1、低成本高性能可見光響應型太陽能電池項目合作可行性報告目錄第一章太陽能電池的現狀及發展趨勢11.1太陽能電池的發展歷程11.2太陽能電池的分類21.2.1硅系太陽能電池21.2.2化合物半導體太陽能電池41.2.3染料敏化納米晶化學太陽能電池41.3太陽能電池發展的瓶頸51.4太陽能電池的發展趨勢6 TOC o 1-5 h z 第二章國內太陽能電池的研究現狀8第三章低成本高性能可見光響應型太陽能電池103.1可見光響應型太陽能電池研究的重大意義103.2可見光響應型太陽能電池的結構103.3可見光響應型太陽能電池的制備技術113.4關鍵技術的創新11第四章可見光響應型太陽能電池的研發計劃124.

2、1現有研究進展124.2研究工作基礎和條件124.3課題組介紹154.4下一步研究計劃15第五章可見光響應型太陽能電池的市場前景185.1太陽能電池發展的市場環境18 5.1.1豐富的太陽能資源185.1.2嚴峻的能源與環保形勢205.1.3可再生能源法實施帶來巨大機遇 225.2太陽能電池的市場現狀225.2.1不愁銷路的產品225.2.2需求強勁的國外市場235.2.3起步階段的國內市場255.2.4高額的利潤回報255.2.5太陽能電池上市公司受到熱烈追捧 265.3太陽能電池的市場預測27 TOC o 1-5 h z 5.4可見光響應型太陽能電池的市場前景285.4.1太陽能電池的消費

3、結構285.4.2晶硅太陽能電池發展的隱憂305.4.3可見光響應型太陽能電池的競爭優勢315.4.4可見光響應型太陽能電池的市場份額及盈利預測31第六章國內外太陽能電池生產現狀326.1世界太陽能電池的產能及其分布326.2國內主要生產企業及其規模34第七章可見光響應型太陽能電池的產業化策略38附：圖表目錄 圖1從石英砂到晶硅太陽能電池的工藝流程 3圖2晶硅系太陽能電池產業結構5圖3可見光響應型太陽能電池的結構 10圖4我國太陽能資源分布圖18圖5全球太陽能電池實際產量（需求量）預測 23圖6全球1992年2004年累計安裝的太陽能發電系統 24圖7 SolarWorld股價走勢圖26圖8

4、Tokuyama股價走勢圖27圖9各種能源形式發電成本30表1我國各種太陽能電池實驗室研究的最高效率8表2中國能源消費結構20表3全球太陽能行業發展預測28表4我國近年與將來的光伏發電市場消費結構 29表5多晶硅原料成本構成30表6世界十大太陽能電池廠商20032005年排名與產量32表7太陽能電池產量地區分布33表8 1999-2004年各類太陽能電池產量百分比33表9我國太陽能電池的主要生產企業及其產能 37第一章太陽能電池的現狀及發展趨勢1.1太陽能電池的發展歷程自從公元1800年意大利人伏特發明第一個電池后，人類的生活就注定要與“電”結下密不可分的關系。1879年美國人愛迪生發明電燈，

5、不僅點亮了黑暗 的夜晚，更照亮了人類光明璀璨的歷史文明。電的產生方式有很多種，包括：石 油、瓦斯、煤、鈾、等。但是這些能源的儲量有限，在人類高度的開發利用 下，終有消耗殆盡的一天。因此，世界各國無不積極地研發新的替代能源，太陽 能電池就是一種最佳的選擇。太陽能電池又稱光電池，光生伏打電池。是一種將光能直接轉換成電能的半 導體器件。工作原理是基于半導體P-N結的光生伏打效應。當電池表面受到光照 時，在電池內部產生的光生電子一空穴對擴散到P-N結并受結電場影響而分開，電子移向N區，空穴移向P區，這樣在P區和N區之間產生了光生電動勢，當外 電路連接起來時就有電流通過。目前太陽能電池已經在電力、 通訊

6、、電子產品及 交通運輸等方面，占有舉足輕重的地位，尤其在太空及部分偏遠地區，更是扮演 無可取代的角色。第一個太陽能電池是在1954年由美國貝爾實驗室（Bell Lab.）所制造出來 的，當時是希望能替偏遠地區的通訊系統提供電源。不過由于效率太低（只有 6%）,而且造價太高（357美元/瓦），因而缺乏商業上的價值。就在此時，開創人類歷史的另一項計劃一一太空計劃也正如火如荼地進行 著，而因為太陽能電池具有不可取代的重要性， 使得太陽能電池得以找到另一片 發展的天空。從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，太陽能電池就肩負著太 空飛行任務中一項重要的任務，一直到 1969年美國人登陸月球，太陽能電池

7、的 發展可以說達到顛峰。可是因為太陽能電池高昂的造價，使得太陽能電池的應用范圍受到限制。1970年代初，由于中東戰爭，石油禁運，工業國家的石油供應中斷造成能源危機，迫使人們不得不再度重視太陽能電池應用于電力系統的可行性。在20世紀70年代中期，研制出超薄單晶硅光伏電池。1990年以后，人們開始將太陽能電池發電與民生用電結合，于是“與市電并聯型太陽能電池發電系統”(grid-co nn ected photovoltaic system)開始推 廣。此即把太陽能電池與建筑物的設計整合在一起，并與傳統的電力系統相連結，如此就可以從這兩種方式取得電力， 除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩余的電 力還可

8、儲存或是回售給電力公司。到目前，太陽能電池已經發展到第三代。第一代太陽能電池主要是基于硅晶片，采用單晶硅和多晶硅及 GaAs材料制作。其技術已發展成熟，但高昂的材料 成本在全部生產成本中占據主導地位。要真正達到大規模利用太陽能電池的目 標，降低材料的成本就成為降低光伏電池成本的主要手段。以至于使得人們不惜以犧牲電池的轉換效率為代價來開發薄膜電池。第二代太陽能電池是基于薄膜技術的一種太陽能電池。構成薄膜太陽能電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、 非晶硅、碲化鎘以及銅銦硒，其中以多晶硅薄膜太陽能電池性能最優。第三代太 陽能電池是21世紀以來的主要發展方向，主要本著以提高光電轉換效率和降低 生產成本

9、為根本目標進行研發。目前投入應用的主要有疊層太陽能電池、納米太陽能電池、玻璃窗式太陽能電池等結構。1.2太陽能電池的分類按應用可將太陽能電池分為空間用太陽能電池與地面用太陽能電池。 地面用 太陽能電池又可分為電源用太陽能電池與消費電子產品用太陽能電池。 對每種太 陽能電池的技術經濟要求不同。空間用太陽能電池要求耐輻射、 轉換率高、單位 電能所需的重量小；地面電源用太陽能電池要求發電成本低、 轉換效率高；消費 電子用太陽能電池則要求薄而小、可靠性高等。根據所用材料的不同，太陽能電池主要可分為硅系太陽能電池、化合物半導 體太陽能電池和染料敏化納米晶化學太陽能電池。 下面主要按這種分類來介紹太 陽能

10、電池。1.2.1硅系太陽能電池121.1單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池是開發最早、發展最快的一類太陽能電池，目前單晶硅太 陽能電池的光電轉換效率為15流右，最大已達到24.7%，為澳大利亞新南威爾 士大學創造并保持。代表性的單晶硅電池商品主要有荷蘭 Shell Solar,西班牙 Isofoton,印度 Microsol 等廠家。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工 藝基礎上的。現在單晶硅的電池工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面 織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術，開發的電池主要有平面單晶硅電池和刻 槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉換效率主要是靠單晶硅表面微結

11、構處理和分區摻 雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統研究所保持著世界領先水平。 該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。并在表面把一 13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合，通過改進了的電鍍過程增 加柵極的寬度和高度的比率；通過以上制得的電池轉換效率超過23%最大值可達23.3 %。Kyocera公司制備的大面積（225cm2單晶硅太陽能電池轉換效率為 19.44%,國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開 發，研制的平面高效單晶硅電池（2cmx 2cm）轉換效率達到19.79%,刻槽埋柵 電極晶體硅電池（5cmX 5cm）轉換效率達8

12、.6%。單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的， 在大規模應用和工業生產中仍占 據主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響， 致使單晶 硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。 為了節省高質量材 料，尋找單晶硅電池的替代產品，現在發展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜 太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。121.2 多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池的主要優勢是降低成本。由于單晶硅太陽能電池需要高純硅材料（空間太陽能電池用硅材料純度9N,地面太陽能電池用硅材料純度 68N，其材料成本占電池總成本的一半以上。相比之下，多晶硅電池材料制備 方法簡單、耗能少，可連

13、續化生產。但多晶硅太陽能電池的光電轉化效率較低， 目前商業化電池的效率僅為14流右。實驗室最高效率達到 20.3%,為德國研究 機構獲得。具有代表性的商品有 Q-Cell, Motech, Sun tech 等公司生產的產品。人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅 膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們 一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學 氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD和等離子增強化學氣相沉積（PECVD 工藝。此外，液相外延法（LPPE和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。化學氣相

14、沉積主要是以SiH2CI2、SiHCI3、SiCl4或SiH4為反應氣體，在一 定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、Si02、Si3N4等。但研究發現，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在 晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVDS襯底上沉積一層較薄的非晶 硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環節，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外 采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術， 這樣制得的太陽能電池轉換效率 明顯提

15、高。德國費萊堡太陽能研究所采用區熔再結晶技術在 FZSi襯底上制得的 多晶硅電池轉換效率為19%,日本三菱公司用該法制備電池，效率達16.42%。液相外延（LPE法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達12.2 %。我國光電發展技術中 心的陳哲良教授采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅粒”太陽能電池，但有關性能方面的報道還未見到。從石英砂制備單晶硅和多晶硅太陽能電池的工藝流程如下圖所示。工業蛙圖1從石英砂到晶硅太陽能電池的工藝流程121.3非晶硅太陽能電池非晶

16、硅太陽能電池的優勢是硅資源消耗少、生產成本低，近年來發展迅速。目前非晶硅單結電池的最高效率已可達到 14.6%左右，大量生產的可達到8%10流右。疊層電池的最高效率可達到 21.0%。比較代表性的非晶硅電池生產廠家有德國 RWE Schott Solar，日本 Ken aka 和美國 Un ited Solar由于非晶硅對太陽光的吸收系數大，因而非晶硅太陽能電池可以做得很薄， 通常硅膜厚度僅為1-2卩m是單晶硅或多晶硅電池厚度（0.5mm左右）的1/500, 所以制作非晶硅電池資源消耗少。非晶硅太陽能電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷（SiH4）氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低（200

17、C左右），因此制作時能量消耗少，成本 比較低，且這種方法適于大規模生產，單片電池面積可以做得很大（例如 0.5mx 1.0m），整齊美觀。非晶硅電池的另一特點是對藍光響應好，在一般的熒 光燈下也能工作，因此被廣泛用作電子計算器和手掌電腦的電源，估計全世界使用量達到每月1千萬片左右。非晶硅中由于原子排列缺少結晶硅中的規則性，往往在單純的非晶硅p-n結構中存在缺陷，隧道電流占主導地位，無法制備太陽能電池。因此要在p層與 n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以非晶硅太陽能電池一般 具有pin結構。如果制成pin/pin/pin的多層結構便形成疊層結構，在提高非晶硅太陽能電池的轉換效率和改

18、善穩定性方面， 疊層太陽能電池是一個重要的發展 方向。非晶硅由于其內部結構的不穩定性和大量氫原子的存在，具有光疲勞效應（Staebler Wron ski效應），故非晶硅太陽能電池經過長期工作穩定性存在問 題。近10年來經努力研究，雖有所改善，但尚未徹底解決問題，故作為電力電 源，尚未大量推廣。非晶硅太陽能電池的研究，現在主要著重于改善非晶硅膜本 身性質，以減少缺陷密度，精確設計電池結構和控制各層厚度，改善各層之間的界面狀態，以求得高效率和高穩定性。1.2.2化合物半導體太陽能電池化合物半導體太陽能電池突破了由硅原料-硅錠-硅片-太陽能電池的工藝路線，采用直接由原材料到太陽能電池的工藝路線，發

19、展了薄膜太陽能技術，這適應了太陽能電池的高效率、低成本、大規模生產化發展的要求。目前，化合物半導體薄膜太陽能電池的主要類型有CdS系太陽能電池、CdTe系太陽能電池、CuI nSe2系列太陽能電池、CdS/C uln Se2太陽能電池、GaAs系列 太陽能電池和InP系列太陽能電池。上述電池中，盡管CdS CdTe多晶薄膜電池 的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽 能電池最理想的替代。GaAs及 CuInSe2系列薄膜電池由于具有較高的轉換效率受到人們的普遍重 視。GaAs屬于III-V 族

20、化合物半導體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太 陽光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等 III-V 化合物薄膜電池的制備主要采用MOVP和LPE技術，其中MOVP方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯、 反應壓力、III-V 比率、總流量等諸多參數的影響。除GaAs外,其它III-V 化合物如Gasb GaInP等電池材料也得到了開發。 1998年德國費萊堡太陽能系統研究所制得的 GaAs太陽能電池轉換效率為 24.2 %，為歐洲記錄。首次制備的 GaInP電池轉換效率為14.7 %。另外，該研 究所還采用堆疊結構制備 GaAs Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在 一起，

21、GaAs作為上電池，下電池用的是 Gasb,所得到的電池效率達到31.1 %。銅銦硒CuInSe2簡稱CIS。CIS材料的能降為1.leV，適于太陽光的光電轉 換，另外，CIS薄膜太陽能電池不存在光致衰退問題。因此， CIS用作高轉換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的 蒸發源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用 H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成 均勻的CISoCIS薄膜電池從80年代最初8%的轉換效率發展到目前的15%左右。 日本松下電氣工業公司開發的摻傢的 CIS電池，其光電轉換效率為15.3 % （面 積1cm2 o

22、1995年美國可再生能源研究室研制出轉換效率為17.1 %的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉換效率。CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等 優點，將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源， 由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。1.2.3染料敏化納米晶化學太陽能電池受到綠色植物光合作用的啟發，納米晶材料太陽能電池于20世紀90年代誕 生。有人稱這種納米晶太陽能電池為“人造樹葉”，也有人稱其為分子電子器件。 目前納米晶太陽能電池的光電轉換效率為 78%使用壽命可達15年以上，加上 它的成本僅為硅太陽

23、能電池10%20%納米晶太陽能電池引起了全世界的關注。納米晶化學太陽能電池（簡稱NPCt池）是一種光電化學電池，它與自然界 的光合作用有兩點相似：利用有機染料吸收光和傳遞太陽能；利用多層結構來吸 收和提高收集效率。納米晶化學太陽能電池是由一種窄禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能 隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過渡金屬 Ru以及Os等的有機化 合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶 Ti02并制成電極，此外NPC電池 還選用適當的氧化一還原電解質。納米晶 TiO2太陽能電池工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態，激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶,染料中失去的電子

24、則很快從電解質中得到補償，進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜，然后通過外回路產生光電流。納米晶TiO2太陽能電池的優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性 能。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。 目前納米晶太陽能電池材料的研究熱點是：使用摻雜技術提高TiO2的光電轉換效率；開發新的寬頻光電效應和高光電轉換效率的新型納米晶體材料；尋找在低溫下燒結制備電極的途徑；開發固體電解質新材料。1.3太陽能電池發展的瓶頸我國光伏產業經過20多年不懈努力，已達到一定技術水平和生產規模。但 現階段，我國太陽能光伏產業還存在一些瓶頸。 盡管目前國內太陽能光伏電池生 產技術基本

25、上與國際同步，但是相關產業鏈非常不健全，原材料和生產設備幾乎 全部依賴進口。此外，貸款難、人才稀缺、投資巨大等，也是制約國內太陽能企 業發展的“攔路虎”。另外，技術和行業標準還不盡完善。目前世界上應用最廣泛的太陽能電池是晶體硅太陽能電池，而生產晶體硅太陽能電池的原材料一一高純度多晶硅在我國卻極度短缺，絕大部分需要依賴進 口。我國生產太陽能電池所需的硅原料呈現“兩頭在外”的格局，即90鳩上的原料進口，90%勺產品出口。據我國工程院的專家調查，2005年我國對多晶硅的需求量為3800噸，其中 光伏產業需求2691噸，而2004年我國多晶硅的產量只有60噸，主要企業為峨 嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅有

26、限公司， 即使全部供應光伏產業，也僅是市場需 求的2.6 %，其余只能依賴進口。據報道，四川新光硅業科技有限責任公司是我 國最大的多晶硅生產單位，目前已投資 11億元正在建設1200噸多晶硅生產線, 預計2006年年底投產，洛陽中硅高科技有限公司300噸多晶硅項目于2005年9 月投產。但與巨大的原料需求而言，仍無法滿足國內太陽能電池廠家的需求。而目前國際市場上的多晶硅也供不應求。 電子和太陽能兩個行業使用的高純 度硅從2004年的31000噸增長到2005年的35000噸左右，這個增長是由電子行 業5%勺年用量增長和太陽能行業 20%勺年用量增長推動的。太陽能行業中，按照 從硅料到電池的產業

27、劃分，產業結構呈明顯的金字塔結構。圖 2晶硅系太陽能電池產業結構高居塔尖的是7家太陽能多晶硅廠商：Tokuyama Mitsubishi Material 、Mitsubishi Polysilic on、 Hemlock Semic on ductor、 Adva need Silic onMaterials、Solar Grade Silicon 、Wacker Piktsilicon;第二層是 15 家硅片廠商，包括 RWE Schott Solar、Sharp、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera 等，在這一環節主要的技術流程包括鑄錠（或單晶生長）、切方滾磨、

28、用多線切 割機切片、化學腐蝕拋光，其中鑄錠（或單晶生長）環節屬于高能耗，切割機等 投資規模亦相對較大，設備投資約占初期總投資的60%上；第三層是太陽能電池制造，按照2004年產量，Sharp為全球最大之電池制造商，Shell SolarKyocera、BP Solar、RWE Schott Solar 分列二至五位，根據 2004 年底數據, 全球電池廠商有40余家；下面是組件，將制作好的電池封裝，技術含量相對較 低，進入門檻亦低，屬于勞動力密集型產業，全球廠商數量超過 200家，國內亦 有相當多企業進行封裝作業。由于市場供不應求，多晶硅的價格大幅上漲，一公斤太陽級多晶硅材料由兩 三年前的13

29、美元，一路猛漲到46美元，漲幅高達250%，甚至達到60美元80 美元。但由于制作太陽能電池所需的提純硅技術主要被西方國家壟斷。所以，目前在國內幾乎沒有企業能生產高純度硅原料，大部分依靠進口，而我國大多數光 伏企業通過外購電池片封裝加工組件， 不但增加成本，更失去了掌握市場的主動 性。國外主要多晶硅生產企業現已形成了企業聯盟，嚴格控制技術轉讓并壟斷全球硅材料市場，抬高多晶硅價格。這使得國內有的太陽能電池生產廠在當前遭遇 了即使出高價也購買不到多晶硅的“無米下鍋”局面。 目前，國內多數太陽能電 池制造企業產能都有放空現象。國內正在興起一股太陽能電池投資熱潮，這將進一步引起原料的爭奪大戰，從而加劇

30、原料供應的緊張。由于晶硅原料占太陽能電池生產成本的40%左右，因此，原料成本進一步提高了多晶硅太陽能電池制造成本，這將威脅到晶硅基太陽能電池的發展。但另一方面，為非硅基太陽能電池（如低成本高性能可見光響 應型太陽能電池）的發展創造了難得的機遇。1.4太陽能電池的發展趨勢人類利用太陽能已有幾千年的歷史， 但發展一直很緩慢，現代意義上的開發 利用只是近半個世紀的事情。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太 陽能電池，從此揭開了太陽能開發利用的新篇章， 之后，太陽能開發利用技術發展很快，特別是70年代爆發的世界性的石油危機有力地促進了太陽能的開發利 用。隨著可持續發展戰略在世界范圍內的實施，

31、太陽能的開發利用又被推到新高度。21世紀初至中葉將是太陽能開發利用技術的重要發展時期。世界范圍內的 能源問題、環境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發利 用。光伏技術的發展，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽 能電池和各種新型太陽能電池的發展。 如前所述，晶體硅太陽能電池具有轉換效 率高、性能穩定、商業化程度高等優點，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問 題。高效新型太陽能電池技術的發展是降低光電池成本的一條切實可行的途徑， 近年來，一些新型高效電池不斷問世：銅銦硒(CuinSe2，CIS)薄膜太陽能電池：1974年CIS電池在美國問世，1993年美國國家可再生能

32、源實驗室使它的本征轉換效率達16.7 %，由于CIS太陽能電池具有成本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過增大禁帶寬度提高轉換效 率(理論值為單晶30%，多晶24%)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優點，各 國都在爭相研究開發，并積極探索大面積應用的批量生產技術。硅-硅串聯結構太陽能電池：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用 長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉換效率的良好途徑。它具有成本低、耗能 少、工序少、價廉高效等優點。用化學束外延(CBE)技術生產的多結III-V 族化合物太陽能電池：III-V 族 化合物(如GaAs InP)具有較高的光電轉換效率，這些材料的多層匹配可將太陽 能

33、電池轉換效率提高到35%以上。而這種多層結構很容易用 CBE法制作，并能降低成本獲得超高效率大面積光伏納米電池：1991年瑞士 M. GRATZE博士領導的研究小組，用納米TiO2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制 作出微晶染料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。計算表明，可制造出轉換效率至 少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應用于建筑物外表面提供了廣闊的 前景。隨著研發投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專家斷言，只 要有一、二種新型電池取得突破，就會使光電池局面得到極大的改善。隨著光電化學及光伏技術和各種半導體電極試驗的發展，使得太陽能制氫成 為氫能產

34、業的最佳選擇。20世紀90年代在太陽能制氫方面獲得了較大進展，1990 年德國建成一座500KW攵陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發電能力為 350KW 的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資4800萬美元，在每 年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500KW攵陽能電站制氫，用光伏一電解系 統制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來，保證運輸的安全。氫能具有重量輕、 熱值高、爆發力強、品質純凈、貯存便捷等許多優點。隨著太陽能制氫技術的發 展。用氫能取代碳氫化合物能源將是 21世紀的一個重要發展趨勢。隨著世界范圍內的環境意識和節能意識的普遍提高，光伏技術將逐步由農 村、偏遠地區以及

35、其它特殊應用場合向城市推進，伴隨著更多國家屋頂計劃的實 施，光伏發電將走進城市的千家萬戶。隨著人類航天技術以及微波輸電技術的進一步發展，空間太陽能電站的設想可望得到實現。由于空間太陽能電站不受天氣、 氣候條件的制約，其發展顯示出 美好的前景，是人類大規模利用太陽能的另一條有效途徑。第二章國內太陽能電池的研究現狀國內對于太陽能電池的研究主要集中在實用型的單晶硅太陽能電池、高效單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、砷化傢太陽能電池、 空間用的硅太陽能電池及其系統、 銅銦硒及碲化鎘化合物薄膜太陽能電池、 聚光 太陽能電池及系統和納米晶化學太陽能電池。對一些太陽能電池用的材料也進行 了

36、研究和國產化。目前，國內太陽能電池的研究機構主要集中在大學和研究所，如北京市太陽能研究所、信息產業部第18研究所、上海811研究所、中科院半導體所、等離 子體所和廣州能源研究所、西安交通大學太陽能研究所、南開大學、上海交通大 學、云南師范大學、四川大學等等。光伏企業中，無錫尚德太陽能電力公司建立 了研發中心。表1我國各種太陽能電池實驗室研究的最高效率類型最咼效率（%）面積(cm2 )單晶硅電池20.42214-16商業化GaAs電池21.9仆1多晶硅電池16.02213-15商業化Cui nSe2 電池12.11匯1CdTe電池13.360. 5多晶硅薄膜電池13.6仆1,非活性硅襯底11.2

37、（單結）幾平方毫米11.4（雙結）幾平方毫米非晶硅電池8.610 匯 107.920漢206.230漢30二氧化鈦納米有機電池101匯1南開大學從1978年開始對非晶硅材料和非晶硅太陽能電池進行研究與開發，至今已有二十多年的歷史。在這期間，南開大學取得了15項研究成果；并獲得實用新型專利一項；獲得國家科委、國家教委“3 0cm*30cm非晶硅太陽電池 中試線”重大科技成果獎一項。并成功地建設了非晶硅太陽能電池試驗線和中試 線。為其產業化奠定了技術基礎。四川大學太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領下， 率先在我國開展 了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究。 在“九五”期間，承擔了科技部資助的科技攻

38、關計劃課題：“U -切族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研制”。現在承擔的“碲化鎘薄膜太陽電池的制造技術及中試生產線”是國家863計劃中的重點課題之一，再次創造我國碲化鎘電池轉換效率的新紀錄一一 13.38%,也創造了我國 各種新型太陽能電池的新紀錄。專家們認為，這項紀錄是在沒有使用減反射膜的 情況下得到的，實際上已接近世界領先水平。目前，該項目已申請和獲得了11項中國發明專利，所提供的成果既包含全套大面積碲化鎘薄膜太陽能電池組件的 制造技術，還包含1000萬元以上的關鍵設備。單晶硅太陽能電池由于制作工藝復雜， 使得生產成本很高，遠不能達到大規 模推廣應用的要求。多晶硅、非晶硅及鎘碲化合物半導體

39、太陽能電池中光的吸收 和電子-空穴的分離幾乎是同時進行的，為了避免電子-空穴的復合，所用材料必 需具有高純度而且沒有結構缺陷，這樣造成了半導體材料的高成本。同時像CdTe、Ga In等還有毒性，這些因素限制了這類液結半導體太陽能電池的進一步 發展。20世紀80年代以來，人們一直在探索高比表 TiO2薄膜的制備方法，并用光敏化材料對其敏化以提高光電轉換特性， 但是轉換效率低，單色光的光電轉 換效率一直低于3 % 1991年，瑞士的Gratzel等人提出了一種以羧酸聯吡啶釘 (II)配合物染料敏化TiO2納米薄膜為光陽極，選用含I - / 13 -等低揮發性鹽作電解質制成的納米晶化學太陽能電池 (

40、Na nocrystilli ne PhotoelectrochemicalCell簡稱NPC電池)取得了模擬太陽光下(AM 1.5) 7. 1 % 的光電能轉換效率。 這種染料敏化的NPC僅在一個帶上產生載流子，即陽極發生敏化后，電子注入納 米TiO2導帶，而空穴仍留在表面的染料上，因此電荷的重新復合受到抑制，從 而可以使用純度不高的材料，成本大為降低。此后，NPC電池引起了各國科學家的廣泛關注。我國無論在NPC電池的科學研究和產業化研究上都取得了不少階段 性的成果。在科學研究上，北京大學黃春暉教授領導的研究組在純有機染料、電極材料的修飾以及多聯吡啶釘染料的優化都取得了較好的結果；中科院化學

41、研究所的肖緒瑞教授，林原教授等人在凝膠復合染料和半固態電解質等方面取得了一 定的結果；中科院物理所表面物理國家重點實驗室孟慶波教授等人在固態電解質 和緊湊有序陣列電極等方面有所創新；中科院等離子所戴松元教授等人對染料敏 化太陽能電池組件及封裝技術做出了較系統的研究，浙江大學、東南大學、大連理工大學和華僑大學對染料敏化納米晶太陽能電池研究也取得較好的成果，在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都與國際水平相接近，且在該領域具有一定的影響。在產業化研究上，經過國家重點基礎研究發展規劃項目和中國科 學院知識創新項目的資助，現已在中國科學院等離子體物理研究所建成產業化初 步實驗線，并接近中試規模。

42、其中，單片大面積染料敏化納米薄膜太陽能電池 (15cmx 20cm)的光電轉換效率穩定在5%以上，并通過拼裝的方式組裝成實用的 太陽能電池板，面積達到40cmx 60cm以上，室外測試電池效率達到 5.5%以上，接近未來實用化水平，為目前國際較高水平，并已突破染料敏化納米薄膜太陽能 電池在電極、密封和連接等應用“瓶頸”，近期，在實驗室小批量實用化生產和 技術研究上取得重大進展，建成500瓦規模的小型示范電站，其電池方陣面積為14.4平方米，光電轉換效率達到5% 2005年，中國科學院物理研究所孟慶波研 究員和陳立泉院士等合作，合成了一種新型的具有單碘離子輸運特性的有機合成 化合物固態電解質，研

43、制的固態復合電解質納米晶染料敏化太陽能電池效率達到 了 5.48 %。這些工作都為NPC電池的最終產業化，知識產權國產化奠定了堅實 的基礎。但對NPC電池來說，目前還存在著以下一些制約因素。現在公認使用效果最好的RuL2(SCN)2的制備過程比較復雜，而釘本身 又是稀有金屬，因而價格比較昂貴，來源也較困難。另外，二氧化鈦易使染料光 解，從而導致接觸不好。因此，尋找低成本而性能良好的染料成為當前研究的一 個熱點。在NPC電池研制過程中，染料光敏化劑的光譜吸收特性和穩定性是很 重要的因素，若能找到具有更寬吸收范圍的染料光敏化劑， 有助于提高光電能量 轉換率。大量的實驗表明，染料的多層吸附是不可取的

44、，因為只有非常靠近二氧化鈦表面的敏化劑分子才能把激發態的電子順利注入到二氧化鈦導帶中去，多層敏化劑的存在反而會阻礙電子的輸送，導致光電能量轉換率下降。為使單層吸附的效率提高，可以采取以下方法：使用高比表面的多孔膜來代替平整膜；提高染料在電極表面的吸附能力，因為染料的激發態壽命很短， 只有與電極緊密結合的染料才有可能將能量及時傳遞給電極，所以染料最好能化 學吸附在電極上。另外，設計更多、更有效的多吡啶釘化合物，或者其他替代物 也是重要的努力方向第三章低成本高性能可見光響應型太陽能電池3.1可見光響應型太陽能電池研究的重大意義近年來太陽能電池發展很快，1999年以來，每年的發展速度都在 35沖上，

45、 2004年全球產量更是達到1194MWV可謂發展迅速。即便如此，世界太陽能電池 產量仍然供不應求，尤其是德國實行了新的并網電價后， 光伏發電在德國成了很 有前途的產業，吸引德國民眾踴躍參與，更是加劇了這種供應緊張趨勢。 這種現 象并不是暫時的，需求量尚未達到最高峰，隨著歐美、日本等發達國家和一些發 展中國家包括中國繼續實施龐大的光伏屋頂計劃， 對太陽能電池的需求會更加迫 切。不過與目前的常規能源相比，太陽能電池的使用成本還是很高。 通過改進現 有的制造工藝，設計新的電池結構，開發新穎電池材料等方式降低制造成本， 提 高光電轉換效率是太陽能電池研發的主要方向。 許多科研工作者在這些方面進行 了

46、大量的研究工作，南京大學用可見光響應型光電極制備的太陽能電池作為新一 代太陽能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創性，結果表明有廣泛 的實用化前景。它實際上是一種新型的納米晶太陽能電池， 不用或少用染料敏化 劑，進一步降低了生產成本，方便大規模生產，具有很強的競爭力。因此，發展 可見光響應型太陽能電池具有重要的意義。3.2可見光響應型太陽能電池的結構可見光響應型太陽能電池主要由透明導電基片、多孔納米晶氧化物半導體薄 膜、染料光敏化劑、電解質溶液（含超敏化劑）和透明電極組成，每層厚度不大 于200nm導電玻璃層除外。其工作原理是，染料分子吸收太陽光能后躍遷到激 發態，但激發態不穩定，電子

47、快速注入到緊鄰的氧化物半導體導帶， 而且氧化物半導體本身價帶上的電子也能被激發到導帶。 半導體和染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償，進入氧化物半導體導帶中的電子最終進入導電膜， 然后通 過外回路產生光電流。e-模擬龍陽光（AM-1.5,10OmW/cm2（ J1S-陶）導電ftURSnS電解酒辱電性SnO2、皺璃基版圖3可見光響應型太陽能電池的結構注：AM-1.5, 100mW/cm2, JIS-A組是國際標準，是指在每平方厘米上有相當于100mV的太陽能照射。3.3可見光響應型太陽能電池的制備技術可見光響應型太陽能電池的制備工藝主要為絲網印刷。清洗并烘干玻璃襯底，用化學氣相沉積法先在上

48、面沉積一層 SnO2膜制成透明導電玻璃，然后在透 明導電玻璃上鍍一層多孔納米晶氧化物薄膜， 熱處理后吸附上起電荷分離作用的 單層染料構成光電極，對電極由鍍有催化劑（如鉑、碳等）的導電玻璃構成，中 間充入具有氧化還原作用的電解液（如含 I-/I3-的有機溶劑），經密封劑封裝 后，從電極引出導線。3.4關鍵技術的創新該課題組用已開發出的新型可見光響應型復合氧化物半導體制備光電極來開發新型可見光響應型太陽能電池，波長在800nm以內的光能激發這種太陽能電 池。在不使用有機染料條件下其太陽光轉化率已達到1.0%;從根本上解決了染料敏化太陽能電池壽命低且不穩定的弱點。 該課題組最新研究結果表明，由多種

49、新型可見光響應型復合氧化物半導體制備的光電極配以少量的染料來敏化電極 可獲得更高的電流和電壓而不會影響新型可見光響應型太陽能電池的壽命。這是世界上第一次可見光響應型太陽能電池的研究。用可見光響應型光電極制備的太陽能電池作為新一代太陽能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創性，結果表明有廣泛的實用化前景。本項目的 創新之處是利用自己開發的可見光響應型電極材料制備太陽能電池，有效利用半導體和染料的光吸收，使二者在產生電流過程中相輔相成， 有望更高的能量轉化 效率。該研究成果可以向市場提供高效率、 低價格的光電轉換器件等一系列新產 品，用于民用及軍事之目的。第四章可見光響應型太陽能電池的研發計

50、劃4.1現有研究進展該課題組已經成功合成了在可見光領域動作的氧化物半導體光催化劑，從根本上解決了可見光響應型光電極材料。這一成果已于2001年末在Nature上發表，并開發出一系列新型光催化劑，在更寬的可見光領域（至600nn）有反應,已申請了多項發明專利4.2研究工作基礎和條件可見光響應型光電極材料是整個太陽能電池的關鍵， 其性能的好壞直接關系 到太陽能電池的效率。該課題組針對光電極材料做了大量研究工作， 目前已獲得 和申請七項專利：（一）堿金屬和Ag的鉍系復合氧化物可見光響應的光催化劑及其應用授權公告日：2005年8月17日專利號：ZL03158264.8鄒志剛、陳延峰、葉金花【摘要】堿金

51、屬和Ag的鉍系復合氧化物可見光響應的光催化劑， 一般式：MBiO3?nH2O 表示的復合氧化物半導體所構成的光催化劑（在式中，M必須表示Li、Na K、Ag 中的至少一個元素，0W n 6680 5.1桔紅好5850- 66804.5 - 5.1黃一般5000- 58503.8 - 4.5淺藍較差4200 50003.2 - 3.8深藍很差 4200 3.2根據各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為如下五類地區：一類地區為我國太陽能資源最豐富的地區，全年日照時數為32003300h,年太陽輻射總量 6680-8400 MJ/m2相當于日輻射量 5.1-6.4KWh/m2，225285kg標

52、準煤燃燒所發出的熱量。這一地區主要包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達8400 MJ/m2（日輻 射量6.4KWh/ m2),居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。二類地區為我國太陽能資源較豐富地區，全年日照時數為30003200h,年太陽輻射總量為5852-6680 MJ/m?相當于日輻射量 4.5-5.1KWh/m2，200225kg 標準煤燃燒所發出的熱量。這一地區主要包括河北西北部、山西北部、內蒙古南 部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。三類地區為我國太陽能資源中等類型地區，全年日照時數為22003000h,年太陽輻

53、射總量為5016-5852 MJ/m?相當于日輻射量 3.8-4.5KWh/m2,170200kg 標準煤燃燒所發出的熱量。這一地區主要包括山東、河南、河北東南部、山西南 部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南 部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。四類地區是我國太陽能資源較貧乏地區，全年日照時數為14002200h,年太陽輻射總量4190-5016 MJ/m2，相當于日輻射量 3.2-3.8KWh/m2, 140170kg 標準煤燃燒所發出的熱量。這些地區包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建 北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等地。五類地區主要

54、包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區， 全年日 照時數為10001400h,年太陽輻射總量3344-4190 MJ/m?相當于日輻射量只有 2.5-3.2KWh/m2, 115140kg標準煤燃燒所發出的熱量。一、二、三類地區，全年日照時數大于 2000h,太陽能總輻射量高于5016MJ /(m2?a),是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區。這三類地區面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。特別是一、二類地區， 正是我國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠的廣大西北地區，經濟發 展較為落后。可充分利用當地豐富的太陽能資源， 采用太陽光發電技術，發展經 濟，提

55、高人民生活水平。四、五類地區，雖然太陽能資源條件較差，但是也有一 定的利用價值，其中有的地方是可能開發利用太陽能的。總之，從全國來看，我 國是太陽能資源相當豐富的國家，具有發展太陽能利用事業的得天獨厚的優越條 件，只要我們扎扎實實地努力工作，太陽能利用事業在我國是有著廣闊的發展前 景的。太陽能輻射數據可以從縣級氣象臺站取得， 也可以從國家氣象局取得。從氣 象局取得的數據是水平面的輻射數據， 包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和 水平面散射輻射。可以說，豐富的太陽能資源已成為我國向太陽能電池生產與消費大國邁進的 重要條件。5.1.2嚴峻的能源與環保形勢中國是世界上重要的能源生產大國， 更是世界上

56、的能源消費大國。一方面由 于中國經濟的迅猛發展帶動了對能源的高需求， 另一方面由于粗放型的經濟增長 方式也帶來能源利用效率較低和能源浪費的現象。數據表明：目前每百萬美元能 耗，中國是世界平均水平的3.1倍，是OECD經濟合作發展組織）國家和地區的 4.3倍，更是日本的9倍。中國已探明的常規能源資源總量（以噸煤當量計）是155Gt，占世界總量的10.7%,但由于我國人口眾多，人均能源資源（以噸煤當量計）只有 135t，相當 于世界平均擁有量264t的51%中國能源利用終端效率為33%比發達國家約低 10個百分點。目前，我國能源的供應狀況為：煤炭比重過大，環境壓力沉重， 人均能耗遠低于世界平均水平

57、，能源技術落后，系統效率低，產品能耗高，資源 浪費大。2004年，我國的能源消費總量為19.7億噸標準煤。專家預測，到2020 年，我國一次性能源需求量為2533億噸標準煤。屆時，按照33億噸標準煤的 需求量來衡量，我國的煤炭供應量將達到 2 9億噸，石油為6.1億噸。然而，到 2020年，我國煤炭產量最多可能只有 22億噸左右，石油的最高產量也只有 2億 噸，供需缺口高達7億噸煤和4.1億噸油。此外，我國的能源供應在今后還將面 臨兩個嚴峻挑戰：一是能源決策的國際環境復雜化，對國外石油資源的依存度快 速加大；二是世界上化石能源的可持續供應能力也遭遇嚴峻的挑戰。表2中國能源消費結構年份煤炭（%石

58、油（%天然氣（%水電（%197870.722.73.23.4198072.220.73.14.0198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1199967.123.42.86.7200467.722.72.67.0上表列出中國近年來的能源消費結構。 從表中可以看出中國的能源結構中有 一個最為不利的因素，即長期以來在能源的生產和消費中煤的比例占70%上,以煤炭作為主要能源，造成嚴重的大氣污染。煤炭使用過程產生的污染是中國最 大的大氣環境污染問題。全國煙塵排放量的 70%二氧化硫排放量的90%氮氧 化物的67%二氧化碳的70%TE來自于

59、燃煤。在大氣污染物排放中，SO2排放與電力行業發展密切相關。燃煤電廠是煤炭 的主要用戶，電力耗煤占煤炭總產量的 60%同時也是SO2排放大戶。除了能源 消費過程中的污染物排放外，能源在開采、煉制及供應過程中，也會產生大量有 害氣體，嚴重影響著大氣環境質量。2000年，能源生產相關行業煙塵排放量占 全國煙塵總排放量的29.8%,對大氣環境造成嚴重的污染。另外，燃煤產生的氮 氧化物就可能從2000年的1880萬噸的水平分別增加到2010年和2020年的2467 萬噸和2870萬噸的水平。如果加上汽車尾氣排放的氮氧化物， 未來20年氮氧化 物的產生量還會增加。因此，未來 20年減排氮氧化物的任務將比

60、減排二氧化硫 還要嚴峻。水污染物排放：據統計，中國煤礦每年產生的各種廢污水約占全國總廢污水 量的25% 2000年，全國煤礦的廢污水排放量達到 27.5億噸，其中，礦井水23 億噸，工業廢水3.5億噸，洗煤廢水5000萬噸，其它廢水4500萬噸。二氧化碳排放：二氧化碳排放與能源結構、消費量和能源效率等密切相關。中國是世界上僅次于美國的 CO2排放量大國，1990年至2000年中國CO2排放量 由6.66億噸碳增至8.81億噸碳，由占全球排放量的11.6%增至13.7%。環境污染付出了高昂的經濟和公眾健康成本。 世界銀行根據目前發展趨勢預 計，2020年中國燃煤污染導致的疾病需付出經濟代價達 3