2009-07-09
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楼主 2009/7/9 17:04:03
对太阳能电池的发展进程简单地回顾，可让我们进一步了解材料科学对太阳能利用的至关重要的作用，并对材料研究提出更高的要求。开发太阳能电池必须面临的问题，就是降低生产成本和提高光电转换效率。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。目前国内外生产单晶硅主要采用提拉法和区治两种工艺。通过现代先进的电池工艺，开发的单晶硅电池可分为干面单晶硅高效电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。为了达到高效率的目的，在平面单晶硅中采用表面积构化，用光刻展过工艺制成倒金字塔结构（表面开口尺寸为10 X 10μm）再进行发射区钝化和分区掺杂处理。所达到的光电转换效率可达到20％左右。对刻槽埋栅电极单晶硅电池，则利用单
晶硅的各向异性，通过化学腐蚀方法在电池表面形成大小不同的金字塔锥体，再加上刻槽埋栅电极等措施，也可将转换效手提高到20％左右。现在单昌硅的电池工艺已近成熟，提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。近期国外有关单位又通过表面纳米构造减反射处理，使单晶硅电池转换效率已达到23％左右。总的来看单晶硅电池效率有可能还会提高到接近25％左右。但由于单晶硅生产工艺复杂及相应的繁琐的电池工艺，致使单晶硅电池成本居高不下。因此要大规模推广太阳能电池靠单晶硅是不可能做到的。
近年来，多晶硅薄膜电池由于成本较低．且转变效率也较高（15－18％）而得到了迅速发展。目前制备多品硅薄膜多采用快速热化学气相沉积（RTCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺。化学气相沉积主要是以三氯氢硅（SiHCl3）、四氯化硅（SiCl4）或硅烷(SiH4)等为原料，在真空石英管反应室内沉积而成。薄膜厚度可得到精确控制，衬底材料一般选用si、SiO2及Si3N4等。近些年来，一种以冶金级硅粉制作的颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜电池引人注目，这为发展低价、长寿电池找到了一条新路子。制备多晶硅薄膜电池的关键就是再结晶工艺，现在几乎所有制备单晶硅高效电池的技术都用于制备多晶硅薄膜电池的工艺上。多晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，而作为市场的主导产品。
现在非晶硅电池研究也取得了突破性进展。美国联合大阳能系统公司以不锈钢板作衬底，采用单层、双层、三层本征非晶硅薄膜结构，使非晶硅电池转换效率达到9－13％，估计不久将会达到15％的目标。可以预见，由于更低的生产成本和较高的转换效率，非晶硅电池也将是太阳能电池的主要
发展产品之一，有很好的市场发展前景。
硒铟铜多晶薄膜电池的效率稳定在15％左右，其成本较硅材料电池都低，并且易于大规模生产。硒铟铜电地由很薄的四层材料构成，其中每一层都只有纸张厚度的1/20。在太阳光照射下，由中间两层发电，上下两层将电导出。几百平方米面积的这种电池重量只有50kg左右。但这种电池所用材料由于硒、铟都是比较稀有的元素，因此这类电池发展将受到一定限制。
不管是硅材料电池，还是硒铟铟电池，由于制备工艺和资源问题，成本不可能降得很低。最近受到国内外科学家高度重视的纳米晶二氧化钛（TiO2）化学能电池，显示了更好的发展前景。这种新型电池以纳米多孔二氧化钛为半导体电极、以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化-还原电解质。其光电转换效率也达到10％以上，制备成本仅为硅太阳能电池的1/5-l/l0，寿命能达到20年以上。这类太阳能化学能电池的研制和开发，必将对人类太阳能利用起巨大的促进作用。
从太阳能电池的发展历史来看，材料研究起决定性的作用，每一新材料的出现，都给太阳能电池及太阳能光电利用带来一次变革。随着新材料，新工艺的不断出现，太阳能电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高。
4 太阳光调控变色
太阳光调控变色材料，如电致变色和气致变色材料也是太阳能材料家族的重要成员。这类材料的出现，标致人类利用太阳能的水平的进一步提高。
电致变色材料在国外已有很长的研究历史。在近些年，由于真空技术和薄膜工艺技术的进步，电致变色材料也成了大阳能材料的一个研究热点。现已清楚，许多金属氧化物都是优良的电致变色材料，如氧化钨、氧化镍、氧化铝等，但性能最好的当属氧化钨。目前氧化钨薄膜的制备工艺主要有
真空蒸发．磁控溅射和湿化学法等。电致变色材料可用于建筑物太阳光调控变色材料，透光调节范围为10－50％，这对于夏季防止室内过热和降低室内空调电能消耗具有重要作用，是一种很好的光能调控节能材料。但电致变色系统的结构比较复杂，一般需要五层薄膜结构，即分别在两平板玻璃内表面积透明导电层电极，在每一电极上沉积氧化钨变色系，置于膜层中间的为离子导体投或电解液。电致变色的工作原理为，在外加电压的作用下，通过透明导电层提供的电子和存贮在一边的电致变色层的并经离子导体层以快离子方式传输的正离子共同往入另一边的电致变色层，并使其发生氧化还原的电化学反应而着色。当施压电压反向时，则产生与上述相反的过程，即电子和离子从着色的电致变色层内抽出而使其退色。
与电致变色系统相比，气致变色系统具有结构简单和调光范围宽临（5-75％）的特点。氧化钨薄膜也是性能优良的气致变色材料。气致变色系统主要由双层薄膜构成，即在一平板玻璃上先沉积氧化钨，然后沉淀一层催化剂层，催化剂层与另一平板玻璃保持一间隙。着色时充含有微量氢气的惰性气体即可，退色则充氧气或空气就可实现；变色原理是基于氧化还原反应和氧化钨的变价特性。
最近德国夫和费太阳能系统研究所研制气致变色系统有突破性进展，所推出的样品为带有两个变色单元的房门，每个变色单元的面积为800 X 1000mm2，其变色退色过程在几秒钟之内即完成，并且在变色3000次后性能仍保持稳定,其样品在97年德国汉诺威博览会上倍受注目。估计不久这一变色系统将不断成熟，不断完善。
电致变色,气致变色这类太阳能调控变色材料具有很好的研究前景和广阔的应用范围，如可用于交通工具的门窗，建筑物的门国以及作为显示器件等。至今为此，这类材料变色机理和制备工艺还有待进一步研究，特别是变色系统有待于进一步简化、优化，相信不久的将来，这类材料将很快进人实用化阶段，使人们利用太阳能的形式向智能化发展。
5 结束语
以上就与太阳能材料的发展状况进行了概述。总的来看，太阳能利用的水平,最终取决于太阳能材料的发展水平。新材料、新工艺的出现，可进一步提高人类利用太阳能的水平。象太阳能电池和太阳能调控材料和系统，正在和即将形成一个大规模的高科技产业。从科学和经济发展来看，这都具有重大意义的。欧美有百万屋顶发电计划并在制定太空发电战略，我国正在西部地区实施阳光发电工程。如能利用太阳能电池发展太阳能电动汽车，不仅能节省大量矿物燃料，而且能从根本上改善环境污染状况。从发展经济、提高产品档次和开发新产品来看，太阳能材料及相应技术产品也是有广阔发展前景的。象太阳能电视、冰箱及太阳能加工技术，都具有广阔的市场，将给我国经济带来活力和新的经济增长点。太阳能利用日益与建筑结合在一起，建筑材料也有向功能化发展的趋势，而大阳能利用就是一个重要的结合对象。如能结合太阳能利用特点，可开发更多的新产品。家电致变色，气致变色材料就是值得开发的高科技新型建材产品。通过利用这些太阳能建材，使人们将建筑物与太阳能利
用得到完善的结合。国外已建有多种大阳能住宅，我们只要从中吸取相关技术推广应用，就可很好地造福于人类和大自然。
