太陽能光伏電池的分類
2012/12/20 17:45:19
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、市場需求拉動和世界各國產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)，近年光伏發(fā)電快速發(fā)展，在新能源、可再生能源領(lǐng)域中一枝獨(dú)秀，將成為最有發(fā)展前景的主導(dǎo)能源和替代能源。光伏發(fā)電最基本的裝置就是光伏電池。它是利用光伏技術(shù)制作，直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件。目前，世界上最常用的光伏電池主要有以下幾種類型：
一、單晶硅光伏電池
單晶硅光伏電池是開發(fā)較早、轉(zhuǎn)換率最高和產(chǎn)量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率在我國已經(jīng)平均達(dá)到16.5％,而實(shí)驗(yàn)室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率超過了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的光伏電池采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片經(jīng)過檢測、清洗、制絨等工序后，再在表層上摻雜和擴(kuò)散微量元素硼、磷、銻等，形成PN結(jié)，即具備了電池的基本特征。為了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，需要采用Pevcd法等在硅片表面上鍍一層氮化硅減反射膜，同時(shí)還起到保護(hù)作用。然后經(jīng)過去磷硅玻璃和等離子刻蝕后，采用絲網(wǎng)印刷法，將配制好的銀漿印在硅片上做成柵線，同時(shí)制成背電極，再經(jīng)過經(jīng)過燒結(jié)工藝，就制成了單晶硅光伏電池片。
二、多晶硅光伏電池
多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產(chǎn)時(shí)間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優(yōu)勢。但是，在多晶硅材料的生長過程中,由于熱應(yīng)力的作用,會在晶粒中產(chǎn)生大量的位錯。再加上金屬雜質(zhì)和氧碳等雜質(zhì)在位錯上的聚集,會造成復(fù)合中心,使電學(xué)性能不均勻,因此大大降低少數(shù)載流子的壽命，影響光伏電池片的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅光伏電池的制造工藝和單晶硅光伏電池相差不大,所用的設(shè)備也基本相同,只是在制造多晶硅光伏電池時(shí)要盡量降低其晶界對光生載流子的復(fù)合損失。近年來多晶硅電池片研究和發(fā)展日新月異，經(jīng)過采取磷和鋁吸雜、氫氣鈍化和建立界面場等工藝措施，從而大大提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12%-15%。
三、非晶硅光伏電池
非晶硅光伏電池是用非晶態(tài)硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態(tài)硅是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當(dāng)于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化, 硅材料消耗少, 單位電耗也降低了很多。再加上它有弱光發(fā)電的優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。生產(chǎn)非晶硅電池一般采用Pecvd法，主要設(shè)備有玻璃清洗、氣相沉積、激光刻線和磁控濺射等。為了解決非晶硅光伏電池在性能上的不足，人們開始研究一種疊層光伏電池。疊層光伏電池是在已制備的PIN層單結(jié)光伏電池上再沉積一個或多個PIN子電池。 把不同禁帶寬度的材料組合在一起，從而提高光譜的響應(yīng)范圍，減少衰減和提高轉(zhuǎn)換率。目前美國公司制得的單結(jié)光伏電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13%。由于非晶硅光伏電池具有工藝簡單、耗硅材料少和成本低、重量輕、弱光發(fā)電、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為最有發(fā)展前景的光伏發(fā)電材料。
四、銅銦錫光伏電池
銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料，在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積制成的半導(dǎo)體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。制備銅銦硒薄膜電池一般采取真空蒸鍍、硒化法和化學(xué)氣相沉積法等工藝。其中，真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅銦和硒；氣相硒化法是先用蒸鍍法或?yàn)R射法在200-300度較低溫度下生成銅/銦層疊膜等，然后升溫到400-550度，在硒化氫氣體或硒蒸氣中進(jìn)行熱處理，生成銅銦硒薄膜。銅銦硒薄膜電池具有材料消耗少, 成本低, 性能穩(wěn)定和不存在光致衰退等特征。它的光電轉(zhuǎn)換效率從80年代最初8%已發(fā)展到目前的15%，預(yù)計(jì)近年銅銦硒薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%。由于銅銦硒薄膜電池具有的自身優(yōu)勢特別是光電轉(zhuǎn)換效率目前居各種光伏電池之首等因素，因而被國際上稱為未來的廉價(jià)光伏電池, 吸引了眾多機(jī)構(gòu)及專家進(jìn)行研究和開發(fā)。但銦和硒都是比較稀有的元素，制造這類電池將遇到原料制約的瓶頸因素，是投資者所必須充分考慮的。
五、砷化鎵光伏電池
砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體光伏電池。與硅光伏電池相比, 砷化鎵光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率高，硅光伏電池理論效率為23% ,而單結(jié)砷化鎵光伏電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到27%；可制成薄膜和超薄型太陽電池，同樣吸收95%的太陽光, 砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大于150μm；耐高溫性能好，200℃時(shí),硅光伏電池已不能工作,而砷化鎵光伏電池的效率仍有約10%；可制成效率更高的多結(jié)疊層光伏電池，理論計(jì)算表明:雙結(jié)砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結(jié)砷化鎵電池的極限效率為38 % ,四結(jié)砷化鎵電池的極限效率為41%。砷化鎵光伏電池目前大多用液相外延方法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，因此成本高，產(chǎn)量受到限制，再加上砷化鎵材料的價(jià)格不菲, 在很大程度上限制了砷化鎵光伏電池的普及和發(fā)展。砷化鎵光伏電池目前主要用在航天器上，是最理想的空間應(yīng)用電池。由于它轉(zhuǎn)換效率高和耐高溫，也特別適合做成聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，使其在地面應(yīng)用上得到新的拓展。
六、碲化鎘光伏電池
碲化鎘是一種化合物半導(dǎo)體,其帶隙最適合于光電能量轉(zhuǎn)換。用這種半導(dǎo)體做成的光伏電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率，目前, 已實(shí)際獲得的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術(shù)方法很多，如電化學(xué)沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉(zhuǎn)運(yùn)法、物理氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。碲化鎘光伏電池結(jié)構(gòu)簡單, 容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。因此, 碲化鎘光伏電池的制造成本較低,是應(yīng)用前景較好的一種新型光伏電池,已成為美、德、日、意等國研發(fā)的主要對象。但是有毒元素鎘對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前專家正在積極研究對策，相信在不久的將來會得到解決，從而使碲化鎘光伏電池成為未來社會新的能源之一。
七、聚合物光伏電池
聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢, 在導(dǎo)電材料表面進(jìn)行多層復(fù)合, 制成類似無機(jī)P-N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。聚合物光伏電池材料常見的有聚乙烯、聚乙炔和聚對苯撐乙烯等。真正純凈的共軛聚合物是不導(dǎo)電的。要使它們表現(xiàn)出半導(dǎo)體特征,必須通過物理摻雜等工藝對聚合物進(jìn)行離子注入，分別形成P型和N型結(jié)構(gòu)。聚合物太陽能電池一般為三明治夾心結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)電玻璃(正極)，聚合物光活性層和Al(負(fù)極)組成。當(dāng)光從某一側(cè)照射活性層時(shí)，產(chǎn)生光伏效應(yīng)形成電流。與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂、光電壓受光強(qiáng)影響波動大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體光伏電池相比,聚合物光伏電池因其分子結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計(jì)合成,材料選擇余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特點(diǎn) , 從而對大規(guī)模利用太陽能, 提供廉價(jià)電能具有重要意義。由于以聚合物制備光伏電池的研究才剛剛開始, 不論是使用壽命, 還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品, 還有待于進(jìn)一步研究和探索。
一、單晶硅光伏電池
單晶硅光伏電池是開發(fā)較早、轉(zhuǎn)換率最高和產(chǎn)量較大的一種光伏電池。目前單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率在我國已經(jīng)平均達(dá)到16.5％,而實(shí)驗(yàn)室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率超過了24.7%。這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料，純度要求99.9999%。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的光伏電池采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成光伏電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片經(jīng)過檢測、清洗、制絨等工序后，再在表層上摻雜和擴(kuò)散微量元素硼、磷、銻等，形成PN結(jié)，即具備了電池的基本特征。為了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，需要采用Pevcd法等在硅片表面上鍍一層氮化硅減反射膜，同時(shí)還起到保護(hù)作用。然后經(jīng)過去磷硅玻璃和等離子刻蝕后，采用絲網(wǎng)印刷法，將配制好的銀漿印在硅片上做成柵線，同時(shí)制成背電極，再經(jīng)過經(jīng)過燒結(jié)工藝，就制成了單晶硅光伏電池片。
二、多晶硅光伏電池
多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由于多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，因而生產(chǎn)時(shí)間縮短，制造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀，用此制作的光伏電池也是圓片，因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比，多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優(yōu)勢。但是，在多晶硅材料的生長過程中,由于熱應(yīng)力的作用,會在晶粒中產(chǎn)生大量的位錯。再加上金屬雜質(zhì)和氧碳等雜質(zhì)在位錯上的聚集,會造成復(fù)合中心,使電學(xué)性能不均勻,因此大大降低少數(shù)載流子的壽命，影響光伏電池片的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅光伏電池的制造工藝和單晶硅光伏電池相差不大,所用的設(shè)備也基本相同,只是在制造多晶硅光伏電池時(shí)要盡量降低其晶界對光生載流子的復(fù)合損失。近年來多晶硅電池片研究和發(fā)展日新月異，經(jīng)過采取磷和鋁吸雜、氫氣鈍化和建立界面場等工藝措施，從而大大提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12%-15%。
三、非晶硅光伏電池
非晶硅光伏電池是用非晶態(tài)硅為原料制成的一種新型薄膜電池。非晶態(tài)硅是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。用它制作的光伏電池只有1微米厚度,相當(dāng)于單晶硅光伏電池的1/300。它的工藝制造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化, 硅材料消耗少, 單位電耗也降低了很多。再加上它有弱光發(fā)電的優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。生產(chǎn)非晶硅電池一般采用Pecvd法，主要設(shè)備有玻璃清洗、氣相沉積、激光刻線和磁控濺射等。為了解決非晶硅光伏電池在性能上的不足，人們開始研究一種疊層光伏電池。疊層光伏電池是在已制備的PIN層單結(jié)光伏電池上再沉積一個或多個PIN子電池。 把不同禁帶寬度的材料組合在一起，從而提高光譜的響應(yīng)范圍，減少衰減和提高轉(zhuǎn)換率。目前美國公司制得的單結(jié)光伏電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13%。由于非晶硅光伏電池具有工藝簡單、耗硅材料少和成本低、重量輕、弱光發(fā)電、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為最有發(fā)展前景的光伏發(fā)電材料。
四、銅銦錫光伏電池
銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料，在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積制成的半導(dǎo)體薄膜。由于銅銦硒電池光吸收性能好，所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。制備銅銦硒薄膜電池一般采取真空蒸鍍、硒化法和化學(xué)氣相沉積法等工藝。其中，真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅銦和硒；氣相硒化法是先用蒸鍍法或?yàn)R射法在200-300度較低溫度下生成銅/銦層疊膜等，然后升溫到400-550度，在硒化氫氣體或硒蒸氣中進(jìn)行熱處理，生成銅銦硒薄膜。銅銦硒薄膜電池具有材料消耗少, 成本低, 性能穩(wěn)定和不存在光致衰退等特征。它的光電轉(zhuǎn)換效率從80年代最初8%已發(fā)展到目前的15%，預(yù)計(jì)近年銅銦硒薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%。由于銅銦硒薄膜電池具有的自身優(yōu)勢特別是光電轉(zhuǎn)換效率目前居各種光伏電池之首等因素，因而被國際上稱為未來的廉價(jià)光伏電池, 吸引了眾多機(jī)構(gòu)及專家進(jìn)行研究和開發(fā)。但銦和硒都是比較稀有的元素，制造這類電池將遇到原料制約的瓶頸因素，是投資者所必須充分考慮的。
五、砷化鎵光伏電池
砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體光伏電池。與硅光伏電池相比, 砷化鎵光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率高，硅光伏電池理論效率為23% ,而單結(jié)砷化鎵光伏電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到27%；可制成薄膜和超薄型太陽電池，同樣吸收95%的太陽光, 砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大于150μm；耐高溫性能好，200℃時(shí),硅光伏電池已不能工作,而砷化鎵光伏電池的效率仍有約10%；可制成效率更高的多結(jié)疊層光伏電池，理論計(jì)算表明:雙結(jié)砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結(jié)砷化鎵電池的極限效率為38 % ,四結(jié)砷化鎵電池的極限效率為41%。砷化鎵光伏電池目前大多用液相外延方法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，因此成本高，產(chǎn)量受到限制，再加上砷化鎵材料的價(jià)格不菲, 在很大程度上限制了砷化鎵光伏電池的普及和發(fā)展。砷化鎵光伏電池目前主要用在航天器上，是最理想的空間應(yīng)用電池。由于它轉(zhuǎn)換效率高和耐高溫，也特別適合做成聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，使其在地面應(yīng)用上得到新的拓展。
六、碲化鎘光伏電池
碲化鎘是一種化合物半導(dǎo)體,其帶隙最適合于光電能量轉(zhuǎn)換。用這種半導(dǎo)體做成的光伏電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率，目前, 已實(shí)際獲得的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.5%。碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上制造，玻璃上第一層為透明電極，其后的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極，其背電極可以是碳槳料，也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術(shù)方法很多，如電化學(xué)沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉(zhuǎn)運(yùn)法、物理氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法和噴涂法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um，而碲化鎘對于光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。碲化鎘光伏電池結(jié)構(gòu)簡單, 容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。因此, 碲化鎘光伏電池的制造成本較低,是應(yīng)用前景較好的一種新型光伏電池,已成為美、德、日、意等國研發(fā)的主要對象。但是有毒元素鎘對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。目前專家正在積極研究對策，相信在不久的將來會得到解決，從而使碲化鎘光伏電池成為未來社會新的能源之一。
七、聚合物光伏電池
聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢, 在導(dǎo)電材料表面進(jìn)行多層復(fù)合, 制成類似無機(jī)P-N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。聚合物光伏電池材料常見的有聚乙烯、聚乙炔和聚對苯撐乙烯等。真正純凈的共軛聚合物是不導(dǎo)電的。要使它們表現(xiàn)出半導(dǎo)體特征,必須通過物理摻雜等工藝對聚合物進(jìn)行離子注入，分別形成P型和N型結(jié)構(gòu)。聚合物太陽能電池一般為三明治夾心結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)電玻璃(正極)，聚合物光活性層和Al(負(fù)極)組成。當(dāng)光從某一側(cè)照射活性層時(shí)，產(chǎn)生光伏效應(yīng)形成電流。與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂、光電壓受光強(qiáng)影響波動大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體光伏電池相比,聚合物光伏電池因其分子結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計(jì)合成,材料選擇余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特點(diǎn) , 從而對大規(guī)模利用太陽能, 提供廉價(jià)電能具有重要意義。由于以聚合物制備光伏電池的研究才剛剛開始, 不論是使用壽命, 還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品, 還有待于進(jìn)一步研究和探索。