太阳能发电技术的研究进展

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1、太阳能发电技术的研究进展硅太阳能电池发展最早。虽然技术上最成熟，但是仍然有不少研究和开发工作，一方面希望进一步提高转换效率，另一方面希望进一步降低成本。一个思路是在几何结构E想办法。图6是一种细条型结构(Sliver)硅太阳能电池。该结构的基本思想是将二维平面型的受光面变为三维的立体型受光面。一个硅片上可以制作几千个细条。据报道，该结构在同样尺寸下可以将受光面积增大10～30倍。图7是另外一种方案，将材料制备成双面的太阳能电池。该结构在接收直射太阳光的同时，还接收从地面反射和散射的太阳光。当然，聚焦光学系统也可以用于硅太阳能电池，以提高辐照密度，减小硅片的面积。但是对于硅，聚焦

2、比不能太高。辐照密度提高对转换效率的作用，对于工作温度较低的硅器件会较早地趋于饱和，并随之下降。据报道用于硅太阳能电池的聚焦比一般为30～50倍;而用于Ⅲ一V族太阳能电池的聚焦比一般为5001000倍。聚焦型太阳能电池成为近几年来研究开发的热点。图6Sliver结构硅太阳电池图7双面太阳能电池另外一种受到广泛重视的方案是薄膜型电池。其中的光电转换材料可以采用无定刑硅、多晶硅或微晶硅。有一些研究工作以开发Ⅳ一Ⅵ族半导体材料为目标，用CdTe作为有源区，配合CdS，ZnO等材料构成异质结。另外一种受到广泛关注的材料是铜一铟一硒合金(CISCopper-Indium—Selenium

3、)，铜一铟一镓一硒合金(cIGS)，或Cu。ZnSn。。这些材料都可以用薄膜制备方法，如射频溅射、真空蒸发等，沉积在玻璃基板，甚至柔软的基板上。铜～铟一硒材料资源相对来说很丰富，制备也比较简易。虽然转换效率低于单晶硅，但是相差也不是很多。据报道，CulnGaSe电池的转换效率已经达到19.2%，离开单晶硅电池24.7%的记录不太远，而成本要低得多，从大面积推广应用考虑，很值得重视。此外还有许多新型材料在研究、开发和探索之中，其中包括有机聚合物材料和染料敏化的聚合物。它们的转换效率远低于硅和Ⅲ一V族材料，但足其成本也远远低于半导体材料。而且可以制备柔软底板的大面积电池，适合于在各

4、种不同形状的建筑物上铺设。在Ⅲ一V族材料方面。氮化物半导体高温性能优异，不同配比组合可获得很宽的禁带宽度调节范围。图2(b)显示的就是以Ge-Si合金，Si和InGaN三种材料构成的图8几种主要的太阳能电池转换效率的发展进程三重结电池。虽然红外长波边的能量稍有损失，但Fig·8EfficiencyimproVementprogressofseVeral属于太阳能光谱中能量较弱的边缘区域，影响较小。图8是被许多文献引用的各种太阳能电池转换效率30年来发展的汇总‰引。可以看到，从效率的角度，最高为多苇结Ⅲ一V族材料，下面依次为单晶硅、薄膜技术和有机聚合物。文献[8]报

5、道，2006年光电池转换效率的世界记录是锗基三重结的40.7%;2007年报道为42%;预期2009年将达到45%。光电池材料是太阳能发电的基础。科学和技术的发展没有止境，新概念的太阳能电池材料和结构也在不断探索之中。图9(a)是一个新概念的光电池凹3。在宽带材料中EIIA@间能带，太阳能的长波光子将电子激发到中间能带，随后又被长波段光子激发到导带中;短波光子将电子直接从价带激发到导带上去。这样就扩大了光电池的光谱响应范围。另一个新概念是对短波长光子用频率下转换方法，一个高能光子变为两个低能光子，再用窄禁带的半导体材料作光电转换，如图9(b)所示。图9（a）利用中间带概念的光电

6、池；（b）利用频率下转换概念的光电池此外，纳米材料在太阳能电池方面的应用也在探索之中。图lO(a)是纳米线太阳能电池的一个方案L21。图中圆柱体表面为n型半导体，芯子为P型。无数纳米线构成表面积巨大的光电池，充分吸收太阳光。文献报道，在硅衬底的纳米金球阵列上可以生长直径数十纳米，长度达数微米的硅纳米线。还有报道用ZnO制备的Nanofibrils材料。图10(b)是一种级联量子阱结构的概念设计n⋯。该结构中，有小带隙阱中的子能级对，还有大带隙垒的带问能级，包含了多种不同能量差的能级，具有宽的吸收谱。图10（a）纳米线太阳能电池的概念；（b）级联量子阱太阳能电池的概念随着能源技术

7、和产业浪潮的高涨，无论在物理上还是在技术上，太阳能电池将会取得目前想象不到的大突破和大发展。4产业发展趋势和讨论据估计，全球可再乍能源中，水电为0.9TW，风能为2TW，生物能(Biomass)为5～7TW，而太阳能为50～1500Tw。可见太阳能利用的巨大潜力。太阳能的利用有多种途径。太阳能直接加热的应用，已经进入千家万户。太阳光通过光导纤维为大型建筑提供照明，已经开始成为低能耗绿色建筑有吸引力的方案。太阳能电池为航天器提供能源，技术含量更高。限于民用太阳能电池发电的相关技术，本节拟再补充