關(guān)鍵詞：中國高新技術(shù)企業(yè)雜志投稿,核心期刊論文發(fā)表,太陽能電池,材料發(fā)展

　　一、太陽能電池的種類

　　1.硅系太陽能電池

　　(1)單晶硅太陽能電池目前，單晶硅的電池生產(chǎn)工藝已經(jīng)比較成熟，主要采用表面織構(gòu)化和在某些局部進(jìn)行合理的摻雜等技術(shù)制作太陽能電池，用這種技術(shù)制成的電池種類有限，具體表現(xiàn)為二維單晶硅太陽能電池和電極單晶硅電池。在提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率時(shí)采用的工藝為微結(jié)構(gòu)處理。在這個(gè)領(lǐng)域，德國的研究走在了世界的前列[4]，他們主要采用光刻照相的技術(shù)，對(duì)電池表面進(jìn)行相關(guān)的處理，最后將其制作成倒金字塔的結(jié)構(gòu)。

　　另外，通過相關(guān)的技術(shù)，將其表面的涂層進(jìn)行處理，增加表層的厚度，在經(jīng)過一系列技術(shù)手段改進(jìn)后，太陽能電池不僅寬度提高，而且其高度也大大增加，通過這些新興技術(shù)改造后，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可以提高到27%。美國的幾家公司所研制出的大面積太陽能電池轉(zhuǎn)化效率稍顯遜色，只有20%左右。

　　長期以來，中國科學(xué)院也積極對(duì)其進(jìn)行研究，研制成功的單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.24%，成果比較顯著[5]。在目前所研制的太陽能電池中，以電池的轉(zhuǎn)換率為標(biāo)準(zhǔn)來看，單晶硅的太陽能電池?zé)o疑居于首位，這是無可爭議的事實(shí)。另外，單晶硅太陽能電池已經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用，應(yīng)用范圍也較為最廣泛。但單晶硅的價(jià)格較高，這是因?yàn)閱尉Ч璨牧系母叱杀竞蛷?fù)雜的生產(chǎn)工藝所致。

　　(2)多晶硅薄膜太陽能電池一般的晶體硅太陽能電池是用高質(zhì)量的硅片通過一定工藝研制的而成，這種硅片的厚度在365～465μm范圍內(nèi)，以硅錠為材料經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)制成。這樣一來，就不可避免地消耗了大量的材料，造成了許多浪費(fèi)。為解決此問題，從20世紀(jì)80年代開始，研究者利用廉價(jià)襯底通過沉積制成多晶硅薄膜，但是存在很多問題，主要是硅膜晶粒較小，難以制成合格的太陽能電池。

　　以后，人們的研究方向是從多個(gè)角度進(jìn)行研究，采取不同的方法制得較大尺寸晶粒的薄膜。現(xiàn)階段，大多都用化學(xué)氣相沉積法來研制多晶硅薄膜電池。化學(xué)氣相沉積法是應(yīng)用比較廣泛的一種方法，主要的原理是應(yīng)用二氯二氫硅、三氯氫硅和四氯硅烷等在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)制成硅原子，再經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)將制成的硅原子置于襯底上。必須要指出的是，選擇哪一種襯底材料也有要求，主要的襯底材料有硅、二氧化硅等。

　　但是經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，在非硅質(zhì)材料的襯底上想要制成大的晶粒難度很大,同時(shí)還會(huì)帶來一系列問題，如晶體間的空隙增大等。科學(xué)家們想出了很多解決辦法，最為成功的辦法是先在襯底上沉積一層薄薄的非晶硅層，之后通過相關(guān)工藝將其退火。經(jīng)過這些環(huán)節(jié)后，就能夠制造出顆粒較大的硅晶粒，最后的環(huán)節(jié)是在襯底上慢慢的進(jìn)行沉積，析出合適的硅晶粒。

　　其中，核心的工藝是比較復(fù)雜的再結(jié)晶工藝[6]。其實(shí)對(duì)多晶硅薄膜太陽能電池進(jìn)行研究的過程是一個(gè)繁瑣而復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中利用了一系列新技術(shù)，不僅有上文提到的再結(jié)晶工藝，還采用了制作單晶硅太陽能電池用到的先進(jìn)技術(shù)，將熟練技術(shù)作為后盾，再糅合進(jìn)新型技術(shù)，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和使用效率都得到了明顯提高。德國的一家研究所用這種方法研制的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為21%，日本三菱公司用這種方法研制的多晶硅電池效率為18.63%。

　　2.聚合物多層修飾電極型太陽能電池

　　近些年，在太陽能電池領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)新的研究方向即利用聚合物來研制太陽能電池。通過新型的技術(shù)手段，將聚合物的表面物質(zhì)多層復(fù)合，這樣可以制成比較先進(jìn)的單向?qū)щ娧b置。由聚合物修飾這個(gè)單向?qū)щ娧b置的某一個(gè)電極，所以其有著比較低的還原電位，相比而言，最外層的還原電位要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于內(nèi)層的還原電位，電子的轉(zhuǎn)移方向是從低到高，也就是從內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移;

　　另一個(gè)電極的修飾是與前者完全相反的，并且不管是內(nèi)層還是外層的還原電位都比前一個(gè)電極的電位低。將這2個(gè)電極在特有的環(huán)境中進(jìn)行研究時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，即電極在吸收光線后就會(huì)產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，電子轉(zhuǎn)移是從高電位的電極轉(zhuǎn)移到低電位的電極上，經(jīng)過轉(zhuǎn)移后，較低電位的電極上往往會(huì)集中了大量的電子，這些電子只能通過外電路轉(zhuǎn)移，經(jīng)過還原電位較高的電極轉(zhuǎn)移到電解液中，這樣一來光電流就會(huì)產(chǎn)生在外電路中[7]。由于有機(jī)材料有著柔性好、制作工藝簡單、成本低等優(yōu)勢。但在目前，有機(jī)材料在利用方面存在許多不足，研究成果不成熟，從各方面都不能與技術(shù)成熟的硅電池相比。在未來，對(duì)于有機(jī)材料還需要進(jìn)一步研究探索。

　　3.納米晶化學(xué)太陽能電池

　　在太陽能電池中，研究和使用技術(shù)最成熟的當(dāng)屬硅系太陽能電池，但是生產(chǎn)成本過高，限制了將其大規(guī)模推廣應(yīng)用。自20世紀(jì)研究成功以來，人們一直不斷對(duì)其工藝、技術(shù)和新材料等方面進(jìn)行積極地探索，其中，最有研究價(jià)值的是納米二氧化鈦(TiO2)晶體。納米TiO2晶體具有優(yōu)良的特性，對(duì)太陽能電池的是發(fā)展有著積極的作用，因此備受各國科學(xué)家的青睞。納米TiO2化學(xué)大陽能電池由瑞士Gratzel教授研制成功，在之后一段時(shí)期，國內(nèi)外很多科研單位也都紛紛轉(zhuǎn)戰(zhàn)此領(lǐng)域[8]。

　　這類電池的制造原理是利用一種半導(dǎo)體材料結(jié)合合理的工藝修飾另一種大能隙的半導(dǎo)體材料，其主要采用過渡金屬釕元素的有機(jī)化合物染料，另外，這類染料分子吸收太陽光之后狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)狀態(tài)。這一系列的過程就是納米TiO2的工作原理。低廉的成本和簡單的工藝是其他太陽能電池?zé)o法與納米晶TiO2電池相比擬的。不僅如此，其光電效率比較穩(wěn)定，一般在15%以上，制作成本低至硅太陽電池的一成左右，但是其使用壽命卻在30年以上。雖然目前處于研究和開發(fā)階段，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，其將會(huì)在不久的未來走上市場。

　　二、太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，全球有153個(gè)國家積極普及和推廣了太陽能電池，在這些國家中有89個(gè)國家積極地對(duì)太陽能電池進(jìn)行研制開發(fā)和生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1999年全世界生產(chǎn)的太陽能電池總的發(fā)電量達(dá)為2760MW，2000年達(dá)到了5640MW。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)的預(yù)測：2020年和2030年太陽能電池總的發(fā)電量將分別達(dá)到61GW和316GW。全球太陽能電池產(chǎn)量增長迅速，在未來新能源方面將占有一席之地。20世紀(jì)，全球許多國家將太陽能開發(fā)計(jì)劃作為一項(xiàng)戰(zhàn)略項(xiàng)目，隨著研究的推進(jìn)，各國都在大規(guī)模開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。美國提出了“國家光伏計(jì)劃”，而日本提出了“陽光計(jì)劃”。

　　在美國國家光伏計(jì)劃中有一項(xiàng)重要內(nèi)容，即在光伏組件以及系統(tǒng)性能和市場開發(fā)等領(lǐng)域積極地開展相關(guān)的研究工作。美國和日本在世界光伏市場上都占有重要的地位。其中，美國擁有世界上最大的光伏發(fā)電廠，其功率達(dá)到8MW，日本的太陽能產(chǎn)量則占據(jù)很大比例。目前，全世界總共有56萬座光伏發(fā)電設(shè)備，其中以色列最多[9]。我國歷屆政府都對(duì)太陽能電池的研究高度重視，最早在20世紀(jì)70年代，我國將非晶硅半導(dǎo)體技術(shù)的研究列入國家研究課題;在20世紀(jì)80、90年代，積極地順應(yīng)世界潮流，研究的重點(diǎn)在大面積太陽能電池方面;2002年11月，國家多個(gè)部門制定出臺(tái)新政策，旨在推進(jìn)未來5年時(shí)間內(nèi)太陽能資源的開發(fā)，國家投入了250億元大規(guī)模推廣太陽能技術(shù)，按照有關(guān)計(jì)劃到2016年我國太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量可以達(dá)到550MW。

　　現(xiàn)階段，我國是世界上最大的光伏產(chǎn)品制造國，按照國家能源局牽頭制定的《新能源產(chǎn)業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃》中要求，到2020年我國的光伏發(fā)電的裝機(jī)容量將會(huì)達(dá)到25GW。2003年，為了用太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電來解決西部7省區(qū)780個(gè)無電鄉(xiāng)的用電問題，國家啟動(dòng)了《西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃》。通過這個(gè)項(xiàng)目，大大促進(jìn)了我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國已經(jīng)建起了數(shù)條太陽能電池的生產(chǎn)線，擁有生產(chǎn)能力的公司數(shù)量與日俱增，這就使得太陽能電池的年生產(chǎn)量迅速增加。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測，到2020年我國光伏市場需求量將達(dá)到200MW[10]。

　　三、太陽能電池的發(fā)展前景

　　目前，太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，已經(jīng)遍及軍事和航天領(lǐng)域，甚至深入到與生活息息相關(guān)的行業(yè)。例如工業(yè)、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等部門，尤其在一些偏遠(yuǎn)的山區(qū)和地形比較復(fù)雜的地區(qū)使用太陽能發(fā)電可以節(jié)約高昂的輸電線路費(fèi)用。但是，目前太陽能電池技術(shù)不是很完善，生產(chǎn)和使用成本比較高，大規(guī)模使用還難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。市場上比較成熟的太陽能電池大多采用單晶硅生產(chǎn)，其占據(jù)著極大的市場份額。但是目前，單晶硅電池生產(chǎn)制作成本巨大，消耗的能源極大，甚至其生產(chǎn)所消耗的能量大于其捕獲的太陽能。

　　因此，許多的學(xué)者和機(jī)構(gòu)認(rèn)為至少目前單晶硅電池生產(chǎn)毫無價(jià)值，這種狀況可能會(huì)在10～20年后改變[11]。另外，單晶硅通過還原石英砂，之后將其融化、拉單晶制作而成，生產(chǎn)過程不僅消耗過大，而且對(duì)環(huán)境造成很大的破壞。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2010年我國的光伏電池產(chǎn)量約占全球的56%，光伏產(chǎn)業(yè)總規(guī)模連續(xù)多年占據(jù)世界首位。

　　四、結(jié)語

　　第一，盡管在目前用稀有元素制備的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，但成本過于昂貴，使用范圍也極為有限。由于多晶硅和非晶硅薄膜電池的成本低，轉(zhuǎn)化效率較高，因此這兩種是今后太陽能電池發(fā)展的主要方向。未來隨著技術(shù)的成熟，這2種產(chǎn)品將會(huì)成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。

　　第二，提高太陽能的使用范圍，僅靠政府支持還不夠，畢竟市場是生產(chǎn)的第一動(dòng)力，所以在太陽能電池的研發(fā)方面應(yīng)該集中從降低生產(chǎn)成本來做文章。通常情況下，企業(yè)會(huì)用高質(zhì)量的硅片去制造高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池，這也就導(dǎo)致了硅太陽能電池成本的居高不下。要積極研究采用新型技術(shù)制取硅條帶，降低制造成本，這樣可以達(dá)到降低硅太陽能電池成本的目的。

　　第三，必須要繼續(xù)開發(fā)新的太陽能電池材料，利用現(xiàn)有的材料結(jié)合新型的工藝，研制出成本低廉、易于生產(chǎn)的材料，只有這樣才可以充實(shí)太陽能電池的原料體系，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大其使用范圍。