太陽(yáng)能光伏電池綜述_圖文

1、信息記錄材料 2007年 第 8卷 第 2期綜 述41 太陽(yáng)能光伏電池綜述成志秀 , 王曉麗(中國(guó)樂(lè)凱膠片集團(tuán)公司 , 保定 071054摘 要 :近幾年來(lái) , 由于能源減少和環(huán)境污染的雙重壓力 , 使得光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展 。 詳細(xì)敘述了薄膜光伏電池 的發(fā)展歷程 、 種類和光伏電池的制備工藝 , 以及薄膜光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題 , 并對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了展望 。關(guān)鍵詞 :太陽(yáng)能 ; 光伏效應(yīng) ; 光伏電池 ; 薄膜 中圖分類號(hào) :TK02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1009-5624-(2007 02-07收稿日期 :2006-10-18作者簡(jiǎn)介 :成志秀 (1977- , 女 , 工程師 ,

2、主要從事膜林科方面的研究。1 前言人類在 21世紀(jì)面對(duì)的最大困難是什么 ? 任務(wù)。 , , 并且這 種能量是取之不盡 , 用之不竭的。 如果僅僅將太陽(yáng) 發(fā)射到地球的總輻射功率換算成電功率 , 可以高達(dá) 1. 77×1012千瓦 , 比目前全世界平均消費(fèi)電力還要大數(shù)億倍。 太陽(yáng)能不但數(shù)量巨大 , 而且源于太陽(yáng)的各 種綠色能源 , 如 :風(fēng)能、 潮汐能、 生物質(zhì)能、 水力 能都屬于可再生能源 , 只要有太陽(yáng)的存在 , 能源就 像陽(yáng)光一樣源源不斷。 太陽(yáng)能的利用有很多種 , 可 以利用光的熱效應(yīng) , 將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化成熱能 ; 也可 以利用光的伏特效應(yīng) , 將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換成電能 等。 在

3、太陽(yáng)能的有效利用中 , 太陽(yáng)能的光電利用成 為近些年發(fā)展最快、 最具活力的研究領(lǐng)域。 太陽(yáng)能 電池的研究發(fā)展也日益迅速起來(lái)。太陽(yáng)能電池是利用太陽(yáng)光和材料相互作用直接 產(chǎn)生電能 , 不需要消耗燃料和水等物質(zhì) , 使用中不, 是對(duì)環(huán)境無(wú)污 緩解溫室氣 因此太陽(yáng)能電池有望 21世紀(jì)的重要新能源。 目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家采用 太陽(yáng)能電池發(fā)出的電并入電網(wǎng)的措施 , 既能部分平 衡高峰用電 , 又可省去儲(chǔ)電的費(fèi)用。 太陽(yáng)能發(fā)電系 統(tǒng)一般沒(méi)有發(fā)電機(jī)具有的轉(zhuǎn)動(dòng)部件 , 所以也不會(huì)產(chǎn) 生噪音 , 不容易損壞。 太陽(yáng)能發(fā)電裝置規(guī)?？纱罂?小 , 小的可以是數(shù)瓦或數(shù)十瓦 , 如便攜式太陽(yáng)能手 電筒和太陽(yáng)能手機(jī)充電器 ,

4、大的可以是數(shù)兆瓦或數(shù) 十兆瓦 , 例如大型發(fā)電站等。2 光伏電池簡(jiǎn)介作為太陽(yáng)能電池工作基本原理的光伏效應(yīng) (Pho 2t ov oltaic Effect 縮寫 P V 是 1839年被發(fā)現(xiàn)的。 由太陽(yáng) 光的光量子與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì) , 從而把光的 能量轉(zhuǎn)換成電能 , 此種進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件稱為 太陽(yáng)電池 (S olar Cell , 也可稱之為光伏電池。 1954年 Bell 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一個(gè)太陽(yáng)能電池 , 不過(guò)由于效 率太低 , 造價(jià)太高 , 缺乏商業(yè)價(jià)值。 隨著航天技術(shù)的 發(fā)展 , 使太陽(yáng)能電池的作用不可替代 , 太陽(yáng)能電池成 為太空飛行器中不可取代的重要部分。 1958年

5、3月發(fā) 射的美國(guó) Vanguard 1號(hào)上首次裝設(shè)了太陽(yáng)能電池。 1958年 5月蘇聯(lián)發(fā)射的第 3顆人造衛(wèi)星上也開始裝設(shè)太陽(yáng)能電池。 到 1969年美國(guó)人登陸月球 ,這使得太陽(yáng) REV I E WInfor m ation R ecording M ateials 2007V ol . 8N o . 2 42 能電池的發(fā)展達(dá)到了第 1個(gè)巔峰期。 此后 , 幾乎所有 發(fā)射的人造天體上都裝設(shè)太陽(yáng)能電池。 20世紀(jì) 70年 代初期 , 由于中東戰(zhàn)爭(zhēng) , 石油禁運(yùn) , 使得工業(yè)國(guó)家的 石油供應(yīng)中斷 , 出現(xiàn)了 “ 能源危機(jī) ” , 人們開始認(rèn)識(shí) 到不能長(zhǎng)期依靠傳統(tǒng)能源。 特別是近年來(lái)地面能源面 臨的礦

6、物燃料資源的減少與環(huán)境污染的問(wèn)題 , 于是太 陽(yáng)能電池的應(yīng)用已被提上了各國(guó)政府的議事日程。 1990年以后 , 太陽(yáng)能的發(fā)展開始與民用電相結(jié)合 ,“ grid 2connected phot ov oltaic syste m ” (與市電并聯(lián)型太 陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng) 開始推廣 , 太陽(yáng)能電池不斷有新 的結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)被研發(fā)出來(lái)。至今太陽(yáng)能電池已經(jīng)發(fā)展到了第 2代 。第 1代 太陽(yáng)能電池包括單晶硅和多晶硅 2種 , 工業(yè)化產(chǎn)品 效率一般為 13%15%, 目前可工業(yè)化生產(chǎn) 、可 獲得利潤(rùn)的太陽(yáng)能電池就是指第 1代電池 。但是由 于生產(chǎn)工藝等因素使得該類型的電池生產(chǎn)成本較 高 。 第 2代太陽(yáng)能電

7、池是薄膜太陽(yáng)能電池 , 其成本 低于第 1代 , 可大幅度增加電池板制造面積 , 效率不如第 1代 。 在將來(lái)的第 3具有以下特征 :薄膜化 毒性 。 :疊 層電池 、光子下轉(zhuǎn)換 、 熱載流子電池 、 熱光伏電池等 。太陽(yáng)能電池 (光伏 材料主要包括 :產(chǎn)生光 伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料 、 薄膜用襯底材料 、減反射膜 材料 、 電極與導(dǎo)線材料 、 組件封裝材料等 。其中用 來(lái)制作太陽(yáng)能電池所用的半導(dǎo)體材料有元素半導(dǎo) 體 、 化合物半導(dǎo)體和各種固體溶體 。從半導(dǎo)體材料 使用的形態(tài)來(lái)看 , 有晶片 、 薄膜 、外延片 。按化學(xué) 組成及產(chǎn)生電力的方式 , 太陽(yáng)能電池可分為無(wú)機(jī)太 陽(yáng)能電池 、 有機(jī)太陽(yáng)能電

8、池和光化學(xué)電池 3大類 。 按形態(tài)分可以分成塊狀 (Bulk 光伏電池和薄膜 (Thin 2fil m 光伏電池 2大類 。塊狀 (Bulk 光伏電池一般指晶體硅太陽(yáng)能電 池 , 主要包括單晶硅 、 多晶硅 。 其電池發(fā)電層的厚度一般在 250450m 之間 。其光電轉(zhuǎn)化率一般為 13%15%。 目前空間用的太陽(yáng)能電池中單晶硅電 池占重要地位 , 在今后幾十年內(nèi)仍具有重要地位 。 薄膜 (Thin 2fil m 光伏電池 , 主要包括硅薄膜型 、 化合物半導(dǎo)體薄膜型以及新材料薄膜型 。其薄膜厚 度一般在 23mm 。非晶硅太陽(yáng)能電池是 20世紀(jì) 70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型薄膜太陽(yáng)能電池 ,

9、其最大的特點(diǎn)是在降低成本方面有很大的優(yōu)勢(shì) , 便于大面積連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn) 。 其應(yīng)用市場(chǎng) , 一是弱光 電池市場(chǎng) , 二是功率型應(yīng)用市場(chǎng) 。下圖是一般太陽(yáng)能組件結(jié)構(gòu):圖 1 一般太陽(yáng)能組件結(jié)構(gòu)Fig 1 The structure of nor mal s olar energy據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)導(dǎo) , 目前太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換 率 :單晶硅為 24. 7%; 多晶硅為 19. 8%; 非晶硅為 14. 5%; Ga A s 為 25. 7%; C I GS 18. 8%; 多接面串 疊 型 (I nGaP /Ga A s/I on tande m cell 33. 。, 據(jù) 2004年數(shù) , 84.

10、 6%, 多晶 56%。 2005年 , 世界太陽(yáng)能 電池總產(chǎn)量 1656MW , 其中日本仍居首位 , 762MW , 占 世界 總產(chǎn) 量的 46%;歐 洲 為 464MW , 占 總 產(chǎn) 量 的 28%;美國(guó) 156MW , 占總產(chǎn)量的 9%; 其他 274MW , 占 總產(chǎn) 量 的 17%。 2005年 , 世 界 光 伏 市 場(chǎng) 安 裝 量 1460MW , 比 2004年增長(zhǎng) 34%, 其中德國(guó)安裝最多 , 為 837MW , 比 2004年增 長(zhǎng) 53%, 占 世 界 總 安 裝 量 的 57%;歐洲為 920MW , 占總世界安裝量的 63%, 日本 安裝 量 292MW , 增

11、幅 為 14%, 占 世 界 總 安 裝 量 的 20%;美國(guó)安裝量為 102MW , 占世界總安裝量的 7%, 其他安裝量為 146MW , 占世界總安裝量的 10%。 全 球光伏電池產(chǎn)量預(yù)測(cè)如圖 2所示 , 其中縱坐標(biāo)表示光 伏發(fā)電占總發(fā)電的百分比。 圖 3是 P V 主要生產(chǎn)國(guó)近 10年來(lái)產(chǎn)量變化趨勢(shì)圖。 據(jù)統(tǒng)計(jì) , 20052010年世界 太陽(yáng)能電池平均年增長(zhǎng)率在 25%。圖 2全球光伏電池產(chǎn)量預(yù)測(cè)圖Fig 2 The out put forecast of gl obal phot ovoltaiccell 信息記錄材料 2007年 第 8卷 第 2期綜 述43 圖 3近 10年 P

12、 V 主要生產(chǎn)國(guó)家產(chǎn)量變化趨勢(shì)Fig 3 The out put trend of P V chief manufaturingcountry neary ten years3 塊狀光伏電池塊狀光伏電池一般指晶體硅光伏電池 , 是目前 市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品 。 晶體硅光伏電池按材料形態(tài)主 要分為單晶硅太陽(yáng)電池和多晶硅太陽(yáng)電池 。其中單 晶硅太陽(yáng)電池在太陽(yáng)電池中研究最早 、 最先進(jìn)入應(yīng) 用 。 晶體硅光伏電池以硅半導(dǎo)體材料制成大面積的 pn 結(jié)進(jìn)行工作 。一般采用 n +/p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu) , 在 10c m 經(jīng)過(guò)重?fù)诫s的 n 型結(jié) , 然后在 柵線 , , 作 池 。 , 一般在整個(gè)表面上再覆蓋 一

13、層減反膜或在硅表面制作絨面 。 現(xiàn)分述如下 :3. 1 單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅能太陽(yáng)電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太 陽(yáng)能電池 , 它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型 , 產(chǎn)品已廣 泛用于空間和地面 。 這種太陽(yáng)電池以高純的單晶硅 棒為原料 , 純度要求 99. 999%。為了降低生產(chǎn)成本 , 現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽(yáng)能電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的 單晶硅棒 , 材料性能指標(biāo)有所放寬 。有的也可使用 半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料 , 經(jīng)過(guò) 復(fù)拉制成太陽(yáng)能電池專用的單晶硅棒 。將單晶硅棒切成片 , 一般片厚約 0. 3mm 。 硅片 經(jīng)過(guò)形 、 拋磨 、 清洗等工序 , 制成待加工的原料硅 片 。 加工太陽(yáng)能電池

14、片 , 首先要在硅片上摻雜和擴(kuò) 散 , 一般摻雜物為微量的硼 、磷 、銻等 。擴(kuò)散是在 石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行 。這樣就硅片上形 成 P /N結(jié) 。然后采用絲網(wǎng)印刷法 , 精配好的銀漿 印在硅片上做成柵線 , 經(jīng)過(guò)燒結(jié) , 同時(shí)制成背電 極 , 并在有柵線的面涂覆減反射源 , 以防大量的光 子被光滑的硅片表面反射掉 。 因此 , 單晶硅太陽(yáng)能電池的單體片就制成了 。 單體片經(jīng)過(guò)抽查檢驗(yàn) , 即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽(yáng)電池組件 (太陽(yáng)電池 板 , 用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和 電流 。 最后用框架和組裝材料進(jìn)行封裝 。用戶根據(jù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) , 可將太陽(yáng)能電池組件組成各種大小不同

15、的太陽(yáng)能電池方陣 , 亦稱太陽(yáng)能電池陣列 。目前單 晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 15%左右 , 實(shí)驗(yàn)室成果也有 20%以上的 。單晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純 硅材料 , 而制造這些材料工藝復(fù)雜 , 電耗很大 , 在 太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總成本中己超 1/2。加之拉制的單 晶硅棒呈圓柱狀 , 切片制作太陽(yáng)能電池也是圓片 , 組成太陽(yáng)能組件平面利用率低 。因此 , 80年代以 來(lái) , 制 。3. , , 多半是 , 或用廢次單晶硅料和 。 其工藝過(guò)程是選擇電 阻率為 100300 c m 的多晶塊料或單晶硅頭尾 料 , 經(jīng)破碎 , 用 1:5的氫氟酸和硝酸混合液進(jìn)行適 當(dāng)?shù)母g , 然后用

16、去離子水沖洗呈中性 , 并烘干 。 用石英坩堝裝好多晶硅料 , 加人適量硼硅 , 放人澆 鑄爐 , 在真空狀態(tài)中加熱熔化 。熔化后應(yīng)保溫約 20m in, 然后注入石墨鑄模中 , 待慢慢凝固冷卻后 ,即得多晶硅錠 。 這種硅錠可鑄成立方體 , 以便切片 加工成方形太陽(yáng)電池片 , 可提高材制利用率和方便 組裝 。 多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng) 電池差不多 , 其光電轉(zhuǎn)換效率約 12%左右 , 稍低 于單晶硅太陽(yáng)能電池 , 但是材料制造簡(jiǎn)便 , 節(jié)約電 耗 , 總的生產(chǎn)成本較低 , 因此得到大量發(fā)展 。4 薄膜光伏電池薄膜 (Thin 2fil m 光伏電池 , 其薄膜厚度一般在 23m

17、 。其中包括硅薄膜型 (主要包括多晶 硅 、 非晶硅和微晶硅 、化合物半導(dǎo)體薄膜型 (主 要包括非結(jié)晶型 (a 2Si:H , a 2Si:H:F , a 2Six 2Gel -x:H 等 、 III -V 族 (Ga A s, I nP 等 、 II -V I 族 (Cds 系 和磷化鋅 (Zn 3P 2 等 、新材料 薄膜型電池 (主要包括聚合物薄膜太陽(yáng)能電池和染 料敏化太陽(yáng)能電池 。 REV I E WInfor m ation R ecording M ateials 2007V ol . 8N o . 2 44 4. 1 多晶硅薄膜光伏電池典型硅薄膜光伏電池基本結(jié)構(gòu)示意圖:圖 4 典

18、型硅薄膜光伏電池基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig 4 The basic structrue of typ ical Si 2thin fil m P V cell從 70年代中期人們就已經(jīng)開始在廉價(jià)襯底上 沉積多晶硅薄膜 , 但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒太小 , 未 能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池 。 目前制備多晶硅薄膜 電池多采用化學(xué)氣相沉積法 , 包括低壓化學(xué)氣相沉 積 (LPCVD 和 等 離 子 增 強(qiáng) 化 學(xué) 氣 相 沉 積 (PECVD 工藝 , 另 外還 有液相 外延 法 (LPPE 和濺射沉積法 ?；瘜W(xué)氣相沉積主要是以 Si H 2Cl 23、 Cl 4或 Si H 4, 為反應(yīng)氣體 , , 用 Si

19、 、 Si O 2在非硅襯底上很難 。解 決這一問(wèn)題辦法是先用 LPCVD 在襯底上沉一層較 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 , 這就是再結(jié)晶技術(shù) , 目前采用的技術(shù)主要有固 相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法 。 多晶硅薄膜電池除采 用了再結(jié)晶工藝外 , 另外采用了幾乎所有制備單晶 硅光伏電池的技術(shù) , 這樣制得的光伏電池轉(zhuǎn)換效率 明顯提高 。液相外延 (LPE 法的原理是通過(guò)將硅熔融在 母體里 , 降低溫度析出硅膜 。由于多晶硅薄膜電池所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅 少 , 又無(wú)效率衰退問(wèn)題 , 并且可以在廉價(jià)襯底材料 上制備 , 其成

20、本遠(yuǎn)低于單晶硅電池 , 而效率高于非 晶硅薄膜電池 。 因此 , 多晶硅薄膜電池將成為薄膜 太陽(yáng)能中發(fā)展速度最快的 。 4. 2 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)電池是 1976年出現(xiàn)的新型薄膜太 陽(yáng)能電池 , 它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的制作 方法完全不同 , 硅材料消耗少 、電耗低 。制造非晶 硅太陽(yáng)能電池最常見(jiàn)的方法有輝光放電法 、反應(yīng)濺射法 、 化學(xué)氣相沉積法 、 電子束蒸發(fā)法和熱分解硅 烷法等 。輝光放電法是將一石英容器抽成真空 , 充入氫 氣或氬氣稀釋的硅烷 , 用射頻電源加熱 , 使硅烷電 離 , 形成等離子體 。 非晶硅膜就沉積在被加熱的襯 底上 。 若硅烷中摻人適量的氫化磷或

21、氫化硼 , 即可 得到 N 型或 P 型的非晶硅膜 。 襯底材料一般用玻璃 或不銹鋼板 。 這種制備非晶硅薄膜的工藝 , 主要取 決于嚴(yán)格控制氣壓 、 流速和射頻功率 , 對(duì)襯底的溫 度的要求也很嚴(yán)格 。非晶硅太陽(yáng)能電池有各種不同的結(jié)構(gòu) , 其中有 一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)叫 Pi N 型 , 它是在襯底上先沉積一 層摻磷的 N 型非晶硅 , 再沉積一層未摻雜的 i 層 , 然后再沉積一層摻硼的 P 型非晶硅 , 最后用電子束 蒸發(fā)一層減反射膜 , 。此種制作工 藝 , 序 , , , 用適當(dāng)?shù)难谀９に?, 一次制作 , 以獲得較高的電壓 。非晶硅可以生長(zhǎng)在很薄的不銹鋼和塑料襯底 上 , 制備出超輕量級(jí)

22、的太陽(yáng)能電池 。這種電池具有 很高的電功率 /重量比 , 首先被用在太陽(yáng)功率飛機(jī) 上 , 并在 1990年完成了首次跨越美國(guó)的飛行 , 創(chuàng) 造了太陽(yáng)功率飛行的新記錄 。目前 , 非晶硅太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題是光電轉(zhuǎn) 換效率偏低 , 國(guó)際先進(jìn)水平為 10%左右 , 且不夠 穩(wěn)定 , 常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象 , 制約著非晶硅電 池作為大型太陽(yáng)能電源 , 只能應(yīng)用于弱光電源 。估 計(jì)效率衰降問(wèn)題克服后 , 非晶硅太陽(yáng)電池將促進(jìn)太 陽(yáng)能利用的大發(fā)展 , 因?yàn)樗杀镜?, 重量輕 , 應(yīng)用 更為方便 , 它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú) 立電源 。 4. 3 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池在發(fā)展硅系太陽(yáng)能電池

23、的同時(shí) , 為了避開硅系 太陽(yáng)能電池存在的普遍問(wèn)題 , 人們也在研制其它材 料的太陽(yáng)能電池 。 這其中主要包括砷化鎵 III -V 族 化合物 、 硫化鎘及銅銦硒薄膜電池等 。砷化鎵 III -V 化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換 效率受到人們的普遍重視 。砷化鎵屬于 III -V 族化合物半導(dǎo)體材料 , 其能 隙 1. 4e V, 并且耐高溫性強(qiáng) , 在二百多度的溫度 下 , 光電轉(zhuǎn)換性能仍不受到太大的影響 , 并且由于 其最高光電轉(zhuǎn)換 , 效率約 30%,特別適合做高溫 信息記錄材料 2007年 第 8卷 第 2期綜 述45 聚光太陽(yáng)電池 。因此 , 是一種很理想的電池材料 。 已

24、研究的砷化鎵系列太陽(yáng)能電池有單晶砷化鎵 、多 晶砷化鎵 、鎵鋁砷 砷化鎵異質(zhì)結(jié) 、金屬 2半 導(dǎo) 體砷化鎵 、 金屬 2絕 緣體 2半 導(dǎo)體砷化鎵太陽(yáng)能電池 等 。 砷化鎵等 III -V 化合物薄膜電池的制備類似硅 半導(dǎo)體材料的制備 , 有晶體生長(zhǎng)法 、直接拉制法 、 氣相生長(zhǎng)法 、 液相外延法等 。除砷 化 鎵 外 , 其 它 III -V 化 合 物 如 GaSb 、 Ga I nP 等電池材料也得到了開發(fā) 。 1998年德國(guó)費(fèi)萊 堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的砷化鎵太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換 效率為 24. 2%, 為 歐 洲 最 高 記 錄 。首 次 制 備 的 Ga I nP 電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到為

25、 14. 7%。另外 , 該 研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備 Ga A s, GaSb 電池 , 該 電池是將 2個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起 , Ga A s 作為 上電池 , 下電池用的是 GaSb, 所得到的電池效率 達(dá)到 31. 1%。銅銦硒 Cu I nSe2簡(jiǎn)稱 C I C 。是以銅 、銦 、硒三 元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽(yáng)能電池 。它 是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu) , C I S 材料的能降為 1. 適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換 。另外 , C I S 池不存在光致衰退問(wèn)題 。 C I 采用真空鍍膜 、 , , 成本低 , 性 能穩(wěn)定 , 10%以上 。真空蒸鍍法 是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅 、 銦和硒

26、 。硒化法是使 用 H 2Se 疊層膜硒化 , 但這種方法很難得到組分均 勻的 C I S 。 近來(lái)還發(fā)展用銅銦硒薄膜加在非晶硅薄 膜之上 , 組成疊層太陽(yáng)能電池 , 提高了太陽(yáng)能電池 的效率 , 并克服了非晶硅光電效率的衰降問(wèn)題 。 C I S 薄膜電池從 80年代最初 8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到 目前的 15%左右 。預(yù)計(jì)到 2000年 C I S 電池的轉(zhuǎn)換 效率將達(dá)到 20%, 相當(dāng)于多晶硅太陽(yáng)能電池 。 C I S 作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料 , 具有價(jià)格低廉 、性 能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 。1954年雷諾茲發(fā)現(xiàn)了硫化鎘具有光生伏打效 應(yīng) 。 1960年采用真空蒸鍍法制得硫化鎘太陽(yáng)能電 池

27、 , 光電轉(zhuǎn)換效率為 3. 5%。 1964年美國(guó)制成的硫 化鎘太陽(yáng)能電池 , 光電轉(zhuǎn)換效率提高到 4%6%。 除了燒結(jié)型的塊狀硫化鎘太陽(yáng)能電池外 , 人們更著 重研究簿膜型硫化鎘太陽(yáng)能電池 。它是用硫化亞銅 為阻擋層 , 構(gòu)成異質(zhì)結(jié) , 按硫化鎘材料的理論計(jì) 算 , 其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 16. 4%。盡管非晶硅薄 膜電池在國(guó)際上有較大影響 , 但是至今有些國(guó)家仍 指望發(fā)展硫化鎘太陽(yáng)能電池 , 因?yàn)樗谥圃旃に嚿媳容^簡(jiǎn)單 , 設(shè)備問(wèn)題容易解決 。鎘碲薄膜電池在薄膜電池中歷史是最久的 , 典型的 CdTe 光電池結(jié)構(gòu)的主體是由約 2m 層的 p 型 CdTe 層與后僅 0. 1m 的 n 型 C

28、dS 形成 。 CdS 層的 上沿先結(jié)合 T CO, 再連接基材 CdTe 上沿接合背板 , 以形成一個(gè)光電池架構(gòu) 。 CdTe 光電池的制備方法 目前有多種工藝可以采用 。最常見(jiàn)的方法有濺鍍 法 、 化學(xué)蒸鍍 、 ALE 、絲網(wǎng)印刷 、電流沉積 、化學(xué) 噴射 、 密集堆積升華法等 , 其中電流沉積法是最便 宜的方法之一 , 沉積操作需要的溫度較低 , 所耗用 碲元素也最少 , 也是工業(yè)界采用的主要方法 。綜上所述 , 盡管多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池的 效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高 , 成本較單晶 硅電池低 , 并且也易于大規(guī)模生產(chǎn) , 但由于其組成 元素大都劇毒 , , 有的元 因此 .

29、4。其原理是利用 不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢(shì) , 在導(dǎo) 電材料 (電極 表面進(jìn)行多層復(fù)合 , 制成類似無(wú) 機(jī) P N 結(jié)的單向?qū)щ娧b置 。其中一個(gè)電極的內(nèi)層 由還原電位較低的聚合物修飾 , 外層聚合物的還原 電位較高 , 電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移 ; 另一個(gè)電極的修飾正好相反 , 并且第 1個(gè)電極上 2種聚合物的還原電位均高于后者的 2種聚合物的還 原電位 。 當(dāng) 2個(gè)修飾電極放入含有光敏化劑的電解 波中時(shí) , 光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到還原電 位較低的電極上 , 還原電位較低電極上積累的電子 不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移 , 只能通過(guò)外電路通過(guò)還原 電位較高的電極回到電解液

30、, 因此外電路中有光電 流產(chǎn)生 。聚合物薄膜太陽(yáng)能電池的制備的關(guān)鍵步驟是聚 合物半導(dǎo)體的層的形成 。目前主要有 3種技術(shù) :(1 真空技術(shù)是目前制備薄膜普遍采用的方法之 一 , 主要包括真空鍍膜濺射和分子束外延生長(zhǎng)技 術(shù) ; (2 溶液處理成膜技術(shù) 。常用的溶液成膜技 術(shù)主要有電化學(xué)沉積技術(shù) 、甩膜技術(shù) 、鑄膜技術(shù) 、 預(yù)聚物轉(zhuǎn)化技術(shù) 、 Lang muir 2B l odgett 技術(shù) 、分子組 裝技術(shù) 、 印刷技術(shù)等 ; (3 單晶技術(shù) 。制備聚合 物半導(dǎo)體單晶的方法有 :電化學(xué)法 、擴(kuò)散法和氣相 法 。由于有機(jī)材料柔性好 , 制作容易 ,材料來(lái)源廣 REV IEW Infor a tio

31、n R ecord ing M a teia ls 2007 V ol m . 8 No . 2 泛 , 成本底等優(yōu)勢(shì) , 從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能 , 提 供廉價(jià)電能具有重要意義 。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng) 能電池的研究?jī)H僅剛開始 , 不論是使用壽命 , 還是 電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比 。能 否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品 , 還有待于進(jìn)一步 研究探索 。 4. 5 染料敏化太陽(yáng)能電池 染料敏化電池的原理是 TiO2 表面吸附一層對(duì) 可見(jiàn)光具有良好的吸收性能的染料光敏化劑后 , 染 料分子在可見(jiàn)光的作用下 , 通過(guò)吸收光能而躍遷到 激發(fā)態(tài) , 通過(guò)染料分子和 TiO2 表面的相互作用

32、 , 電子躍遷到較低能級(jí)的導(dǎo)帶 , 進(jìn)入 TiO2 導(dǎo)帶的電 子被導(dǎo)電電極薄膜收集 , 通過(guò)外回路 , 回到反電極 產(chǎn)生光電流 。 染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池主要由以下幾部分組 成 : 透明導(dǎo)電玻璃 、納米 TiO2 多孔半導(dǎo)體薄膜 、 染料光敏化劑 、電解質(zhì)和反電極 。 透明導(dǎo)電玻璃作為導(dǎo)電電極 , 就是在普通玻璃 上鍍上一層摻 F或 Sb的 SnO2 的透明導(dǎo)電膜 , 也可 以是 ITO 薄膜 , 在導(dǎo)電膜和玻璃之間最好擴(kuò)散一層 幾納米的 SiO2 。正 、負(fù)電極電子的傳輸和收集主要 是通過(guò)導(dǎo)電玻璃進(jìn)行的 , 其制備方法主要有 : 磁控 濺射 、化學(xué)氣相沉積等 。光陽(yáng)極通常是由納米 TiO2

33、多孔半導(dǎo)體薄膜組成 。很多成熟的薄膜制備方法都 可以用于制備光陽(yáng)極 。反電極也稱為光陰極 , 是有 透明半導(dǎo)體膜構(gòu)成 , 主要用于收集電子和催化作 用 , 加速 I / I 以及陰極電子之間電子交換速度 。 3 另外 , 光陰極中厚厚的一層鉑還起光反射作用 。染 料的性能決定電池的光電轉(zhuǎn)換效率 。電解質(zhì)主要作 用是傳輸 I 和 I 。 3 典型染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意 圖: 在 10%以上 , 制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的 1 /5 1 / 10, 壽命能達(dá)到 20 年以上 。 4. 6 柔性光伏電池的發(fā)展 傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池容量大 , 對(duì)太陽(yáng)光的轉(zhuǎn) 換率可以達(dá)到 20% , 技術(shù)成

34、熟 , 但是它存在的最 大問(wèn)題就是必須加工成堅(jiān)硬的板塊狀電池板 , 這就 限制了它的許多用途 。柔性太陽(yáng)能電池重量輕 , 而 且可以折疊 、卷曲 , 甚至可以粘貼在其他物體表 面 , 例如 : 汽車玻璃 、衣服等 。 2002 年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家借助納 米技術(shù)和聚合物研制出一種太陽(yáng)能電池 , 整個(gè)太陽(yáng) 能電池兩側(cè)的電極之間夾著幾百納米的有機(jī)薄膜 , 最關(guān)鍵的是其中的硒化鎘納米棒 , 這種納米棒受到 特定波長(zhǎng)的光的照射后產(chǎn)生電子空穴對(duì) , 從而產(chǎn)生 電勢(shì)差 , 其太陽(yáng)能的利用率為 1. 9% 。 在荷蘭 、法國(guó)和葡萄牙的科學(xué)家在從事一項(xiàng)命 名為 H - A lpha Solar ( H

35、 AS 的柔性電池的研制 工作 , H AS的效率約為 13% , 生產(chǎn)成本低 、通 用性好 。研制人員稱其產(chǎn)品將在 3 年內(nèi)出現(xiàn) 。 日本夏普公司 2004 年發(fā)明出一種如紙張一般 薄的電池 , 這種太陽(yáng)能電池像 2 張名片一樣大 , 厚 200um , 重 1g, 發(fā)電能力為 2. 6 瓦 , 光電轉(zhuǎn)換效率 高達(dá) P28. 5% 。佳能公司發(fā)明了一種由新材料制成 的柔性太陽(yáng)能電池 , 其特點(diǎn)是 : 由樹脂包封的非晶 硅作為主要光電轉(zhuǎn)換層平鋪在柔性材料制成的底版 上。 2005 年 7 月韓國(guó)電子和電信研究所太陽(yáng)能電 池研究小組開發(fā)出了全球效率最高的柔性太陽(yáng)能電 池的原型產(chǎn)品 。據(jù)介紹 ,

36、這種太陽(yáng)能電池只有 0. 4mm 厚 。 美國(guó) Iowa Thin Film 公司利用太陽(yáng)能電池制造 技術(shù)生產(chǎn) PowerFilm 光伏系列產(chǎn)品 , 這種技術(shù)允許 半導(dǎo)體層沉積在一種如紙張一樣薄的耐用柔性聚合 物的襯底上 , 從而實(shí)現(xiàn)卷曲制造工藝 。 柔性太陽(yáng)能電池具有成本低 、重量輕 、應(yīng)用范 圍廣 、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn) , 只要光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到應(yīng)用 水平 , 市場(chǎng)前景非常廣泛 。 5 結(jié)束語(yǔ) 圖 5 典型染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖 Fig 5 The structure of typ ical dye 2sensitized thin film solar cell 納米晶 TiO2 太陽(yáng)能電

37、池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的 成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能 。其光電效率穩(wěn)定 目前 , 太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸主要有 2 方 面的問(wèn)題 : 第 1 個(gè)是價(jià)格問(wèn)題 : 首先要研制能穩(wěn)定 獲得高效率且低成本的半導(dǎo)體材料 。其次是能用低 成本的工藝路線生產(chǎn)這種光伏電池 。 從成本上講 , 太陽(yáng)能電池仍然是目前常規(guī)能源 46 信息記錄材料 2007 年 8 卷 2 期 第 第 綜 述 中成本最高的 。當(dāng)前的成本對(duì)比如下 (表 1 : 表 1 常規(guī)能源成本對(duì)比 Table 1 The cost comparison of common energy 電力形式 成本 ( f/ K h W 煤 1- 4 天然氣

38、2. 3 - 5 石油 6-8 風(fēng)能 5-7 核能 6-7 太陽(yáng)能 25 - 50 另一個(gè)是效率問(wèn)題 。 譜都能被電池所吸收 , 并完全轉(zhuǎn)成電流 。有一半的 光譜因能量小于半導(dǎo)體的能隙 , 對(duì)電池的輸出沒(méi)有 貢獻(xiàn) 。而另一半被吸收的光子中 , 除了產(chǎn)生電子 2 空穴對(duì)所需要的能量外 , 大概有一半左右的能量以 熱量的形式浪費(fèi)掉 。所以 , 單一電池的最高效率約 在 25%左右 , 目前實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)出來(lái)的電池的效 率幾乎可以達(dá)到理論的最高值 。但是因?yàn)橹圃旃に?過(guò)程復(fù)雜 , 產(chǎn)量太低 , 造成價(jià)格偏高 , 不符合經(jīng)濟(jì) 效益 , 所以這成為光伏電池發(fā)展的最大瓶頸 。 薄膜光伏電池不但存在塊狀光伏電池產(chǎn)業(yè)化發(fā) 展中遇到的普遍問(wèn)題 , 還存在著現(xiàn)有薄膜技術(shù)無(wú)法 達(dá)到的要求 : 沉積薄膜的速率在每分鐘 1 m 以上 ; 沉積的溫度在 600 以下 ; 薄膜的厚度在 10 m 以 下 ; 成長(zhǎng)的晶粒大小在 1 m 以下 ; 少數(shù)載子的擴(kuò) 散長(zhǎng)度超過(guò) 10 m。所以雖然電池的薄膜技術(shù)已經(jīng) 是目前為止仍然沒(méi)有任何一種技術(shù)可以