太陽(yáng)能電池極板材料的研究方向與性能對(duì)比.doc

太陽(yáng)能電池極板材料的研究方向及性能對(duì)比摘要：對(duì)于太陽(yáng)能電池的兩大類材料的一些新興研究成果進(jìn)行了總結(jié)歸納，具體介紹一些熱門材料的生產(chǎn)加工工藝以及性能評(píng)估，并做出橫向?qū)Ρ扰c評(píng)價(jià)，并由此對(duì)于太陽(yáng)能電池的發(fā)展方向做出展望。關(guān)鍵詞：多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池；碲化鎘；銅-銦硒化物/硫化物；染料敏化太陽(yáng)能電池；有機(jī)太陽(yáng)能電池；轉(zhuǎn)換效率。1 引言盡管地球上的能源危機(jī)以及環(huán)境問題在新世紀(jì)中已經(jīng)被一而再再而三的提及，并在一定程度上得到了重視，但人類真正能夠改變這一困境的方法和能力還在進(jìn)一步摸索與加強(qiáng)中。太陽(yáng)能電池的研究，正是在這方面努力中不可忽視的一部分。與傳統(tǒng)礦石燃料相比，太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)顯而易見：取之不盡用之不竭；清潔無污染；可利用范圍廣泛；適宜采用新興的分布式發(fā)電進(jìn)行配送，保證電能的充分利用。遺憾的是，從目前看，太陽(yáng)能發(fā)電（即光伏發(fā)電）的成本依舊難以得到有效削減，導(dǎo)致其應(yīng)用領(lǐng)域局限于一些特定場(chǎng)合，如衛(wèi)星供電，以及在光能充足的地區(qū)集中發(fā)電以提高效率。成本在很大程度上取決于極板材料的價(jià)格，而研發(fā)新型高效低價(jià)的極板材料正是光伏發(fā)電領(lǐng)域最重要的課題。目前研究領(lǐng)域最主流的兩類光伏材料是：1.無機(jī)材料，包括單晶、多晶、無定形硅材料，碲化鎘材料，CuInSe銅銦硒化物，以及GaAs砷化鎵等半導(dǎo)體材料；2.有機(jī)材料，即塑料類的高分子有機(jī)物材料及染料敏化材料，主體為在二氧化鈦涂層中滲透的化學(xué)染料。下面就詳細(xì)介紹這三大類材料的研究進(jìn)展。2 光伏效應(yīng)當(dāng)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù)電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負(fù)載。太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為自然光中的量子光子。當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Ipn。同時(shí),由于pn結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID ,此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率定義為太陽(yáng)電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能Pin之比。最大理論轉(zhuǎn)化效率與材料的能帶間隙有很大關(guān)系，如下圖。圖一 太陽(yáng)能電池的最大理論效率與材料能帶間隙關(guān)系曲線 圖二 太陽(yáng)能電池的UI曲線3.1 無機(jī)材料光伏市場(chǎng)所占比重最大的材料當(dāng)屬無機(jī)材料，其中以硅材料為主導(dǎo)原材料，單晶硅、多晶硅、無定形硅都占據(jù)了一定的市場(chǎng)。當(dāng)然，隨著研究的發(fā)展，各種其他無機(jī)材料相繼出現(xiàn)，并憑借各自的特點(diǎn)得到越來越多的應(yīng)用。其中以銅銦硒化物和砷化鎵較為突出。下面就一些前沿發(fā)展方向做一詳述。a) 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)于硅太陽(yáng)能電池而言，單晶硅的光電轉(zhuǎn)化效率是最高的，在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，但應(yīng)用恰克拉斯基法（czochralski process）拉制的單晶硅成本很高，無法有效削減電池成本。目前太陽(yáng)電池用硅材料大多來自半導(dǎo)體硅材料的外品和單晶硅的頭尾料, 不能滿足光伏工業(yè)發(fā)展的需要。原材料的成本占據(jù)了所發(fā)電能一半的價(jià)值。正因?yàn)槿绱?，材料方面具有削減開支，進(jìn)而降低能源價(jià)格的最大潛能。基于這樣的考慮，所謂的第二代太陽(yáng)能電池的概念被提出了。當(dāng)前光電池中，昂貴的硅片的大半厚度僅僅起到了力學(xué)支撐的作用，而同樣的作用完全可以交給價(jià)格低廉的襯底來完成。于是，以普通材料為襯底，而在上面沉積形成多晶硅薄膜，成為一種新的思路，并被廣泛研究，形成了一系列生產(chǎn)方式和工藝，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18%左右。然而，襯底的材料選取并不是多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的瓶頸所在。如何使得硅在襯底上有效率的生長(zhǎng)，而減少瑕疵的產(chǎn)生，從而提高轉(zhuǎn)換效率，才是該材料發(fā)展的關(guān)鍵。目前成熟的工藝有化學(xué)氣相沉積CVD（Chemical Vapor Deposition）法，即把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程。圖三 顯微結(jié)構(gòu)下的薄膜截面圖，通過CVD法得到的陶瓷/鋁/多晶硅層圖四 上述工藝制造的多晶硅太陽(yáng)能電池的JV圖擁有較為低廉的價(jià)格以及較高的轉(zhuǎn)換效率，多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池將會(huì)成為光伏市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。b) 碲化鎘電池由于碲化鎘能帶間隙為1.44eV，很好的與太陽(yáng)光譜相匹配，具有28%的高理論效率，故早在20世紀(jì)50年代即被列入研究范圍。它使用碲化鎘薄膜和半導(dǎo)體層以吸收和轉(zhuǎn)化陽(yáng)光。在市場(chǎng)上，碲化鎘是第一種重要性超越晶體硅的光伏電池原料，相比于晶體硅，碲化鎘具有更好的成本效益，其薄膜塊最低成本$1.76每瓦特（晶體硅為$2.48）。圖五 碲化鎘電池橫斷面（ITO-銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜）現(xiàn)今，缺點(diǎn)是效率略低，由2001年至今，其最高轉(zhuǎn)化效率漸漸穩(wěn)定于16.5%左右。碲化鎘的摻雜工藝以及如上的介質(zhì)分界和接合質(zhì)量成為了該種電池的技術(shù)瓶頸。在實(shí)際生產(chǎn)中，碲化鎘電池組件均價(jià)約為$110/m2，并被認(rèn)為可降至$110/m2左右。另外，碲元素的來源被認(rèn)為是限制其發(fā)展的一個(gè)因素。已有部分地區(qū)建立了碲化鎘太陽(yáng)能電站，如德國(guó)Waldpolenz已有40MW碲化鎘電池陣，在美國(guó)、馬來西亞亦有相應(yīng)站點(diǎn)。c) 銅銦硒化物銅銦硒薄膜電池適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)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(fā)展又必然受到限制。CIS薄膜的禁帶寬度為1.04eV，通過摻入適量的Ga以替代部分In，成為CIGS混溶晶體，薄膜的禁帶寬度可在1.041.7eV范圍內(nèi)調(diào)整，這就為太陽(yáng)電池最佳帶隙的優(yōu)化提供了新的途徑。所以, CIS (CIGS)是高效薄膜太陽(yáng)電池的最有前途的光伏材料。美國(guó)NREL使用三步沉積法制作的CIGS 太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率為19.5%。銅銦硒太陽(yáng)能薄膜電池是由于其優(yōu)異的性能被國(guó)際上稱為下一時(shí)代的廉價(jià)太陽(yáng)能電池，吸引了眾多機(jī)構(gòu)及專家進(jìn)行研究開發(fā)。因?yàn)殂~銦硒電池是多元化合物半導(dǎo)體器件，在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積若干層金屬化合物半導(dǎo)體薄膜，薄膜總厚度大約為23微米，具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)和敏感的元素配比，要求其工藝和制備條件極為苛刻，目前只有美國(guó)、日本、德國(guó)完成了中試線的開發(fā)，但尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。圖六 CIS（銅銦硒化物）電池結(jié)構(gòu)斷面圖另外，低成本也是其一大優(yōu)點(diǎn)：吸收層薄膜CuInSe2是一種直接帶隙材料，光吸收率高達(dá)105量級(jí)，最適于太陽(yáng)電池薄膜化，降低了昂貴的材料消耗。CIS電池年產(chǎn)1.5MW，其成本是晶體硅太陽(yáng)電池的1/21/3，能量?jī)斶€時(shí)間在一年之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于晶體硅太陽(yáng)電池。目前制備CIS和CIGS吸收層有許多種方法：真空蒸發(fā)、磁控濺射、電沉積法、電子束蒸發(fā)、電鍍等。d) 砷化鎵電池20世紀(jì)80年代后，GaAs太陽(yáng)能電池技術(shù)經(jīng)歷從同質(zhì)延到異質(zhì)延，從單結(jié)到多結(jié)疊成結(jié)構(gòu)的幾個(gè)發(fā)展階段。效率更高是GaAs電池的一大特點(diǎn)。砷化鎵比硅禁帶更寬，相對(duì)于硅太陽(yáng)能電池，其光譜響應(yīng)和空間能力以更好地配合。目前，硅電池的理論效率約為23，而單結(jié)砷化鎵電池的理論效率為27，而多結(jié)砷化鎵的理論效率超過50。除此之外，它兼有更強(qiáng)的抗輻射能力和更好的耐高溫性能，由此成為公認(rèn)的新一代高性能長(zhǎng)壽命空間主電源。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在250的條件砷化鎵電池仍然可以工作，200硅光電池已無法正常工作。圖七 砷化鎵電池結(jié)構(gòu)斷面及其UI曲線目前，砷化鎵電池主要還是應(yīng)用在宇宙空間探測(cè)利用等方面，在地面使用較少。目前全世界專業(yè)制作砷化鎵聚光電池的工廠有美國(guó)的Emcore，SpectroLab(波音的子公司)和德國(guó)的Azur Space等，中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化推廣還未成形。2007年8月開始，由于聚光技術(shù)的采用，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶?yáng)能發(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。為此，Emcore公司花了1000萬(wàn)美元，將產(chǎn)能增加到目前的每年150兆瓦。在2008年，全球的砷化鎵電池的生產(chǎn)取得突破性的發(fā)展。4月，作為砷化鎵生產(chǎn)的全球主要廠家之一的Spectro Lab，獲得350兆瓦，9300萬(wàn)美元（1000倍聚光）的電站訂單。在東亞地區(qū)，也有初步的生產(chǎn)推廣，2008年5月，韓國(guó)電站就接到70兆瓦，2800萬(wàn)美元（500倍聚光）的訂單。GaAs太陽(yáng)能電池作為新一代高性能長(zhǎng)壽命空間主電源，必然逐步取代目前廣泛采用的硅電池，在空間光伏領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。而我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展迫切需要這類高性能長(zhǎng)壽命的空間主電源，目前在GaAs電池領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，必須加快研制，重點(diǎn)發(fā)展三結(jié)以上的高效率GaAs多結(jié)太陽(yáng)能電池。3.2 有機(jī)材料主要是小分子材料和高分子聚合物材料。前者具有可加工成大面積以及有機(jī)小分子合成，表征相對(duì)簡(jiǎn)單，化學(xué)結(jié)構(gòu)容易修飾，可以根據(jù)需要增減功能基團(tuán)，而且可以通過各種不同方式相互組合，已達(dá)到不同的目的，同時(shí)可以恰當(dāng)?shù)哪M生物體內(nèi)功能分子的作用。如：，。后者具有成本低，制作方便，易于推廣普及等優(yōu)點(diǎn)。如：-（對(duì)苯乙炔）。較硅材料而言，有機(jī)材料具有制造面積大，廉價(jià)，柔性；制備工藝簡(jiǎn)單，可采用真空蒸鍍或涂敷的方法制備成膜，或制作成作成柔性的太陽(yáng)能電池；若繼續(xù)降低成本并減少大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的影響則可獲得更大收益。目前有機(jī)太陽(yáng)能電池在特定條件下光電效率已達(dá)9.5%。圖八 有機(jī)電池光電流的形成主要有以下三種結(jié)構(gòu)： a)單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是以Schotty （肖特基）勢(shì)壘為基礎(chǔ)原理而制作的有機(jī)太陽(yáng)能電池。其結(jié)構(gòu)為玻璃/金屬電極/染料/金屬電極，利用了兩個(gè)電極的功函不同，可以產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，電子從低功函的金屬電極傳遞到高功函電極從而產(chǎn)生光電流。由于電子空穴均在同一種材料中傳遞，所以其光電轉(zhuǎn)化率比較低。 b)P-N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指這種結(jié)構(gòu)具有給體-受體（N 型半導(dǎo)體與P 型半導(dǎo)體）的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。其中半導(dǎo)體的材料多為染料，如酞菁類化合物、北四甲醛亞胺類化合物，利用半導(dǎo)體層間的D/A 界面以及電子空穴分別在不同的材料中傳遞的特性，使分離效率提高。結(jié)合無機(jī)以及有機(jī)化合物的優(yōu)點(diǎn)制得的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率在5%6%。c)染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空納米結(jié)構(gòu)TiO2 薄膜為光陽(yáng)極的一類太陽(yáng)能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽(yáng)能電池。而NPC 太陽(yáng)能電池可選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)從而使光電效率提高，一般可穩(wěn)定于10%，并且納米晶TiO2 制備簡(jiǎn)便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。4總結(jié)以上是當(dāng)今兩大類PV材料的概略介紹，我們可以了解到，硅光電池依然具有市場(chǎng)主導(dǎo)地位。在其他材料中，碲化鎘雖研究起步較早，而今主要因技術(shù)工藝瓶頸，發(fā)展略顯停滯；CIS由于其低成本高效率的特性，在初步解決銦、硒的批量化生產(chǎn)問題后將會(huì)邁上更高的臺(tái)階；砷化鎵作為一類新型材料，又由其強(qiáng)大的耐溫耐輻性能，必然在空間發(fā)電領(lǐng)域取得重大進(jìn)展；有機(jī)電池成本低廉、制作工藝簡(jiǎn)單且壽命可觀，很可能在部分民用小型設(shè)備中取得一定地位，而效率不高是限制其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素。圖九 各類PV材料最優(yōu)轉(zhuǎn)化效率發(fā)展圖上圖顯示了據(jù)NREL（美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）統(tǒng)計(jì)，各類材料的最優(yōu)轉(zhuǎn)化效率自1975年以來的發(fā)展情況，以供參考。參考文獻(xiàn)1 J. 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