太阳能光伏打电池新成员

　　能节太阳能光伏打电池新成员白木周洁编译从20世纪90年代在全球变暖是否与C2排放有关的研讨获得肯定的结论之后，绿色能源的开发特别是太阳能的利用问题，便成了能源与环境科学领域最受关注的课题之一，并获得了很大的进展。

　　1晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池以薄膜晶体硅为发展趋势。

　　目前生产的太阳能电池有80%以上是晶体硅太阳能电池，其余20%主要为非晶硅太阳能电池。所有的PV系统的峰值功率（kWp）在1kW以上。大部分电池采用夹层结构，其它的结构形式如硅带型则是市场中的新品。

　　夹层型晶体硅太阳能电池的效率较高，市售模件达到12% ~16%；实验室电池的记录已达到244%，其稳定性和可靠性都相当好，室外环境下的工作寿命可超过几十年主要缺点是价格过高（4.5美元W）价格较低的其它形式仍处在研究与开发的阶段。影响价格的因素有以下几个方面。

　　目前的生产规模不够大（据估算产量每增加一个量级，成本可下降1/2）；电池制造和模件组装的工艺步骤过于复杂；高纯硅原料用量太大（生产1kWp的模件要用去20kg高纯晶体硅）从而使得夹层型晶体硅电池的成本居高不下。采用直接nba直播吧极速体育jrs_jrs直播王_极速体育NBA直播太阳能级硅原料才是解决这个瓶颈问题的最佳方案。

　　用机械切割制造硅片的工艺不仅造成原料的损耗，1000/=16.9，L=863m）计算表明，生广区自流给水可保证厂生产区用水。

　　消防用水采用并联分区给水，经水力计算，生活区、生产区的管网水压> 1.0kgf/cm2，符合国家规定的消防用水管网水压。

　　以上表明，采用并联分区给水可靠地保证了工厂生活、生产、消防用水。

　　给水流程=65.hNl35kW§t一向生活区、生产K供水//=65，||>=！35kWSi向生活区供水，生产区用自》水压技术比较适成部分区域水压过岛，部分区域水压《低5的运行，充分利用自来水水厂水压经济比较时加压不经济每年可节宙一台泵的万元4并联分区给水与集中给水的比较（见表1）5供水试验效果为确保并联分区给水的可行性，在工厂各单位的支持下，1995年2月21日和1995年8月5日进行了两次供水试验，试验用水都是生产用水。高峰期上午8：0~10：0，南门加压站压力状况为泵前0.34~0.38MPa泵后压力0. 34~0.38MPa，经现场测量各分厂、公司、处室的管道压力，结果表明分区给水完全能够满足工厂生活区、生产区用水，精铸、铸造、变压器、锻压、备料等13个分厂的水压都正常，中心计量室一带、液化站、花果山一带可采取小管道泵抽水解决。个别水压要求高的单位自备水泵。这两次试验证明了工厂生产区用自流水压（部分高区用SG80管道水泵）既经济实用又可靠地保证了工厂生产区用水，同时对职工生活用水也有利。

　　在工厂给水系统中，供水所需动力能耗费用是很大的，它在给水成本中占很大比重，并联分区给水恰好减少了动力运行费用，同时又满足了工厂生产、生活用水，每年节省电费26.5万元。另外由于生产区管网水压降低，管道折旧费也会减少，并联分区给水真正达到了节能降耗的效果。

　　容易在成品中留有应力，而且由于尺寸的限制，在制造较大的模件时，不得不采用组装和串联的办法，因而方形硅片显然优于圆形多晶硅片。多晶硅片价格较低，不过电池的转换效率比单晶硅片要低2%~ 4%.另一个问题是能耗较高。

　　对于夹层型晶体硅制造工艺的发展，本文只列举其中的两种方案。其一是在硅片上利用外延法生长出高质量的硅层（外延生长温度：500积速率：0.5m/min），实验室电池已达到高于19%的转换效率，但是工业化生产试验（如硅片基体的复用、或在玻璃基体上用激光结晶法外延生长加氢非晶硅（a-Si：H）等）所制成的电池的效率只有10% ~12%.另一个方案是在晶态基体上沉积掺杂的非晶硅层制成异质结，同时在硅片的另一面再沉积一层非晶硅形成背面场使背侧钝化，这时实验室电池可达到20%的效率。这种工艺的好处在于效率较高而且工艺相对简单已建有中间试验生产线。

　　晶体硅带和晶体硅膜（在基体上）的制造可以完全不用机械加工的方法，但是它们的研制和开发却用了大约20年的时间。这类电池的基础是由液相直接得到的多晶硅，但是必须在硅的熔点温度（一1412°C）下生成，高温限制了基体材料的选择范围，同时还存在着热应力和机械应力（因为在固液相界面附近存在着500C/cm以上的温度梯度）和生产速率较低（约18mmZnin）的问题。

　　目前用硅带制造的太阳能电池的总峰值功率已超过几兆瓦（MWp），实验室获得的效率高达14%~15.4%.不过这类模件尚未进入市场。Delaware大学的研究者用陶瓷为基体和集成方式所得到的面积为320cm2模件的效率达到9.79%的水平，可望在价格上优于传统的夹层型晶体硅模件。

　　过去几年中，膜厚小于10um的薄膜结晶硅太阳能电池受到普遍的重视，由于气相沉积时的温度较低（200 ~500C）基体可以选择玻璃、不锈钢、铝甚至塑料等材料，同时可以在沉积过程中用加氢的方法使晶体边缘钝化。因此即使晶粒尺寸小于Wm，膜的性能仍然能够满足要求。膜不但要尽可能的薄，在沉积到基体上时还要具备光散射的织构。

　　当基体是透明的导电氧化物（TCO）时，则更为必要。等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是一项有效的技术，膜厚在2~3pm时，已获得效率达10%的结果。这类电池的Voc较低（约50CmV），通过优化晶能电池组成级联电池，它们的带隙组合将很理想，据报道效率可达12%. 2非晶硅太阳能电池70年代中期，加氢非晶硅被认为是一种有前途的半导体材料，它也是第一个达到大规模生产（约20MWp）的薄膜太阳能电池材料，在可见区的吸收系数高于晶体硅，厚度可以小于1um.为了减少电荷复合造成的损失，a―Si：太阳能电池米用P征I型层（光伏打活性层）。太阳能电池用非晶硅通常用PECVD法制造，沉积面积可大于1m2.基体是复有TCO如SnO2或ZnO的导电玻璃，或者不透明的不锈钢或塑料，后者还可制成卷带。但沉积速率过低（一10nm/s）仍然是目前一个未解决的问题。非晶硅太阳能电池的主要问题是效率较低，商品模件的效率只有4%~ 8%.影响效率的主要原因是Staeblei―Wionski效应（SWE）或光诱导衰变，经过约1000h的辐照后，效率通常会出现明显的下降（经100~250°C退火处理可以恢复）。现在认为，SWE与半导体体膜中出现新的缺陷有关，但是至今没有找到有效的对策。如果用氢气稀释原料气SiH4，可以获得一定程度的改善。此外，级联或三质结电池对于SWE比较有效，这类电池的最大优点是可以通过组成中每个电池的带隙宽度来调控成品电池的性能。

　　非晶硅PV技术的优点如下：沉积温度低（200 ~300C）可以选择价廉的基体材料；易于组装成各种形式；生产时的能耗和材料品质要求较低；大规模生产时容易满足生态方面的要求等。在太阳泵和建筑集成技术中应当属于上上之选。

　　CuInSez和相关半导体材料为基础的PV电池CuInSe（CIS）和CuInGE6e2（CIGS）是光学吸收系数极高的多晶半导体材料，也是近年来太阳能电池研究的热点之一，并且已经达到中试的水平。它们都属于P型半导体通常和极薄的N型CdS膜组成异质结型器件。小型实验室电池（0.449cm2）的效率达到18.8%（吸收层厚约3um，禁带宽度约1.部分取代其中的Ga或In可以改变带隙宽度，并使Voc升高，从而优化电池的性能。用硫取代部分硒，用不含铜的材料如In（OH，S）代替CdS的研究工作也在进行之中。这类电池的另一个优点是不会发生光诱导衰变。在价格方面，可能低于晶体硅模件。ln时即可实现对可见光的完全吸收，带隙为1.45eV，是理想的太阳能电池材料。Jsc和Voc值都很高，分别达到26mA/cm2和850mV.而且CdS属于二元半导体，制造工艺相对简单得多。电池由沉积在TDO玻璃上的N型CdS和P型CdSTe组成。高度掺杂的N型CdS薄层具有光电非活性的性质，形成所需要的阻挡层。为了减少对蓝光响应的损失，要求这层膜的厚度非常薄。不过面积较大的膜会出现严重的不均匀性问题。和CIS及CIGS相似，大部分载流子产生于和N-P界面相邻的P型CdTe层，所以N-P异质结界面在这类电池中是一个关键部位，和效率、稳定性密切相关。1997年lcm2实验CdS太阳能电池的效率曾达到16%业界对它的前景一致看好，达到规模生产的厂家已超过两家。商品模件的效率可望接近8% ~9%.尽管CdTe是一种非常稳定的化合物，实际上没有毒性，但是有关生产过程中或火灾时的镉污染以及CdTe模件的再生问题，仍然有待于妥善解决。

　　4导电聚合物PV太阳能电池导电聚合物的发现，为PV电池提供了一种全新的材料，而且具有容易加工和价格低廉的优点。导电聚合物是一种有机半导体物质，它的带隙在1.5~3eV之间，符合制造光电器件的要求。它产生的电子和空穴不能像无机半导体一样自由地向异电电极移动，而是束缚在激子之中。激子中的电子和空穴在界面（最简单的界面产生于电极和导电聚合物的结合处）上分离，在外电路的作用下，空穴集合于功函数较高的电极（氧化钢锡ITO）上；电子则集合于功函数较低的电极（A1）上。电池的Voc由二者功函数之差所决定。目前的问题是，激子在导电聚合物和电极界面上的分离过程效率不高。此外，对迁移的激子起陷阱作用的杂质（如氧）的普遍存在，也是效率不高的原因之一。

　　包括电子给体和电子受体的新型导电聚合物是目前的一个研究方向，电子亲和性不同的导电聚合物的界面相当于一种异质结，可以有效地提高光激发电荷转移过程。激子的寿命很短，只有距离界面约10~的激子才能够到达，这也是影响电池效率的重要因素之一。人们正在选用相互交错的由电子给体和电子受体组成的导电聚合物，亦即通过增加器件内异质结数目的方法来解决这个问题。尽管聚合物光伏打电池的研究尚处于起步阶段，不过已经得到了一些令人兴奋的结果。如用聚合物为空穴受体（可增强对日光的吸收），在绿光和2%的日光辐照下，能量转换效率可达到7%.以钙为阳极，ITO为阴极时，Voc大于2V.对导电聚合物电池的界面进行修饰，如与金属、无机氧化物或聚合物膜的复合，合成电子给体和受体相互交错的网状聚合物，和混杂可以增强吸光能力的染料等等，都是近期聚合物太阳能电池研究与开发的方向。由于有机聚合物的价格较低，容易成型，而且通过化学修饰来改变和调控其性能的自由度远远超过无机半导体，它在未来的太阳能电池家族中无疑将占有重要的位置。

　　5染料敏化半导体太阳能电池这是1991年由瑞士的Gratzel首先设计成功的一种很有趣的太阳能电池。由覆有吸光染料的粗糙的Ti02电极、一个氧化还原电极和适当的电解质溶液组合而成。电荷传递由Ti2的导带和电解质溶液中的离子流来实现。这种方案的优点在于把载流子的产生和传递分开，从而可以减少载流子的复合率。在光强为100mW/cm2的条件下，1999年实验用电池（0.25cm2）的效率达到了10.8%的水平。不过液体电解质会带来不少问题，如电势的不稳定、对最高工作温度的限制、溶剂的蒸发等等。这类电池是光伏打电池的研究热点之一，不过目前距离商品化阶段还比较遥远。

　　太阳能电池商品模件的价格以平均每年7.5%的速度下降，在同一时间内，模件在世界范围内的产量平均每年上升约18%.这两个变化趋势在近期还会保持下去。但是如果PV技术所用的原材料的价格不能进一步降低，亦即不能进一步降低所用原材料的纯度和数量，PV技术的成本问题已成为太阳能电池发展过程中的瓶颈。目前由PV技术设备所提供的电力价格，比火电、水电或核电约高一个数量级。由于物理学的限制，价廉的PV模件的转化效率很难超过15%.如果采用扩大PV器件的受光面积的方法来提高转换效率，那么，与基体、密封、导线和支撑结构相关的成本将大幅度提高。