化合物太阳电池技术

　　与元素半导体硅相比,化合物半导体的种类更多,以CdTe和CuInGaSe2(简称CIGS)为代表的一些化合物半导体能隙宽度易在较大范围内调节,可实现与太阳光谱很好的匹配,扩展光谱响应范围获得更高转换效率。图2是一些化合物太阳电池的理论转换效率[17]。

　　1CdTe电池

　　CdTe电池的光电转换效率理论上可达30%,采用CdTe电池发电设备投资成本可实现每峰瓦0.87美元,在价格、稳定性和效率等几个方面都有不少优势。不过Cd是一种重金属,有一定的毒性,曾被认为是大规模发展CdTe光伏技术的一大障碍,但后来的有关研究结果表明,与晶体硅电池以及煤、石油相比,在产生同样多电量的情况下,CdTe电池排放的Cd和其他重金属量是最低的。CdTe电池的研发工作主要围绕电池的关键区域如CdTe/CdS接点处、背接触层的改进。1982年,Kodak实验室用窄间隔升华法制备出效率超过10%的CdTe电池;1993年南佛罗里达大学在硼硅玻璃上沉积CdTe,使效率达到了15.8%;2001年美国NREL通过预先在硼硅玻璃上沉积CdSnO4层,使效率达到16.5%,这是当前CdTe电池的最高效率纪录[12]。目前,美国BPSolar,FirstSolar和德国ANTECSolar都在积极进行组织CdTe电池组件的工业化生产,其中FirstSolar上目前全球最大的CdTe太阳电池制造商,2009年FirstSolar的CdTe太阳电池的产能已超过1GW。

　　2CIGS电池

　　CIGS电池也是一种很有发展前景的化合物半导体光伏元件。在CIGS中由于CuySe(y<2)的存在而引起的晶化机制大大改善了CIGS薄膜的质量;工艺中从玻璃衬底或含钠预置层掺入钠,可以大大提高电池的转换效率和可靠性,也增加了工艺的包容度;用Ga部分取代早期纯CuInSe2里的In,吸收层的能隙可以从1.04eV增加到1.1~1.2eV,这样可以更好地与太阳光谱匹配,同时电学性质也更优;另外CIGS的背电极改由化学浴沉积的50nm厚缓冲层与高电导ZnO窗口层组成。由于这些技术的成功应用,CIGS的转换效率不断提高,2010年4月德国ZSW生产的CIGS的转换效率达到了20.1%,突破了NREL保持了16年的纪录,同年8月又达到20.3%[10],再次创造了CIGS转换效率的最新效率纪录。

　　无Cd缓冲层生产线的开发,是CIGS技术发展的一个主要目标[18]。目前,In2S3,ZnS和Zn1-xMgxO及其衍生物,可以通过化学浴沉积(CBD),离子层气体反应(ILGAR)和超声喷雾热裂解(USP)等方法沉积得到,都被认为是最有潜力的缓冲层材料,并且CBD-ZnS,CBD-In2S3和IL-GAR-In2S3已进入工业化生产。CIGS的另一个研究方向是发展柔性衬底,如不锈钢和聚合物等,在小面积聚合物衬底上制备的CIGS电池最高效率达到12.8%,在金属箔和聚合物薄膜上卷对卷沉积技术已进入示范生产阶段。在产业化上,面积为20~90cm2的小型CIGS组件已经取得14%~15%的效率,其工艺可以为大面积商业型组件生产所使用。目前全球有30多家公司置身于CIGS产业,但真正进入市场开发的有德国Wuerth、Surlfulcell,美国GlobalSolarEnergy,日本Honda、ShowaSolarShell。

其他太阳电池技术

　　染料敏化太阳电池(DSSC)是基于光电化学系统光电转换原理的一类薄膜太阳电池,通常由导电基底、半导体薄膜、染料敏化剂、电解质和对电极组成并组装成三明治结构。1991年Gratzel用纳米多孔TiO2电极代替传统的平板电极,DSSC取得了突破性进展,DSSC电池的最高效率已达到11%,接近商业化的非晶硅太阳电池,而制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10,有望发展成为一种低成本高效率的太阳电池产品。目前已有包括STI和Toyota/IMRA等在内的多家厂商取得了DSSC电池设计和生产的专利授权,研制大面积电池是DSSC主要的研究方向。澳大利亚STA公司在2001年建立了世界上第一个中试规模的DSSC工厂和200m2DSSC显示屋顶;日本夏普、日立、富士等公司在产业化研究上取得了很好的成绩;中科院等离子体物理研究所建成了500W的DSSC示范电站。今后DSSC技术发展的课题,是通过新型非钌染料、稳定电解质、优化电池结构等各项关键技术的攻关,提升电池效率和寿命。有机太阳电池是另一类新型太阳电池,与化合物电池、普通硅太阳电池相比更轻薄灵活,而且成本低廉,但是目前研制的器件转化效率不高,使用寿命偏短,尚处于实验室研发攻关阶段,还不能满足市场化的要求。

太阳能光伏发电的利用

　　目前光伏技术步入大规模发电阶段,光伏发电利用的重点是并网发电,把光伏发电发展成为电力生产的组成部分。并网光伏发电可以采用光伏建筑一体化的技术方案,也可以在荒漠建设大规模的并网光伏电站。光伏建筑一体化将电池方阵安装在建筑的屋顶或者围护结构的其他外表上,电池方阵可以提供用户建筑用电,减少电网供电的压力;大规模荒漠并网光伏电站就是在太阳能资源丰富的沙漠和戈壁地带建设兆瓦级甚至吉瓦级的并网光伏电站,可以作为一种主力电源。

　　未来20年,我国的并网光伏系统仍然将以硅基太阳电池为主,目标是发展高效硅基太阳电池,不断加强新型廉价太阳电池的开发,组织太阳电池的材料、结构、稳定性等方面的技术攻关,不断提高光伏发电的装机容量和系统的稳定性,以及薄膜太阳电池的产业化和商业应用规模化。