光伏材料知识大全

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  光伏材料*概述

  光伏材料又称太阳电池材料,只有半导体材料具有这种功能。太阳能光伏发电技术是集半导体材料、电力电子技术、现代控制技术、蓄电池技术及电力工程技术于一体的综合性技术是当今新能源发电领域的一个研究热点。

  随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加,以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗,能源危机成为世界各国共同面临的课题。与此同时,化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展甚至威胁人类生存的严重障碍。新能源应用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一,它分布广泛,可再生,不污染环境,是国际上公认的理想替代能源。光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一种环境友好并能有效提高生活标准的新型发电方式,光伏发电技术正在全球范围内逐步得到应用。

  光伏材料*分类

  一般,可做太阳电池材料的材料有单晶硅多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。

  光伏电池是按材料分类的,主要分五类:

  硅太阳能电池

  硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

  多元化合物薄膜太阳能电池

  多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

  聚合物多层修饰电极型太阳能电池

  有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。

  纳米晶太阳能电池

  纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的,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。

  有机太阳能电池

  有机太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。

  光伏材料*工作原理

  光伏材料能产生电流是因为光生伏特效应,即如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收,具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前,将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离,将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多,电流越大。界面层吸收的光能越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。

  光伏材料*光伏效应实质

  光伏效应是指光照射到半导体P-N结上产生可输出功率的电势差的现象

  过程包括:电子吸收光子能量产生电子空穴对,内建电场作用下电子空穴对分离,电子空穴相向运动到端电极输送到负载 。

  光电流:漂移电流,扩散电流

  光伏材料*发展历程

  1 第一代光伏发电材料

  当前,太阳能光伏电池材料主要有晶体硅材料,晶体硅包括单晶硅,多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的光伏发电材料,高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工工艺基础上。目前,单晶硅电池工艺已近成熟,提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在光照充足的最佳角度,单晶硅电池的光电总转换效率可以达到 20%~24%。多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料,多晶硅光电池的转换效率最高达 18.6%,明显不如单晶硅。为适应光伏市场需求的持续稳定增长,太阳能电池企业不得不以较高的价格购买半导体级硅来生产光伏电池,这无疑增加了光伏产业的成本,制约了光伏产业的发展。随着光伏产业的进一步发展,多晶硅的需求量会越来越大。非晶硅太阳电池具有独特的优势:材料和制造工艺成本低、易于形成大规模生产能力。a-Si 太阳电池易于实现集成化。各种功率、输出电压、输出电流的器件都可以设计制造出来,可以较方便地生产适合不同需求的多种产品。a-Si 太阳电池光吸收系数高、暗电导量低,适合制作手表电池、计算器电池等低功耗电源;a-Si 膜的硅网结构力学性能结实,适合在柔性的衬底上制作轻型的“大电池”;a-Si 太阳电池的制造方法灵活多样,可以制造建筑集成的电池,适合户用屋顶电站的安装。非晶硅电池将发展为太阳能电池的主要产品之一,有很好的市场前景。

  2 第二代光伏发电材料

  第二代太阳电池的核心是一种可粘接的薄膜。这种薄膜的优势:一是可以大批量、低成本地生产;二是能更好地利用太阳能。该薄膜的表面呈绒面结构,在显微镜下观察,如同锉刀表面一般,粗糙的表面突起部分就像一座座小小的金字塔。当阳光照在这种薄膜上,光线斜射入电池内,经过各斜面不同角度的折射后,光线又会从电池板的背面反射回表面,大部分光线还能再次从表面反射回电池内,如此多次反复,使光线在电池内的传播路线大大加长。实验证明,光在这种电池内的传播路线是在表面光滑的电池体内所传播路线长度的 25倍,可大幅度地提高光能的利用效率。以纳米TiO2为主的薄膜太阳电池,因其工作原理独特,生产成本低廉而引起了世界广泛关注。纳米晶太阳电池(Nanocrystalline SolarCell)采用的是无机-有机复合体系,有效地把纳米技术与太阳电池结合。首先采用无机纳米粒子制备多孔的薄膜,然后在薄膜的微孔中修饰有机染料分子或无机半导体粒子作为光敏剂,光敏剂吸收入射光后产生电子—空穴对,通过半导体颗粒使电荷转换效率提高,制备工艺简单,其制作成本仅为单晶硅电池的1/5,具有明显的价格优势。作为一种低成本的太阳电池,在军事和民用方面具有很大的应用价值。纳米晶太阳电池更展现了太阳电池新的发展方向。

  3第三代光伏发电材料

  物理学家正试图寻找全新的途径研制新的太阳能电池,他们设想在单晶硅中掺入一些杂质,有意形成晶体内的缺陷,以利用这些缺陷导致额外的光电势能。这样也许可以提高光子电流,但却会丢失一部分开路电压,因此要应用全新的材料。从理论研究看,在阳光集中辐照时,利用希泽光电效应可能达到的光电转换效率的极限值为63.2%,但只有使用理想的材料才能达到。若使晶体结构中形成的缺陷能准确无误地出现在所需要的地方,实际上也很难做到。德国科学家正在进行这方面的实验,他们在单晶硅中掺入稀土金属元素铒(Er)来制造太阳电池,以测试它对转换效率可能产生的影响。理论上讲,太阳电池的最高转换效率可以达到95%,但实际上最多也仅能达到85%。对于研究太阳能的科学家们来说, 能够在现今已取得的光电转换效率最好纪录(24.8%)的基础上,哪怕是取得小的进展都是了不起的成果。现在如果用一种单一的太阳电池能达到30%的转换效率,那也是太阳电池技术发展的一个重大突破。

  光伏材料*研究现状

  • 单晶硅、多晶硅太阳电池目前研究的主要任务是在提高效率同时如何进一步降低成本

  • 多晶硅薄膜电池既有晶硅电池高效、稳定、资源丰富、无毒的优势,又具有薄膜电池低成本优点,成本远低于单晶硅电池,成为国际上研究开发热点,国外发展比较迅速,在未来地面应用方面将是发展方向

  • CIS,C IGS,C dTe电池被认为未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池

  光伏材料*发展趋势

  现今市场上的太阳能电池模块有95%以硅为原材料,其中有60%为多晶硅,30%为单晶硅,预计这一现状还将持续一段时间。对未来太阳能发电系统的发展而言,如何降低电池模块的成本是关键,是因为它占据了发电系统成本的60%,而模块成本中的20%取决于硅原材料成本,所以,如果保持如今的趋势发展下去,则原材料硅的短缺终将成为制约太阳能发展的瓶颈。

  1.改善原有的制备工艺并开发新工艺,提高硅原料的产量

  目前有研究报道了一些新的工艺方法:熔融析出法(Vapor to Liquid Deposition,VLD)和熔硅提纯法(Molten Silicon Refinement)。在VLD法中,将三氯氢硅(SiHCl3)和氢气(H2)一起注入1500 ℃的石墨管中,形成硅熔融沉积,沉积速度比传统西门子方法快[10]。未来的研究将开发更多新工艺,提高硅的产量。

  2.开发新材料和新技术,降低硅的使用量

  通过重新评估材料技术并使用新的电池技术以提高能源效率,从而尽可能降低单位能量所消耗的硅,同时通过扩展设备和引入新的制备工艺来努力提高生产能力。

  3.第3代高效光伏电池具有潜在前景

  第1代晶体硅太阳电池对材料的需求限制了成本降低的潜力,长期以来人们一直试图用薄膜太阳电池取代第1代电池,然而,薄膜太阳电池的转换效率是要解决的主要问题,此外,薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须要达到大规模应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究等方面来看,太阳电池的光电转换效率还可以有很大提高,薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。第3代光伏电池主要是要解决电池能量的损失问题,第3代电池的理论概念及其工艺方法成为了太阳能电池研究领域的最前沿问题,若第3代光伏电池能够获得成功,将会对整个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡献。