童晨 王成 舒劍

【摘 要】在跨入新千年之際，人類(lèi)將面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點(diǎn)問(wèn)題。而能源問(wèn)題將更為突出，因此，人類(lèi)要解決上述能源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽(yáng)能作為新能源，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。本文則是對(duì)太陽(yáng)能光電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及其原理和發(fā)展前景，和其光電技術(shù)的新材料，新技術(shù)進(jìn)行了探究。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能光電技術(shù) 新材料 新技術(shù)

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求也越來(lái)越大。而人類(lèi)所利用的一次性能源主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。這些化石能源是數(shù)萬(wàn)年前太陽(yáng)能輻射到地球儲(chǔ)存到生物里，歷經(jīng)萬(wàn)年的演變而形成的。這些化石能源是不可再生的，經(jīng)過(guò)人類(lèi)數(shù)千年的消耗，其儲(chǔ)存量所剩不多了。而然隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人類(lèi)生活水平的提高，人類(lèi)對(duì)能源的需求量將會(huì)增加?？傆幸惶旎茉磿?huì)被人類(lèi)消耗完，而隨其產(chǎn)生的環(huán)境污染也是人類(lèi)所面對(duì)的又一重大問(wèn)題。所以人類(lèi)，正面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

作為可再生能源核心的太陽(yáng)能，其具有能量大、易獲取、不枯竭、清潔低碳等特點(diǎn)，且來(lái)源廣泛、使用方便、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、通訊及微功耗電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。自太陽(yáng)能被問(wèn)世以來(lái)，受到各國(guó)的研究，因其優(yōu)點(diǎn)眾多，所以其在各個(gè)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，而太陽(yáng)所輻射出的大部分是光能（高能光子），這種光能可以用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電能，因而本文對(duì)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換這一技術(shù)進(jìn)行探究。

2太陽(yáng)能光電池基本原理及其結(jié)構(gòu)

2.1太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的新技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)的進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)領(lǐng)域?qū)茉吹倪^(guò)度消耗，導(dǎo)致全球能源枯竭，而太陽(yáng)能作為可再生能源的核心，被人們重視起來(lái)，其中最為突出的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，被廣泛研究。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)即使把太陽(yáng)能中的光能轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)在最為廣泛使用的就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏的基礎(chǔ)和核心，其結(jié)構(gòu)如下圖一：

它利用半導(dǎo)體材料P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)太陽(yáng)能照射到P-N結(jié)時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)的兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在P-N結(jié)的作用下空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就行成電流，這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。這一類(lèi)太陽(yáng)能電池一般由晶體硅構(gòu)成，一般把晶體硅電池稱(chēng)為第一代，薄膜太陽(yáng)能電池則是第二代的太陽(yáng)能電池它是由在廉價(jià)的玻璃，不銹鋼或塑料底上附上厚度只有幾微米的感光材料制成。硅基薄膜太陽(yáng)能電池代表了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。新技術(shù)是采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備非晶硅頂電池，采用高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣想沉積技術(shù)制備微晶硅底電池。薄膜太陽(yáng)能電池主要有硅基薄膜太陽(yáng)能電池，非硅基薄膜太陽(yáng)能電池（尤其是銅銦鎵硒薄膜），有機(jī)太陽(yáng)能電池和染料敏華太陽(yáng)能電池等形式和品種。其中多晶硅薄膜材料具有單晶硅材料的高遷移率及非晶硅材料的大面積，低成本制備的優(yōu)點(diǎn)，目前制備多晶硅薄膜的方法有：（1）低壓化學(xué)氣相沉積，（2）固相晶化，（3）準(zhǔn)分子激光晶體化，（4）快速熱退火等。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池具有成本低污染小，不衰退，弱光性能好等特點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽(yáng)能電池之首接近于晶體硅太陽(yáng)能電池，而成本只是它的1/3.其新技術(shù)是太陽(yáng)能電池的內(nèi)側(cè)電極層形成之前，先使穩(wěn)定的化合物-硅酸鹽玻璃在基板上形成薄層，通過(guò)控制這一薄層形成的條件，來(lái)控制透過(guò)內(nèi)側(cè)電極層到達(dá)其上方的光吸收層的堿性物質(zhì)的數(shù)量。使用表面光滑的陶瓷作為基板，再加上新技術(shù)，原理如圖二：

有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池則是采用低成本印刷和涂覆技術(shù)，可將活性材料負(fù)載自輕量哈柔性基質(zhì)上。多層設(shè)置相當(dāng)于兩個(gè)電池串聯(lián)。其原理圖如圖三：

太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能中最為核心的技術(shù)，被越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)所研究，而太陽(yáng)能光電技術(shù)則被運(yùn)用的越來(lái)愈廣泛，如太陽(yáng)能聚光熱發(fā)電（CSP），混合式太陽(yáng)能/氣體透平發(fā)電站，隨其的發(fā)展提高太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換率則越來(lái)越被重視。如今的新技術(shù)有太陽(yáng)能跟蹤器，增加太陽(yáng)能電池的面積，改變光伏方陣傾角，改變其轉(zhuǎn)換器件的材料。

2.2太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的新材料

作為太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的材料一般都是晶體硅為基礎(chǔ)的，晶體硅主要包括多晶硅和單晶硅，多晶硅又是加工單晶硅的原料。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球?qū)Χ嗑Ч璧男枨罂焖僭鲩L(zhǎng)市場(chǎng)供不應(yīng)求，價(jià)格也隨之上漲。人們開(kāi)始研究如何降低成本，道康寧公司稱(chēng)其名為PV1101的太陽(yáng)能級(jí)硅材料可以減少太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)對(duì)多晶硅的依賴(lài)。比如說(shuō)10t的多晶硅原料可以混合2t左右的PV1101硅材料可以形成12t左右的太陽(yáng)能用硅原料。而日本智索公司的SOG-SI技術(shù)基于四氯化硅，用鋅還原反應(yīng)生產(chǎn)多晶硅。美國(guó)的1366技術(shù)公司則是使硅電池機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新與制造工藝的改進(jìn)組合在一起，一百年使多硅晶太陽(yáng)能電池在成本課余煤炭發(fā)電相當(dāng)。1366技術(shù)公司改進(jìn)電池表面結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)體化，使硅太陽(yáng)能電池效率提高25%。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所新開(kāi)發(fā)出的一種高性能色素增感型太陽(yáng)能電池，所謂色素增感型太陽(yáng)能電池，是指在玻璃基板或塑料基板上的兩片透明電極的基板之間加入色素和電解液的電池。近年來(lái)新興薄膜太陽(yáng)能電池也是一種新材料太陽(yáng)能電池，目前薄膜光伏模塊使用的材料，如無(wú)定形硅（a-SI）、碲化鎘（CdTe）、硒化銅銦鎵（CIGS），該薄膜有助于降低成本，有通用性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)先進(jìn)，太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)所用的材料將會(huì)變得越來(lái)越普遍，越來(lái)越廉價(jià)。

3前景展望

隨著新材料和新技術(shù)的引入，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用將更加廣泛。具體變現(xiàn)有：太陽(yáng)能電池的低轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題會(huì)因?yàn)樾虏牧虾托碌募庸すに噧旱玫酱蟠蟾纳疲统Ｒ?guī)工藝而言，擴(kuò)散工序高方阻，背腐蝕工序背場(chǎng)剖光，絲印工序采用新型網(wǎng)版與擴(kuò)散工序匹配，采用一些高效材料比如PV17A等等。對(duì)于非常規(guī)工藝，RIE制絨，SE技術(shù)，MWT，Double Printing技術(shù)等等，總 之，染料敏化納米二氧化鈦薄膜太陽(yáng)能電池具有低成本、高效率等眾多優(yōu)點(diǎn)，雖然日前還存在一些問(wèn)題，但我們相信，在不久的將來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這種太陽(yáng)能電池將會(huì)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

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