光伏电池的几种类型

随着科学技术进步、市场需求拉动和世界各国产业政策的引导,近年光伏发电快速发展,在新能源、可再生能源领域中一枝独秀,将成为最有发展前景的主导能源和替代能源。光伏发电最基本的装置就是光伏电池。它是利用光伏技术制作,直接将太阳能转换为电能的光电元件。目前,世界上最常用的光伏电池主要有以下几种类型:

一、单晶硅光伏电池

单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池。目前单晶硅光伏电池转换效率在我国已经平均达到16.5,而实验室记录的最高转换效率超过了24.7%。这种光伏电池一般以高纯的单晶硅硅棒为原料,纯度要求99.9999%。为了降低生产成本,现在地面应用的光伏电池采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成光伏电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成硅片, 硅片厚度一般在180-220um左右。硅片经过检测、清洗、制绒等工序后,再在表层上掺杂和扩散微量元素硼、磷、锑等,形成PN结,即具备了电池的基本特征。为了防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉,需要采用Pevcd法等在硅片表面上镀一层氮化硅减反射膜,同时还起到保护作用。然后经过去磷硅玻璃和等离子刻蚀后,采用丝网印刷法,将配制好的银浆印在硅片上做成栅线,同时制成背电极,再经过经过烧结工艺,就制成了单晶硅光伏电池片。

二、多晶硅光伏电池

多晶硅光伏电池是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程,因而生产时间缩短,制造成本大幅度降低。再加之单晶硅硅棒呈圆柱状,用此制作的光伏电池也是圆片,因而组成光伏组件后平面利用率较低。与单晶硅光伏电池相比,多晶硅光伏电池就显得具有一定竞争优势。但是,在多晶硅材料的生长过程中,由于热应力的作用,会在晶粒中产生大量的位错。再加上金属杂质和氧碳等杂质在位错上的聚集,会造成复合中心,使电学性能不均匀,因此大大降低少数载流子的寿命,影响光伏电池片的转换效率。多晶硅光伏电池的制造工艺和单晶硅光伏电池相差不大,所用的设备也基本相同,只是在制造多晶硅光伏电池时要尽量降低其晶界对光生载流子的复合损失。近年来多晶硅电池片研究和发展日新月异,经过采取磷和铝吸杂、氢气钝化和建立界面场等工艺措施,从而大大提高了光伏电池的转换效率。目前,工业化生产的多晶硅电池转换效率达到了12%-15%

三、非晶硅光伏电池

非晶硅光伏电池是用非晶态硅为原料制成的一种新型薄膜电池。非晶态硅是一种不定形晶体结构的半导体。用它制作的光伏电池只有1微米厚度,相当于单晶硅光伏电池的1/300。它的工艺制造过程与单晶硅和多晶硅相比大大简化, 硅材料消耗少, 单位电耗也降低了很多。再加上它有弱光发电的优势,因而被广泛应用于电子计算器、电子钟表及复印机等方面。生产非晶硅电池一般采用Pecvd法,主要设备有玻璃清洗、气相沉积、激光刻线和磁控溅射等为了解决非晶硅光伏电池在性能上的不足,人们开始研究一种叠层光伏电池。叠层光伏电池是在已制备的PIN层单结光伏电池上再沉积一个或多个PIN子电池。 把不同禁带宽度的材料组合在一起,从而提高光谱的响应范围,减少衰减和提高转换率。目前美国公司制得的单结光伏电池最高转换效率为9.3%,三叠层电池最高转换效率为13%。由于非晶硅光伏电池具有工艺简单、耗硅材料少和成本低、重量轻、弱光发电、适应性强等特点,将成为最有发展前景的光伏发电材料。

四、铜铟锡光伏电池

铜铟硒光伏电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料,在玻璃或其它廉价衬底上沉积制成的半导体薄膜。由于铜铟硒电池光吸收性能好,所以膜厚只有单晶硅光伏电池的大约l/100。制备铜铟硒薄膜电池一般采取真空蒸镀、硒化法和化学气相沉积法等工艺。其中,真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜铟和硒;气相硒化法是先用蒸镀法或溅射法在200-300度较低温度下生成铜/铟层叠膜等,然后升温到400-550度,在硒化氢气体或硒蒸气中进行热处理,生成铜铟硒薄膜。铜铟硒薄膜电池具有材料消耗少, 成本低, 性能稳定和不存在光致衰退等特征。它的光电转换效率从80年代最初8%已发展到目前的15%,预计近年铜铟硒薄膜电池的转换效率将达到20%。由于铜铟硒薄膜电池具有的自身优势特别是光电转换效率目前居各种光伏电池之首等因素,因而被国际上称为未来的廉价光伏电池, 吸引了众多机构及专家进行研究和开发。但铟和硒都是比较稀有的元素,制造这类电池将遇到原料制约的瓶颈因素,是投资者所必须充分考虑的。

五、砷化镓光伏电池

砷化镓光伏电池是一种Ⅲ-V族化合物半导体光伏电池。与硅光伏电池相比, 砷化镓光伏电池光电转换效率高,硅光伏电池理论效率为23% ,而单结砷化镓光伏电池的转换效率已经达到27%;可制成薄膜和超薄型太阳电池,同样吸收95%的太阳光, 砷化镓光伏电池只需5-10μm的厚度,而硅光伏电池则需大于150μm;耐高温性能好,200℃时,硅光伏电池已不能工作,而砷化镓光伏电池的效率仍有约10%;可制成效率更高的多结叠层光伏电池,理论计算表明:双结砷化镓电池的极限效率为30% ,三结砷化镓电池的极限效率为38 % ,四结砷化镓电池的极限效率为41%。砷化镓光伏电池目前大多用液相外延方法或金属有机化学气相沉积技术制备,因此成本高,产量受到限制,再加上砷化镓材料的价格不菲, 在很大程度上限制了砷化镓光伏电池的普及和发展。砷化镓光伏电池目前主要用在航天器上,是最理想的空间应用电池。由于它转换效率高和耐高温,也特别适合做成聚光跟踪发电系统,使其在地面应用上得到新的拓展。

六、碲化镉光伏电池

碲化镉是一种化合物半导体,其带隙最适合于光电能量转换。用这种半导体做成的光伏电池有很高的理论转换效率,目前, 已实际获得的最高转换效率达到16.5%。碲化镉光伏电池通常在玻璃衬底上制造,玻璃上第一层为透明电极,其后的薄层分别为硫化镉、碲化镉和背电极,其背电极可以是碳桨料,也可以是金属薄层。碲化镉的沉积技术方法很多,如电化学沉积法、近空间升华法、近距离蒸气转运法、物理气相沉积法、丝网印刷法和喷涂法等。碲化镉层的厚度通常为1.5-3um,而碲化镉对于光的吸收有1.5um的厚度也就足够了。碲化镉光伏电池结构简单, 容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。因此, 碲化镉光伏电池的制造成本较低,是应用前景较好的一种新型光伏电池,已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。但是有毒元素镉对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。目前专家正在积极研究对策,相信在不久的将来会得到解决,从而使碲化镉光伏电池成为未来社会新的能源之一。

七、聚合物光伏电池

聚合物光伏电池是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势, 在导电材料表面进行多层复合, 制成类似无机P-N结的单向导电装置。聚合物光伏电池材料常见的有聚乙烯、聚乙炔和聚对苯撑乙烯等。真正纯净的共轭聚合物是不导电的。要使它们表现出半导体特征,必须通过物理掺杂等工艺对聚合物进行离子注入,分别形成P型和N型结构。聚合物太阳能电池一般为三明治夹心结构,由导电玻璃(正极),聚合物光活性层和Al(负极)组成。当光从某一侧照射活性层时,产生光伏效应形成电流。与结构复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体光伏电池相比,聚合物光伏电池因其分子结构可以自行设计合成,材料选择余地大, 加工容易,柔性好,毒性小,成本低等特点 , 从而对大规模利用太阳能, 提供廉价电能具有重要意义。由于以聚合物制备光伏电池的研究才刚刚开始, 不论是使用寿命, 还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品, 还有待于进一步研究和探索。

 

编辑/发表时间:2008-12-11 09:15
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李日升