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太阳能的利用—薄膜太阳电池

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太阳能的利用—薄膜太阳电池

发布日期:2021-06-07 作者:admin 点击:

硅太阳电池的应用日趋广泛, 但昂贵的原材料成为发展的瓶颈. 薄膜太阳电池由于只需使用一层极薄的光电材料,材料使用非常少。并可使用软性衬底,应用弹性大,如果技术发展成熟,其市场面将相当宽阔。本文就迄今被人们广为关注的薄膜太阳电池, 即非晶硅薄膜太阳电池,微(多)晶硅薄膜太阳电池,铜铟硒薄膜太阳电池,碲化镉薄膜太阳电池,染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池的发展概况,技术难点和优缺点进行论述.

  1 引言

  新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中Z具决定性影响的技术领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源,既可作为独立能源, 亦可实现并网发电, 而且是零污染排放。硅太阳电池由于成本原因, Z初只能用于空间, 随着技术发展和生产工艺成熟, 其成本日趋下降, 应用也逐步扩大. 面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染, 以至危及人类自身生存的现实, 开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受. 发电能力超过100兆瓦的超大型光伏发电站相继在世界各处建造, 发电能力为几十兆瓦的大型光伏发电站更不在少数(在建的和已建成的). 大规模的发展使得上游原材料的生产供不应求, 问题日益突出, 许多太阳电池芯片生产厂家和组件生产厂家因原材料问题而不得不经常处于停产状态, 原材料的供应和价格成了制约当前太阳电池生产的瓶颈.

  大力发展薄膜型太阳电池不失为当前Z为明智的选择, 薄膜电池的厚度一般大约为0.5至数微米, 不到晶体硅太阳电池的1/100, 大大降低了原材料的消耗, 因而也降低了成本. 薄膜电池可沉积在玻璃、不锈钢片或聚脂薄膜等廉价的衬底上, 可以弯曲甚至可以卷起来, 便于携带.

  薄膜太阳电池的研究始于20世纪60年代, 目前从国际上的发展趋势看主要是非晶硅 (a-Si:H) 薄膜太阳电池, 微(多)晶硅薄膜太阳电池, 铜铟硒 (CuInSe,CIS) 薄膜太阳电池, 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池, 染料敏化薄膜太阳电池(DSSC), 有机薄膜太阳电池. 以下分别概述各类薄膜太阳电池的研发情况.

  2非晶硅薄膜太阳电池

  2.1 主要进展

  非晶硅薄膜太阳电池在20世纪70年代世界能源危机时获得了迅速发展, 它在降低成本方面的巨大潜力, 引起了世界各国研究单位、企业和政府的普遍重视, 其主要特点是

  (1) 重量轻,比功率高

  在不锈钢衬底和聚脂薄膜衬底上制备的非晶硅薄膜电池, 重量轻、柔软,具有很高的比功率.在不锈钢衬底上的比功率可达1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率Z高可达2000W/Kg. 而晶体硅的比功率一般仅40-100W/Kg. 由于衬底很薄,可以卷曲、裁剪, 便于携带, 这对于降低运输成本特别是对于空间应用十分有利.

  (2) 抗辐照性能好

  由于晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池在受到宇宙射线粒子辐照时, 少子寿命明显下降. 如在1Mev电子辐射通量1&TImes;1016e/cm2时, 其输出功率下降60%, 这对于空间应用来说是个严重问题. 而非晶硅太阳电池则表现出良好的抗辐射能力, 因宇宙射线粒子的辐射不会(或很小)影响非晶硅太阳电池中载流子的迁移率, 但却能大大减少晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池中少子的扩散长度, 使电池的内量子效率下降. 在相同的粒子辐照通量下, 非晶硅太阳电池的抗辐射能力 (效率10%, AM0条件下) 远大于单晶硅太阳电池的50倍, 具有良好的稳定性. 多结的非晶硅太阳电池比单结的具有更高的抗辐照能力.

  (3) 耐高温

  单晶硅材料的能带宽度为1.1eV, 砷化镓的能带宽度为1.35eV, 而非晶硅材料的光学带隙大于1.65 eV, 有相对较宽的带隙, 所以非晶硅材料比单晶硅和砷化镓材料有更好的温度特性. 在同样的工作温度下, 非晶硅太阳电池的饱和电流远小于单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池, 而短路电流的温度系数却高于晶体硅电池的1倍, 这十分有利在较高温下保持较高的开路电压(Voc)和曲线因子(FF). 在盛夏,太阳电池表面温度达到60-70度是常有的, 良好的温度特性是十分重要的.

  据报导在空间应用时, 由于辐照和高温的原因,初始稳定效率为9%的非晶硅太阳电池, 其性能优于初始效率为14%的单晶硅太阳电池.

  非晶硅太阳电池经过30多年的发展, 在技术上已取得很大进展, 主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜来替代非晶硅薄膜做窗口材料, 以改善电池的短波方向光谱响应; 采用梯度界面层, 以改善异质界面的输运特性; 采用微晶硅薄膜做n型层, 以减少电池的串联电阻; 用绒面二氧化锡代替平面氧化铟锡; 采用多层背反射电极, 以减少光的反射和透射损失, 提高短路电流; 采用激光刻蚀技术, 实现电池的集成化加工; 采用叠层的电池结构, 以扩展电池的光谱响应范围, 提高光电转换效率; 采用分室连续沉积技术, 以消除反应气体的交叉污染, 提高电池的性能. 上述技术的采用使非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率从2%提高到13.7%.

  随着非晶硅太阳电池光电转换效率的提高, 其产业化进程也取得令人瞩目的进展. 由于非晶硅材料优越的短波响应特性, 使其在计算器、手表等荧光灯下工作的微功耗电子产品中占据很大优势, 不仅在80年代的10年中取得了数十亿美元的利润, 而且至今仍具有很大的消费市场。从计算器、手表等弱光应用到各种消费品甚至功率方面的应用, 如收音机、太阳帽、庭院灯、微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵及小型独立电源等应用领域不断扩大, 产量迅速上升. 世界上出现了若干MW级的生产线和许多非晶硅薄膜太阳电池的企业. 到80年代中, 整个非晶硅薄膜太阳电池的年销售量增长很快, 形成了非晶硅薄膜、多晶硅和单晶硅的三分天下的局面.

  2.2 发展中出现的问题和应对措施

  尽管非晶硅薄膜太阳电池具有上述诸多优点, 然而在发展中也显现出一些明显的问题. 主要是电池的光电转换效率在强光作用下呈逐渐衰退的态势, 这一问题是阻碍非晶硅薄膜太阳电池进一步发展的主要障碍. 初期产品的光电转换效率本来就低(仅4-5%), 再加上30%左右的衰退率, 使非晶硅薄膜太阳电池的低成本的优势被较低的效率所抵消. 这样就造成了非晶硅薄膜太阳电池的产量从80年代末到90年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段. 对此学术界自90年代起围绕如何提高非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率稳定性的问题, 从材料、器件结构等多个层面进行研究. 特别针对光电转换效率在强光作用下衰退的机理进行了不懈的探索, 初步结论是本征非晶硅材料的S-W效应. 为了揭示S-W效应的起因, 在理论上人们提出了各种微观模型: 如Si-Si 弱键模型; 电荷转移模型; 再杂化双位模型; Si-H弱键模型以及桥键模型等.

  为了减少材料中的氢的含量, Z成熟的技术是在沉积薄膜的过程中用氢气稀释反应气体法。由于这种方法,工艺简单易行,而且效果明显,因此是当前普遍采用的技术。研究表明,用氢气稀释法制备的本征非晶硅的太阳电池,其光电转换效率的衰退率从25%以上降到20%。

  除上述通过改善非晶硅材料的S-W效应来提高电池的光电转换效率的稳定性以外, 人们还从电池结构上采取措施, 其中Z重要的就是采用多带隙叠层电池结构, 即多个不同带隙的p-i-n结叠加的结构, 这样可减薄每个子电池的i层厚度, 使每个电池的内电场增强, 从而增加了每个子电池的载流子收集效率.

  经过十几年的不断探索, 目前在提高非晶硅薄膜太阳电池的效率稳定性方面取得了很大的进步, 其光电转换效率的衰退率已达到小于15%. 光电转换效率本身也有明显的提高, 如小面积的已达到13%, 大面积的已超过10%, 组件的达到7.1%.

  技术上的突破与进步带来了更大规模的发展, 如九十年代中期, 国际上先后建立了数条5-10MW的薄膜太阳电池组件生产线, 生产能力增加了25MW. 生产流程实现了全自动化, 组件面积为平方米量级, 采用新型封装技术, 产品组件寿命达到10年以上.

  我国自70年代末开始研究非晶硅薄膜太阳电池, 到80年代末小面积电池效率达到11.2%, 大面积电池效率超过8%, 均达到国际先进水平. 然而在产业化方面落后于国外, 至今没有一条具有自主知识产权的非晶硅薄膜太阳电池生产线.

  目前研究、开发和生产非晶硅基太阳电池的大企业主要是:

  (1)日本的Kaneka公司。发展a-Si太阳电池有20多年历史,1999年达到规模生产,他们Z先开发了在200℃沉积a-Si/μc-Si叠层电池结构,並申请了专利。这种a-Si/μc-Si叠层电池的成本(按40MWp/年来计算), 只及c-Si太阳电池的一半。2002年其生产能力达25MWp/年,出口15MWp,2003年将增至40MWp. 他们生产的a-Si太阳电池组件效率为8%,並保证在20年内效率不会低于原来的80%。2005年生产的效率达12%,系统价格120万日元/3KWp;2006年生产的效率达13%,系统的价格为100万日元/3KWp。

  (2)日本三菱重工。2002年投产a-Si太阳电池,产量达10MWp/年,单结太阳电池效率达8%(初始为10%,3-4月后稳定在8%),寿命可达20-25年。2005年他们利用μc-Si/a-Si 叠层电池结构改进效率达到12%。其组件面积3600cm2,有50-100V的高压,功率输出24-100Wp,100日元/Wp。

  (3)日本三洋公司。75年开始研发a-Si,80年形成规模生产能力,生产用于计算器的a-Si太阳电池。目前他们的a-Si太阳电池组件生产能力为5MWp/年。

  (4)美国的United Solar 公司。该公司是ECD公司和BESS Europc合资经营的。2001年销售3。8MWp不锈钢衬底的a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层太阳电池,2002年以前的年产量为5MWp。 2002年6月24日开典的新厂,生产能力为30MWp/a,生产高度自动化,可同时在6卷不锈钢带上生产非晶硅太阳电池,每卷1。5英里。

  2004年全世界薄膜太阳电池(包括a-Si、CdTe、CIS)组件约为63MWp,仅佔太阳电池产量的5%,其中美国约佔36。5%,日本约佔27。7%。a-Si薄膜太阳电池佔了整个薄膜太阳电池的74。6%,其中日本佔37。2%,美国佔29。7%。

  2005年全球薄膜太阳电池增长4成,达88MWp,美再生能源实验室予测2009年,全球薄膜太阳电池的年产量可扩大到280MWp,美国为Z高达166MWp,其中非晶硅的年产量为55MWp。

  3. 微(多)晶硅薄膜太阳电池

  现有的非晶硅薄膜太阳电池的光致不稳定性是由非晶硅材料的微结构的亚稳态属性所决定的, 因此也是不易完全克服的. 为了提高效率及其稳定性, 近年来又出现了微晶硅(μc-Si) 薄膜电池和多晶硅 (poly-Si) 薄膜电池. 实验证明用微晶硅和多晶硅薄膜来替代非晶硅薄膜制作太阳电池的有源层, 在长期强光照射下没有任何衰退现象. 因此发展晶化的硅薄膜太阳电池是实现高稳定、高效率、低成本Z有前途的方法. 目前研究的焦点是如何利用低成本工艺技术, 获得大面积优质的晶体硅薄膜, 以及新型薄膜电池结构的优化设计. 制备晶体硅薄膜的技术很多, 基本可分成两大类, 一类是高温技术, 温度高于600℃, 另一类是低温晶化技术, 温度低于600℃ . 目前制备多晶硅薄膜的方法主要有:

  (1)低压化学气相沉积(LPCVD)

  这是一种直接生成多晶硅的方法。 LPCVD是集成电路中普遍采用的标准方法,具有生长速度快,成膜致密、均匀、装片容量大等特点。多晶硅薄膜可采用硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上,典型的沉积参数是:硅烷压力为13.3~26.6Pa,沉积温度Td=580~630℃,生长速率5~10nm/min。由于沉积温度较高,如普通玻璃的软化温度处于500~600℃,则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英玻璃作衬底。

  该法生长的多晶硅薄膜,晶粒具有择优取向,形貌呈“V”字形,内含高密度的微挛晶缺陷,且晶粒尺寸小,载流子迁移率不够大,使其在器件应用方面受到一定限制。虽然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸,但往往伴随着表面粗糙度的增加,对载流子的迁移率与器件的电学稳定性产生不利影响。

  (2)固相晶化(SPC)

  所谓固相晶化,是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。这是一种间接生成多晶硅的方法,先以硅烷气体作为原材料,用LPCVD方法在550℃左右沉积a-Si:H薄膜,然后将薄膜在 600℃以上的高温下使其熔化,再在温度稍低的时候出现晶核,随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。使用这种方法,多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。退火温度是影响晶化效果的重要因素,在700℃以下的退火温度范围内,温度越低,成核速率越低,退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大;而在 700℃以上,由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并,使得在此温度范围内,晶粒尺寸随温度的升高而增大。经大量研究表明,利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关,初始材料越无序,固相晶化过程中成核速率越低,晶粒尺寸越大。由于在结晶过程中晶核的形成是自发的,因此, SPC多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒,需要进行氢化处理来提高 SPC多晶硅的性能。这种技术的优点是能制备大面积的薄膜,晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于形成生产线。由于SPC是在非晶硅熔融温度下结晶,属于高温晶化过程,温度高于 600℃,通常需要1100℃左右,退火时间长达10个小时以上,不宜用玻璃为基底,基底材料采用石英或单晶硅,用于制作小尺寸器件,如液晶光阀、摄像机取景器等。

  (3)准分子激光晶化(ELA)

  激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想,其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面,仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应,使a-Si薄膜在瞬间达到1000℃左右,从而实现a-Si向p-Si的转变。在此过程中,激光脉冲的瞬间(15~50ns)能量被a-Si薄膜吸收并转化为相变能,因此,不会有过多的热能传导到薄膜衬底,合理选择激光的波长和功率,使用激光加热就能够使a-Si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃. 可以采用玻璃基板作为衬底,其主要优点为脉冲宽度短(15~50ns),衬底发热小。通过选择还可获得混合晶化,即多晶硅和非晶硅的混合体。

  ELA法制备的多晶硅薄膜晶粒大、空间选择性好,掺杂效率高、晶内缺陷少、电学特性好、迁移率高达到 400cm2/v.s,是目前综合性能Z好的低温多晶硅薄膜。工艺成熟度高,已有大型的生产线设备,但它也有自身的缺点,晶粒尺寸对激光功率敏感,大面积均匀性较差。重复性差、设备成本高,维护复杂.

  (4)快速热退火(RTA)

  一般而言,快速退火处理过程包含三个阶段:升温阶段、稳定阶段和冷却阶段。当退火炉的电源一打开,温度就随着时间而上升,这一阶段称为升温阶段。单位时间内温度的变化量是很容易控制的。在升温过程结束后,温度就处于一个稳定阶段。Z后,当退火炉的电源关掉后,温度就随着时间而降低,这一阶段称为冷却阶段。用含氢非晶硅作为初始材料,进行退火处理。平衡温度控制在600℃以上,纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成,而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化。在升温过程中,若单位时间内温度变化量较大时(如100℃/s),则所形成纳米硅晶粒较小(1.6~15nm);若单位时间内温度变化量较小(如1℃/s),则纳米硅粒较大(23~46nm)。进一步的实验表明:延长退火时间和提高退火温度并不能改变所形成的纳米硅晶粒的大小;而在退火时,温度上升快慢直接影响着所形成的纳米硅晶粒大小。

  RTA退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小,晶体内部晶界密度大,材料缺陷密度高,而且属于高温退火方法,不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。

  (5)等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD)

  通过加大氢气稀释和微量掺硼可以获得微晶硅薄膜.这种工艺技术与非晶硅薄膜的制造技术相同,属低温工艺,便于大面积生产,因而受到普遍重视. 目前用这种技术制备的太阳能电池效率已达到8.5%. 该技术的缺点是薄膜生长速率较低(约1à/S), 不利于降低制造成本. 当前提高微晶硅生长速率的方法主要是增加等离子体的激发频率, 如用超高频技术(UHF)可使微晶硅生长速率提高到10à/S, 并已获得7.2%的电池效率. 不过这种微晶薄膜的晶粒尺寸太小,一般不超过50nm, 晶内缺陷多, 晶界也多.

  对于采用 PECVD技术制备多晶体硅薄膜的晶化过程,目前有两种主要的观点:一种认为是活性粒子先吸附到衬底表面,再发生各种迁移、反应、解离等表面过程, 从而形成晶相结构.因此,衬底的表面状态对薄膜的晶化起到非常重要的作用;另一种认为是空间气相反应对薄膜的低温晶化起到更为重要的作用, 即具有晶相结构的颗粒首先在空间等离子体区形成, 而后再扩散到衬底表面长大成多晶膜。

  (6)金属横向诱导法(MILC)

  20世纪90年代初发现a-Si中加入一些金属如Al,Cu,Au,Ag,Ni等沉积在a-Si∶H上或离子注入到a-Si∶H薄膜的内部,能够降低a-Si向p-Si转变的相变能量.之后对Ni/a-Si:H进行退火处理以使a-Si薄膜晶化,晶化温度可低于500℃。但由于存在金属污染未能在薄膜晶体管(TFT)中应用。随后发现Ni横向诱导晶化可以避免孪晶产生,镍硅化合物的晶格常数与单晶硅相近、低互溶性和适当的相变能量,使用镍金属诱导a-Si薄膜的方法得到了横向结晶的多晶硅薄膜。横向结晶的多晶硅薄膜的表面平滑,具有长晶粒和连续晶界的特征,晶界势垒高度低于SPC多晶硅的晶界势垒高度,因此,MILC TFT具有优良的性能而且不必要进行氢化处理。

  该法制备多晶硅薄膜具有均匀性高、成本低, 生长温度在500℃等特点。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高,并且随着热处理时间的增长, 速率会降低。有人采用MILC和光脉冲辐射相结合的方法,实现了 a-Si薄膜在低温环境下快速横向晶化,得到高迁移率、低金属污染的多晶硅带。

  (7)其他方法

  除了上述几种制备多晶硅薄膜的主要方法外,还有超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)、电子束蒸发等。用UHV/CVD生长多晶硅,当生长温度低于550℃时能生成高质量细颗粒多晶硅薄膜,不用再结晶处理,这是传统CVD做不到的,因此该法很适用于低温多晶硅薄膜晶体管制备。另外,日立公司研究指出,多晶硅还可用电子束蒸发来实现,温度低于 530℃。因此,我们相信随着上述几种多晶硅制备方法的日益成熟和新的制备方法的出现,多晶硅技术的发展必将跨上一个新的台阶,从而推动整个半导体产业和相关行业的发展。

  总的来说,高温技术晶化的材料具有较大的晶粒尺寸,用这种材料制备的电池效率在10%以上.其缺点是能耗高、工艺复杂,衬底材料成本高. 低温晶化技术制备的薄膜晶粒尺寸小, 电池效率也低, 但其Z大的优点是便于采用玻璃等廉价材料作衬底,工艺较简单,能耗低. 如将微晶硅薄膜或多晶硅薄膜作为窄带隙材料与非晶硅薄膜组成叠层电池结构, 则可更充分地利用太阳光谱. 因微晶硅薄膜和多晶硅薄膜比非晶硅锗(a-SiGe)具有更窄的带隙(1.12eV),用a-Si/μc-Si和a-Si/poly-Si叠层结构代替a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构,可将太阳电池光谱响应的长波限从目前的0.9μm扩展到 1.1μm, 这样可提高10% 的太阳能的利用率. 目前非晶硅和微晶硅叠层太阳电池的稳定效率已达12%. 理论上a-Si/poly-Si叠层电池的效率可达28%. Kaneka公司设计的STAR结构的多晶硅薄膜电池, 效率已达10.7%, 且无光致衰退现象; 另一种SOI结构的多晶硅薄膜电池10cmχ10cm, 获得了14.22%的效率, H.Morikawa 等制出了效率为16% 的多晶硅太阳电池. 理论和实验均表明多晶硅太阳电池很可能成为21世纪Z有前途的一种薄膜太阳电池.大面积多(微)晶硅薄膜的获得及与非晶硅的Z佳优化设计,将使硅基薄膜太阳电池性质跃上新的台阶.

  4.铜铟硒(CIS)薄膜和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池

  铜铟硒薄膜是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体,具有黄铜矿闪锌矿两个同素异形的晶体结构.掺入镓即形成四元化合物.

  铜铟硒薄膜和铜铟镓硒薄膜的制备方法很多,大致有物理方法和化学方法两种. 经过多年的研究和开发, CdS/CuInSe2电池组件的效率已达11%, CdS/CuInGaSe2 电池组件的效率已达18%, 並已建立起了工业化生产线. 该电池的主要优点是: 材料具有较高的光吸收(∝>105cm-1), 所需材料厚度小于1μm, 90% 以上的光子可被吸收; 生产成本低, 仅为硅太阳电池的1/3-1/2, CIGS材料随着铟镓含量不同, 其光学带隙可从1.02eV变至1.68eV, 这点对于制造多结叠层太阳电池极为有利; 电池的光电转换效率比较高. 主要问题是: 制造过程比较复杂; 关键原料如铟的供应, 其天然储量相当有限; 太阳电池中的缓冲层材料 CdS是必不可少的, 其毒性对环境的危害, 极大地影响了它的广泛应用. 美国的Shell Solar公司正在进行这种电池的商业化生产, 建立了世界上第一条CIS薄膜太阳电池生产线,组件效率达11%。2001年销售CIS组件0。4MWp,生产能力达25MW/年,2002年出口15MWp,2003年增加到40MWp。 ISET公司提出了利用纳米技术以类似油墨的制造过程, 制备层状结构, 已获成功, 能否发展成规模化的制造过程, 还有待时间. 另外美国的NREL公司亦成功地开发了一种三级制造过程, 在实验室获得了19.2% 的光电转换效率. 不过其制造过程太复杂,花费亦大,放大亦不易.

  5.碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池

  这种太阳电池系由CdTe、CdS和Ⅱ-Ⅵ族化合物通过相对简单且成本低的工艺沉积在衬底上经干燥和烧结而成,其研究历史悠久.1982年Kodak公司做出了转换效率超过10%的电池,目前实验室的效率达到16.5%, 中试线的效率达到10%, 已由实验室的研究阶段走向规模化工业生产. 典型的CdTe太阳电池结构是由约2μm层的p型碲化镉层和0.1μm厚的n型硫化镉形成, 光子吸收发生在碲化镉层, 光的吸收系数大于105cm-1, 因此数微米厚的材料可吸收大于90%的光子.

  目前已开发了多种CeTe薄膜的制造工艺, 如溅射法、 化学气相反应法、原子层外延法、 网印法、 电流沉积法、 化学喷塗法、密堆积升华法等. 其中电流沉积法是Z便宜的, 也是目前工业生产的主要方法. 沉积时温度较低,所消耗的碲元素也Z少.

  这种薄膜太阳电池难以大批量生产的原因是:鎘的毒性会对环境造成的危害; 组件和衬底材料成本太高, 占总成本的53%, 而半导体材料只占5.5%; 碲的天然储量有限.

  6.染料敏化太阳电池(DSSC)

  此类太阳电池源自19世纪照相技术的概念. 直到1991年瑞士科学家Gratzel采用纳米结构的电极材料, 以及配以适当的染料, 做出了光电转换效率大于7%的太阳电池. 此后该领域的开发研究才引起人们的关注. 这种概念的太阳电池完全不同于传统的半导体光伏发电原理, 可说是第三代太阳电池。 其原理是借助于染料作为吸光材料, 染料中的价电子受光激发跃迁到高能态, 进而传导到纳米多孔二氧化钛半导体电极上, 经由电路引至外部, 失去电子的染料则经由电池中的电解质获得电子, 电解质是含碘的有机溶剂.

  这类电池的结构一般有两种, 实验室制备的通常为三明治结构, 上下均为玻璃, 玻璃内侧涂有TCO, 当中包括含有染料的二氧化钛以及电解质. 为利用已较成熟的薄膜太阳电池制造技术, Gratzel等于1996年研究出三层式的单片电池结构, 用碳电极取代一层TCO薄膜, 各层的制备可直接沉积在另一层的TCO薄膜上. 玻璃並非为必然的基材, 其他可挠性透明材料均可使用, 因此roll-to-roll的制造工艺亦可应用于此. 德国的 ISE公司已开发出丝网印刷方式的生产工艺, 制造过程非常简单.

  染料敏化太阳电池如要成为具有商业竞争力,甚至达到具有高的市场占有率, 如下几点是必需考虑:

  1)太阳电池本身的长期稳定性,尽管有一些测试,*估推算出使用十年没问题, 但毕竟缺乏长期使用的实测数据.

  2)对于大面积的制造技术仍有待开发.

  3)对整体电池组件的研究开发仍有许多工作要做.

  用光稳定性更好的半导体材料代替多孔的二氧化钛理论上应较易获得更耐久的染料太阳电池, 有关这方面的研究有部分研究单位正在积极投入. 此外开发新式染料来取代迄今公认的Z佳染料有机钌金属亦是一项热门研究课题, 如获成功则可免除使用贵金属钌, 染料成本可大幅降低.

  7.有机薄膜太阳电池

  有机薄膜太阳电池是把两层有机半导体薄膜结合在一起, 其光电转换效率约为1% .近期日本产业技术综合研究所宣布已开发出一种新型的有机薄膜太阳电池, 即在原有的二层构造中间加入一种混合薄膜变成三层结构 ,这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积, 从而大大提高了太阳电池的转换效率, 达到4%, 比原来二层结构的提高了4倍.

  有机薄膜太阳电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板,有机小分子光电转换材料本身具有低成本,可以加工成大面积,合成、表征相对简单,化学结构容易修饰,可根据需要增减功能基团,可通过不同的方式互相组合,以达到不同的目的。因此对它的实用化期待很高, 研究人员表示, 通过进一步研究有望开发出光电转换效率达20% 的可投入实用的有机薄膜太阳电池, 也许在不久的将来, 塑料材料的太阳电池将出现在人们的日常生活中.

  与无机光伏材料相比,有机光伏材料的激子结合能大,不容易自然分离成正负电荷,这样吸收光就不一定产生光电流;电子不是通过能带,而是通过能级间的跃迁而传输,电子迁移率明显较低;许多材料在氧和水的环境下不稳定;温度变化对光电流的产生有很大影响。这些问题限制了有机太阳电池的发展。Z近有人提出充分利用有机材料和无机材料的优点制备有机/无机材料的复合器件,成为当前研究的一个新热点。

  8.结语

  从以上所述的各类薄膜太阳电池的发展情况, 不难发现努力提高光电转换效率和大幅降低太阳电池的成本是各类薄膜太阳电池的共同课题. 当前太阳电池产业呈现35% 的年增长率. 薄膜太阳电池亦发展很快, 但传统硅太阳电池的技术发展已日臻成熟, 其主要成本来自硅晶体材料, 能进一步压缩成本的空间十分有限. 而薄膜太阳电池则不然, 大量新材料、新技术、新工艺的采用使它在降低成本提高效率方面还有很大的周旋余地. 此外薄膜太阳电池一般而言, 其制造时的能耗不及传统硅晶体太阳电池的一半, 即所消耗能源的回偿时间较短,传统硅晶体的约为20年, 而薄膜的则小于10年. 部分薄膜的甚至小于5年, 如非晶硅薄膜太阳电池与染料敏化太阳电池. 加上薄膜太阳电池所使用的材料较少, 整体而言薄膜太阳电池是较为环保、能源效率较高的产品.


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