能电池乌灵参
铜铟硒太阳能电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。它是一种多晶薄膜结构,为直接带隙材料,一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备,材料消耗少,成本低,性能稳定,光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的太阳能电池。
铜铟镓硒太阳能电池简称CIGS,是在铜铟硒太阳能电池的基础上,以镓取代部分的硒而制成。由于镓的掺入,使得带宽在1.0—1.7eV连续可调,适于太阳光的光电转换,另外,这种电池也不存在光致衰退问题。制备方法主要有共蒸发法和溅射后硒化法。目前最高效率已达到19.9 % ,商业转换效率也达到了13%—15%左右。CIGS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,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这两类电池的发展又必然受到限制。
无机薄膜电池尽管大大节省了电池材料,但在商业化时也面临了一些难以解决的问题:沉积薄膜的速率慢,薄膜晶粒尺寸小,沉积的温度较高,少数载流子的扩散长度较短。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,但要真正与块状电池抗衡还有很长的一段路要走。
3.3 有机太阳能电池
3.3.1 P-N结结构有机太阳能电池
P-N结结构有机太阳能电池其实在1958年就已经问世了,科学家们观测到了200 mV的开路电压,光电转化效率低得让人都不好意思提,与硅电池相比,起步之初就高下立判哪。所以一直以来发展缓慢。目前已从单质结结构、异质结
结构发展到混合异质结结构有机太阳能电池。即便是混合异质结结构,最高效率也只有  6.5%左右。另外,有机太阳能电池稳定性及其寿命都不太好。但不可否认的是,它具有无机太阳能电池无法比拟的巨大优势,即成本低廉,工艺简单,可用印刷的方法大幅度降低成本;能制成各种各样形状,可用于一些曲面物体。因此,如果能解决好效率和寿命问题,有机太阳能电池前途将不可限量。
3.3.2 染料敏化太阳能电池
完全不同于传统硅系结太阳能电池的装置,染料敏化太阳能电池的光吸收和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的,光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的染料来完成,半导体仅起电荷分离和传输载体的作用,它的载流子不是由半导体产生而是由染料产生的。染料敏化纳米晶太阳能电池具有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。因此,染料敏化太阳能电池具有广阔的发展前景,将在太阳能民用化浪潮中起到重要的作用。
3.4 叠层太阳能电池
由于太阳光光谱的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中比其禁带宽度值高的光子。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样结构的电池就是叠层太阳能电池。
叠层太阳能电池主要有多元化合物叠层太阳能电池,非晶硅叠层太阳能电池,染料敏化叠层太阳能电池。
多元化合物叠层太阳能电池代表性的有GaInP2/GaAs双结叠层太阳电池,光转换效率已达25.7%;CdS/CdTe叠层太阳能电池,国内最高效率为13.38%;CGS/CIS叠层太阳能电池,报道效率达到33.9%。
非晶硅叠层太阳能电池中的典型是a-Si/poly-Si,效率已达13.3%,且未发现电池性能随光照而衰退。
染料敏化叠层太阳能电池由两个光电池组成,前面的电池吸收太阳光中的高能紫外和蓝光,利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子-空穴对。波长在绿光到红光之间的光被Grtzel 敏化二氧化钛电池吸收,
这两个电池连接起来提供电压。新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、价格低、制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。
叠层太阳能电池的设计难题在于要寻两种晶格匹配良好的半导体晶体,另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。这是一种新的思路,一般来说能比单结太阳能电池效率更高,性能更好,在成本增加不大的情况下是一种可取的途径。
4 目前太阳能电池的市场格局及新动态
各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98%,晶体硅太阳能电池占总产量的84. 6%,多晶硅太阳能电池占总量的56% 。块状晶体硅占据约93%的市场份额,薄膜电池占据7%的市场份额。
4.1 硅薄膜、非晶硅薄膜叠层太阳能电池
United Solar是以掺锗的三层结构(a-Si/a-SiGe/a-SiGe Triple Junction)、以可挠式的不锈钢金属基板为主力产品,模组效率最高可达8.5% 。
日本Kaneka 2007年以48MW a-Si的产量成为薄膜太阳能电池第三大生产商。日本SHARP的薄膜主力产品是a-Si/μc-Si的堆叠式(tandem)产品,2007年
产量为21MW,为薄膜太阳能电池厂商第五大,也是前十大薄膜太阳能电池厂商中唯一商业化量产销售a-Si/μc-Si堆叠式产品的厂商。
BP Solar公司是世界著名的从事多晶硅薄膜电池产业化开发的公司,目前中试线生产的电池组件效率已达8.5%,生产成本约在1.95美元/Wp,并正在生产1平方米面积的组件。
4.2 铜铟硒、铜铟镓硒太阳能电池
德国的Wurth Solar目前已可制出效率达11.0%的CIS太阳光电模组,2007年产量15MW。美国的Global Solar Energy Inc.能制备出效率达10%的CIGS太阳能电池,2007年产量4MW。Honda Seltec、Showa Shell Solar、Nanosolar等大公司也在CIGS太阳能电池领域进行大规模投资。
4.3 染料敏化太阳能电池
2007年底英国的G24 Innovations宣称已可量产染料敏化太阳能电池(dye sensitized solar cells,DSSC),为有机染料类太阳能电池中量产化的先驱厂商。G24 Innovations于2007年10月建立了DSSC30MW的试产线,生产线具有在不到3小时的时间内制造长约1/2英里(约800m)的太阳能电池的能力,速度为每分钟4m以上,然而推测其商业化模组产品转换效率仅为3%,但是该公司将通过大量生产来降低制造成本,凭藉降低每瓦的发电成本与现有的太阳能电池竞争。
4.4 碲化镉太阳能电池
不同于其它薄膜技术竞争者众多的局面,CdTe薄膜太阳能电池的供给为单一厂商美国First Solar独大,原先对于镉毒性的忧虑限制了CdTe技术投入者的意愿,现在由于First Solar的成功经验与股价高涨,使得CdTe技术的潜力也开始受到重新检视与关注。美国的First Solar 2006年产量为60MW,为全球第13大太阳能电池制造商,2007年产量激增至200MW,年成长率达233%,成为全球第五大太阳能电池制造商。First Solar 2007年的平均模组制造成本仅为$1.23/W 。
5 未来太阳能电池市场格局预测
下面我将上述太阳能电池在目前情况下做一个系统的比较,见表1:
最高转换效率制造能
成本材料来
供求2000工艺成
熟性
污染可靠性
单晶硅24.7 最大最大丰富很成熟最大最好无机块
状光伏
电池
多晶硅18 大大丰富成熟大好
多晶硅薄膜16 较小较小丰富比较成
较小好
非晶硅薄膜12 小小丰富比较成
较小不好
杭州行知中学碲化镉15 小小比较丰
富比较成
大一般
公交站台
无机薄膜光伏电池
铜铟镓硒 19.9 小小不太丰
富比较成
较小一般
根据以上的介绍和表1的对比,我们可以得出以下合理的推想:
1)单晶硅和多晶硅太阳能电池虽然能耗大,污染大,但由于技术成熟,光电转
换效率高,性能稳定,将在相当长的时间内在太阳能电池市场格局中占据主导地位。当然其所占比重会逐年下降。
2)多晶硅薄膜太阳能电池在长波段具有高光敏性,能在廉价的衬底上制备,成
本远低于单晶硅电池, 而效率高于非晶硅薄膜电池,又具有与晶体硅一样的光照稳定性,被公认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。因此多晶硅薄膜太阳能电池将会作为硅系材料的改良者和继承者,为维持硅系材料的长时间的主导地位作出贡献。但现阶段由于技术上还不太成熟,未来几年内在薄膜电池领域的竞争中将处于劣势。
3)非晶硅薄膜太阳能电池成本较低,污染较小,尤其是弱光性能好,电压高,
使其在阴雨天气或光照不足的地区能大展身手,这是其他晶硅电池所不能的。
但由于效率偏低,且有光致衰退效应,故而市场占有率不会太高。然而a-Si/poly-Si叠层太阳电池却兼具非晶硅和多晶硅的特长,没有光致衰退现象,这必将在薄膜电池市场占据一席之地。
4)碲化镉薄膜太阳能电池虽然成本低,工艺简单,但由于碲元素稀有,镉元素
剧毒,市场占有率会很小,但在近十年内的薄膜太阳能市场中将占据一席之地。不过在市场上存在不会太久。
5)砷化镓薄膜太阳能电池高温性能好,效率非常高,且具有相当稳定的性能,
将在国防及航天方面发挥巨大的作用。但由于镓为稀有元素,砷剧毒,制备成本高昂,因此在民用方面很难有市场。
6)铜铟镓、铜铟镓硒薄膜太阳能价格低廉、性能稳定,效率较高,未来20年将
在薄膜太阳能电池领域占据重要的位置。但由于铟镓都为稀有元素,故而未来市场占有率较小,在市场上存在的时间也不会太长。
7)有机太阳能电池具有无机太阳能电池无法比拟的优势,即成本非常低廉,材
料来源丰富,工艺简单,可用印刷的方法大幅度降低成本;柔韧性好,可用于一些曲面物体。不过目前效率较低,寿命较短,技术还很不成熟,离商业化还有一段路程要走。但随着技术的进步,相信效率和寿命问题会得到解决,长远来看,将会成为民用市场的主导。
8)染料敏化太阳能电池具有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。因此,染料敏化太阳能电池具有广阔的发展前景。但由于技术还不太成熟,未来十年市场占有率会居于其他主流薄膜太阳能电池之下,长远来看,将在太阳能民用化浪潮中与有机混合异质结太阳能电池一起居主导地位。
染料敏化叠层太阳能电池具有更高的效率,必将成为染料敏化太阳能电池系列中重要的一员。
崇文门新世界店庆6小结

本文发布于:2023-06-23 15:48:32,感谢您对本站的认可!

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