杨玉奇

题目：..............

摘要：

长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，

不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段

随着能源日益紧缺和环保压力的不

断增大，石油的枯竭几乎像一个咒语，给人类带来了不安。何为石油等不可再生能源的替代者？各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的“新宠”，发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代已为时不远了。就太阳能发展的前景及应用做简单阐述。关键词：太阳能应用现状发展前景

一．绪论

数据显示2012年，我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势，国际竞争力愈益增强。产量持续增大，预计2012年，我国太阳能电池产能将超过40GW，产量将超过24GW，仍将占据全球半壁江山。

随着太阳能电池行业的不断发展，内业竞争也在不断加剧，大型太阳能电池企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的太阳能电池生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的太阳能电池品牌迅速崛起，逐渐成为太阳能电池行业中的翘楚！

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为 1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%

二太阳能电池的分类

1. 硅电池

Si硅，原子序数14，原子量28.0855，硅有晶态和无定形两种形式。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当中；太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：

硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的分子结构

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，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。

上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下

（1）太阳能电池的极性

硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。

2、太阳电池的性能参数

太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。

3太阳能电池的伏安特性

P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。

2 GaAs单结电池

一、砷化镓电池基本介绍近年来，太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池，然而由于原材料多晶硅的供应能力有限，加上国际炒家的炒作，导致国际市场上多晶硅价格一路攀升，最近一年来，由于受经济危机影响，价格有所下跌，但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。目前，技术上解决这一困难的途径有两条：一是采用薄膜太阳电池，二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。常用薄膜电池转化率较低，因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视。聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍，或几百倍甚至上千

倍，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。它们具有转化率高，电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。 GaAs属于III-V 族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs 太阳电池具有较好的性能。

二、砷化镓电池与硅光电池的比较 1、光电转化率：

砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

2、耐温性常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。

3、机械强度和比重砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge [锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。

三、砷化镓电池的技术发展现状 1、历程 GaAs 太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的，至今已有已有50多年的历史。1954 年世界上首次发现GaAs 材料具有光伏效应。在1956 年，Loferski J. J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性，他们指出Eg 在 1.2～1.6 eV 范围内的材料具有最高的转换效率。（GaAs 材料的Eg = 1.43 eV ，在上

述高效率范围内，理论上估算，GaAs单结太阳电池的效率可达27%）。20世纪60 年代，Gobat等研制了第1个掺锌GaAs 太阳电池，不过转化率不高，仅为9 %～10 %，远低于27 %的理论值。20 世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe 技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs 异质窗口层，降低了GaAs 表面的复合速率，使GaAs 太阳电池的效率达16%。不久，美国的HRL(Hughes Research Lab)及Spectro lab 通过改进了LPE 技术使得电池的平均效率达到18%，并实现了批量生产，开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代[4]。从上世纪80 年代后，GaAs 太阳电池技术经历了从LPE 到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，目前实验室最高效率已达到50%（来自IBM公司数据），产业生产转化率可达30%以上。

2、几项基本技术介绍 GaAs生产方式有别于传统的硅晶圆生产方式，GaAs生产需要采用磊晶技术，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多，因此，制备其磊晶圆需要特殊的机台。目前，常用于GaAs制备的技术有几种，主要有LPE 和MOVPE 等。

3、非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池。为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，国际上采用的标准条宽约1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成

型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池是20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池，与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：

1).制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作pin结构。

2).可连续、大面积、自动化批量生产。 3).非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。 4).可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。

5).薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。

三、太阳能电池结论和展望

太阳能电池拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高了太阳能电池的能量转换效率；另一方面使用较廉价的聚光透镜代替昂贵的太阳能电池大幅减少太阳能电池元件的使用数量，就可以大大 15 降低成本，显著提高太阳能电池芯片的使用率使其太阳能能量转换效率可达31%～40.7%。这两项技术在提高太阳能电池效率同时降低电池制造成本，为未来太阳能发电取代传统能源奠定一定基础，指导我们将来从事和研究方向。

不同的太阳能发电技术有不同的使用领域，各种光伏技术将长期共存于不同的细分市场，CPV技术主要应用于大规模光伏电站和太阳辐照强烈的地区。目前从太阳能电池产量来看，晶硅电池仍占据主导地位，

2009年晶硅电池占78%左右的市场份额，薄膜电池22%的市场份额。但随着聚光光伏技术进步和效率提升，建设成本将不断降低，聚光太阳能系统将是太阳能发电的又一重要选择。聚光光伏太阳能将传统的太阳能光电技术与大规模聚热太阳能发电厂结合了起来，能够极大地强化太阳能生产。CPV技术通过透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于效率极高的小光电池上，极大程度的提高太阳能电池的转换效率。通过放大太阳能，该技术有效地减少了光电池中半导体材料的用量，降低了光伏发电的成本。

对光伏转换来说，针对如上提到的光强和太阳能电池对太阳光的有效收集利用问题，那么“太阳能聚光”是一个重要的研究课题。光伏转换发电的成本主要取决于太阳能电池的制造成本，尤其是半导体材料的成本，很清楚，如果用较廉价的聚光透镜或反射镜来代替昂贵的太阳能电池大幅减少太阳能电池元件的使用数量，就可以大大降低成本，聚光比可以达到几百倍。聚光太阳能电池是[聚光型太阳能电池]+[高聚光镜面菲涅尔透镜]+[太阳光追踪器的组合，利用菲涅尔透镜把太阳光聚焦到面积更小但效率更高的多结太阳能电池上，高精度的自动追日跟踪技术提升了系统的发电量，显著提高太阳能电池芯片的使用率使其太阳能能量转换效率可达31%～40.7%。聚光型太阳能电池主要材料是[砷化镓](GaAs)，也就是三五族(III-V)材料，一般硅晶材料只能够吸收太阳光谱中400～1100nm波长之能量，而聚光型不同于硅晶太阳能技术，透过多接面化合物半导体可吸收较宽广之

太阳光谱能量，目前以发展出三接面InGaP/GaAs/Ge的聚光型太阳电池可大幅提高转换效率，三接面聚光型太阳电池可吸收300～1900nm 波长之能量相对其转换效率可大幅提升。