東營職業(yè)學(xué)院 張 霄

太陽能電池發(fā)展的新概念及新方向

東營職業(yè)學(xué)院 張 霄

近些年，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展、科技水平的快速提升，太陽能技術(shù)已逐漸普及、應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域乃至人們的生活中，而市面上也涌現(xiàn)出了大量的太陽能熱水器、太陽能發(fā)電設(shè)備、太陽能照明器具等產(chǎn)品。其中，太陽能電池的應(yīng)用，不僅充分發(fā)揮了太陽能技術(shù)環(huán)保、節(jié)能、可再生的特點，同時也有效滿足了當(dāng)代社會發(fā)展、科技進(jìn)步的需求。本文就太陽能電池發(fā)展的新概念及新的方向作簡要的分析、探討。

太陽能電池；發(fā)展；新概念；新方向

隨著新型太陽能電池的涌現(xiàn)，以及傳統(tǒng)硅電池的不斷革新，新的概念已經(jīng)開始在太陽能電池技術(shù)中顯現(xiàn)，從某種意義上講，預(yù)示著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢。通過對太陽能電池的發(fā)展背景、現(xiàn)狀進(jìn)行分析，可將太陽能電池發(fā)展的新概念、新方向歸納為薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及新概念太陽能電池。

一、陽能電池發(fā)展綜述

長期以來，世界各國在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，各行業(yè)領(lǐng)域的過度生產(chǎn)消耗了大量的能源，倘若繼續(xù)按照此種趨勢發(fā)展，在未來的五十年里，能源危機將是影響人類生活、阻礙社會進(jìn)步的首要問題。目前，不同國家、地區(qū)、種類的全部能源中，能夠使用的化石能源占90%以上，若是以現(xiàn)階段世界各國的能源消耗狀態(tài)發(fā)展到二十一世紀(jì)的中期，可供使用的能源儲備、化石能源所占比例將減少近50%，之后的能源需求必將是以可再生能源、核能為主?；诖朔N趨勢，預(yù)計到2100年，在人類所使用的能源中，可再生資源將占有30%以上?？晒╅_發(fā)、使用的可再生能源主要有地?zé)崮?、生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能、氫能等。其中，太陽能所蘊藏的能量，是其他可再生資源能量總合的數(shù)千倍。由此可見，太陽能有著巨大的發(fā)展空間、良好的市場前景，而太陽能電池憑借其能量充足、可再生且環(huán)保的特點，自研發(fā)、應(yīng)用后，以30%的年度增長率在世界各國、國際市場中得到推廣與普及，截至到2010年，太陽能電池的國際市場年增長率有所減緩，但仍將以25%左右的年增率持續(xù)擴大市場份額。此外，國際上的太陽能光伏裝機容量，將從21世紀(jì)初的約0.5GW增長到2030年的300GW。對于可再生資源的研發(fā)與使用，我國提出了具體的中長期規(guī)劃，將初期目標(biāo)年度設(shè)定在了2020年，要求可再生能源的占有量達(dá)到15%，而太陽能電池的發(fā)電容量將逐步擴充至1.8GW。

目前，在國際市場中可供選擇、使用的太陽能電池較少，主要是以硅基太陽能電池為主流產(chǎn)品，其中多晶硅太陽能電池所占有的市場份額較大。然而，我國尚不具備完善的技術(shù)能力與經(jīng)驗，去生產(chǎn)、制作用以太陽能電池的高純硅材料，主要生產(chǎn)廠家來自美國、德國、日本，而隨著市場需求的加大，國際市場中的多晶硅原料已趨向缺口狀態(tài)，以至于多晶硅的市場價格迅速攀升，由2005年的55美元/kg，快速激增到2007年的400美元/kg。此外，現(xiàn)階段應(yīng)用太陽能電池時所需要的發(fā)電成本數(shù)額，是煤礦發(fā)電生產(chǎn)成本的10倍以上，大致在5元/kW·h到7/kW·h之間。值得注意的是，太陽能電池項目的運行，對于投資數(shù)額的需求較大并有著較高的能耗，一般情況下，建設(shè)千噸級的工廠需要數(shù)十億的項目資金與數(shù)十個月的建設(shè)周期。在此種市場環(huán)境中，我國的太陽能電池產(chǎn)品主要投放于國外市場。

二、太陽能電池發(fā)展的新方向

（一）薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池，其主要是將電氣器件的規(guī)格減小、厚度降低，此種做法不僅能夠有效縮短電池器件中的光生載流子擴散距離，大幅減小發(fā)生湮滅、復(fù)合的可能性，同時在吸光程度基本保持不變的情況下，進(jìn)一步提高了太陽能電池的效率。相較于常規(guī)電池，薄膜太陽能電池的生產(chǎn)節(jié)約了大量的原材料，制備電池器件的工藝、操作較為簡便。在硅基太陽能電池的發(fā)展初期，硅片的厚度通常在450μm到500μm左右，而現(xiàn)階段國際市場中的硅片厚度則降低到180μm到280μm左右，大幅降低了硅材料的使用量，從而節(jié)約了太陽能電池的生產(chǎn)成本。綜合考慮太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與國際市場情況，預(yù)計到2020年，硅基太陽能電池的硅片厚度將降低到80μm到100μm之間，在此基礎(chǔ)上若要繼續(xù)縮減硅材料的用量將十分困難。對此，近些年有關(guān)專家、學(xué)著經(jīng)過不斷的創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)改造，相繼推出了III/V族與II/IV族半導(dǎo)體化合物電池，目前市場面可供選擇、使用的電池有CdTe、CIGS、GaAs等，作為一種新型薄膜太陽能電池，III/V、II/IV族半導(dǎo)體化合物電池的部分生產(chǎn)原料較為稀缺，同時存有一定的有害物質(zhì)，但憑借其優(yōu)勢明顯的轉(zhuǎn)換效率，可應(yīng)用于一些特定場所。由此可見，太陽能電池薄層化，是未來太陽能技術(shù)發(fā)展的必要途徑。

（二）疊層太陽能電池

疊層太陽能電池，主要是建立在薄層電池技術(shù)的基礎(chǔ)上之上，通過疊加多層器件使太陽能電池的性能得到提升。在具體的生產(chǎn)制作中，電池器件的疊加可以是同種類的復(fù)合，也可以是多個種類器件的結(jié)合。對于單一層次的電池器件，由于不同感光區(qū)域的光相應(yīng)性能有所區(qū)別，從而能夠分別吸收、利用自讓陽光中的多種波段，而通過對電池器件層的疊加，不僅能夠高質(zhì)量、高效率的吸收、利用太陽光線的全波段，同時在不同層次、各組器件的耦合效應(yīng)下，可進(jìn)一步提高太陽能電池的光能轉(zhuǎn)換效率。對于新概念太陽能電池，通過疊層處理CIGS電池、染料敏化太陽能電池，能夠?qū)⑵湓?3.9%、8.18%的光能轉(zhuǎn)換效率提高至15.09%。

（三）柔性太陽能電池

相較于傳統(tǒng)的平板類太陽能電池，柔性電池可應(yīng)用在建筑工程、汽車制造、飛機環(huán)保、紡織用品、安全防護(hù)用具等多個領(lǐng)域中，充分滿足了對電池的特殊曲面需求。近些年，隨著世界各國逐步加大太陽能電池的研發(fā)力度，柔性電池的生產(chǎn)、制備有望采用成卷技術(shù)，由此便可大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)，能夠有大幅降低產(chǎn)品成本。一般情況下，柔性太陽能電池的實現(xiàn)，主要采用帶有一定軟度、韌性的聚合物半導(dǎo)體材料，將其作為感光組員來生產(chǎn)、制備電池器件，從而可以進(jìn)行彎曲、折疊，為使用者帶來了便利。此外，對于新概念太陽能電池，可利用具有導(dǎo)電性能的柔性有機基板電極來實現(xiàn)電池的柔性化。目前，國際市場中的無機、有機半導(dǎo)體太陽能電池，以及非晶硅太陽能電池等多種類型的光伏器件均逐步完成了柔性化改造。

三、太陽能電池發(fā)展的新概念

目前，在國際市場上眾多的新概念太陽能電池中，染料敏化太陽能電池憑借其制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉等特點、優(yōu)勢得到了廣泛的支持與認(rèn)可。作為一種新型的陶瓷基光化學(xué)電池，染料敏化電池的生產(chǎn)并不需要以往常規(guī)太陽能電池的高真空、高溫處理，也不需要價格昂貴、存量有限的稀缺原料，相較于硅基太陽能電池，能夠節(jié)省20%到35%左右的投資成本。此外，此種新概念太陽能電池有著其他常規(guī)電池不可比擬的優(yōu)勢、特點，能夠根據(jù)實際需要而制作成透明、多色、圖案等多種形式，也可作疊加、柔化、薄層處理。雖然，目前對于染料敏化太陽能電池的研發(fā)、應(yīng)用仍處于初期發(fā)展階段，但此種電池的光電轉(zhuǎn)換效率以達(dá)到11%，明顯優(yōu)于其他太陽能電池。據(jù)有關(guān)試驗表明，在設(shè)計功率相同的情況下，相較于傳統(tǒng)的多晶硅太陽能電池，新概念染料敏化電池的發(fā)電總量多出近30%左右。對此，澳大利亞、日本等海外發(fā)達(dá)國家相繼建立了中試線工程，而我國也初步完成了示范工程的建設(shè)。染料敏化太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，逐步瞄準(zhǔn)了電子市場與移動通信市場，待技術(shù)條件趨于成熟后，還將投放于建筑產(chǎn)業(yè)等多種領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，世界各國對于染料敏化太陽能電池的研究，在器件、材料方面，主要圍繞對電極、光陽極、染料等多個方面進(jìn)行；在產(chǎn)品性能方面，主要包括大面積電池的設(shè)計、電子傳輸機理以及電池運作期間的效率、質(zhì)量等諸多事項。值得注意的是，太陽能電池的光陽極材料，以往傳統(tǒng)、常規(guī)材料所采用的是TiO2納米多孔粒子結(jié)構(gòu)，而為進(jìn)一步延長電子傳輸?shù)挠行谙?，減少、避免載流子復(fù)合現(xiàn)象，一維傳輸結(jié)構(gòu)逐漸得到國際專家、學(xué)著的關(guān)注與重視，具體包括納米線陣列、納米管陣列等。與此同時，CaCO3包覆TiO2結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠有效提高太能能電池的光能轉(zhuǎn)換效率，上升幅度在2%左右。此外，在太陽能電池的國際市場中，Nb2O5、ZnO、SnO2等其他寬帶隙半導(dǎo)體光陽極材料，有著同樣的性能及優(yōu)勢，從而逐漸得到關(guān)注與重視。染料敏化太陽能電池憑借其優(yōu)良的性能、靈活多變的制備形式以及優(yōu)勢明顯的性價比，必將成為未來太陽能電池國際市場的主流產(chǎn)品，世界各國的專家、學(xué)著以及諸多產(chǎn)業(yè)已著手實施了技術(shù)研發(fā)，在新型染料合成、光陽極修飾、穩(wěn)定性和疊層電池等多個方面取得了重要進(jìn)展。

四、結(jié)束語

綜上所述，在未來的一段時期內(nèi)，薄膜電池、柔性電池以及疊層電池將成為太陽能電池研究領(lǐng)域的主流。染作為新型陶瓷基太陽能電池，料敏化太陽能電池已逐漸得到國際專家、學(xué)者以及多領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與重視，待技術(shù)條件成熟后，將成為國際市場的主流產(chǎn)品。

[1]Izabela Kuzma,Guy Beaucarne,Jef Poortmans.提高薄膜太陽能電池的效率[J].集成電路應(yīng)用,2008(09).

[2]黃慶舉,林繼平,魏長河,姚若河.硅太陽能電池的應(yīng)用研究與進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2009(06).

[3]沐俊應(yīng),徐娟,粱氏秋水,朱宏偉,陳振興.有機薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展[J].電子工藝技術(shù),2007(02).

[4]王育偉,劉小峰,陳婷婷,姜春萍,王瑞林.薄膜太陽電池的最新進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電,2008(02).

[5]張維清,程亮.太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2011(08).

[6]高鵬.2012的新希望—薄膜太陽能電池發(fā)展趨勢分析與應(yīng)用展望[J].電力技術(shù),2010(02).

[7]Wim Zoomer,裴桂范.當(dāng)代薄膜太陽能電池綜述[J].絲網(wǎng)印刷,2010(05).

[8]趙書利,葉烽,朱剛.太陽能電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].船電技術(shù),2010(04).

本期部分作者風(fēng)采展示

▲ 伍麟珺

▲ 張 宵

▲ 王心怡

▲ 穆亞輝

▲ 劉順清

▲ 陳 斌

伍麟珺（1982—），女，碩士，湖南工學(xué)院電氣與信息工程系講師，主要研究方向：數(shù)字信號處理，電子線路設(shè)計。

張宵（1980.5—），山東東營人，大學(xué)本科，畢業(yè)于中國石油大學(xué)，東營職業(yè)學(xué)院助教，研究方向：電子產(chǎn)品工藝設(shè)計、電子電路仿真、光伏材料加工與應(yīng)用等，多次指導(dǎo)學(xué)生在省級電子競技大賽中獲得好成績，多次成功指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)研制電子產(chǎn)品。王心怡，2007年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，助理工程師，現(xiàn)供職于江蘇自動化研究所，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝研究。

穆亞輝，1999年7月畢業(yè)于河南科技學(xué)院機電系機電教育專業(yè)，高校講師，現(xiàn)從事可編程序控制器等教學(xué)工作，把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、塑造學(xué)生健康人格作為教育教學(xué)的目標(biāo)，充分發(fā)掘豐富的、有效的課程資源，使教學(xué)內(nèi)容貼近學(xué)生的實際生活，反映學(xué)生的真實需要。積極參加各級各類教學(xué)教研活動，2008年被評為許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院“評估先進(jìn)個人、優(yōu)秀教師”，先后參與國家級新型實用專利4項，河南省科技廳成果5項；出版教材5部；撰寫科研論文10多篇；鼓勵學(xué)生積極參加各種豐富多彩的課外活動，輔導(dǎo)的學(xué)生在2011年全國電子設(shè)計大賽中獲得河南賽區(qū)一等獎，2010年全國自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試大賽中獲得三等獎。

劉順清（1965.12－），男，研究生同等學(xué)歷，中共黨員，高級工程師，現(xiàn)為中國職教學(xué)會高職委員會會員，中石化長嶺煉化公司科協(xié)會員，湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院紀(jì)委委員、石化裝備工程系主任，參加工作25年來，先后31次榮獲湖南省教育廳、岳陽市教育局、中石化長嶺煉化公司、湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院等優(yōu)秀教師、先進(jìn)教育工作者、優(yōu)秀黨員、優(yōu)秀黨務(wù)工作者、優(yōu)秀團干等各種榮譽稱號。業(yè)績被收入《二十一世紀(jì)人才庫》。

陳斌（1978.3－），男，湖北武漢人，1996年至2000年就讀于武漢理工大學(xué)電子信息學(xué)院，2000年至2003年就讀于武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，碩士研究生，館員，2003年至今在江漢大學(xué)圖書館從事信息資源管理、圖書館自動化系統(tǒng)等研究，曾在《計算機工程》、《現(xiàn)代圖書情報技術(shù)》、《現(xiàn)代情報》等雜志上發(fā)表論文9篇，參與國家級課題，省市級課題10余項。