薄膜太陽能電池(thin film solar cell)

第八章薄膜太陽能電池授課教師：黃俊杰薄膜太陽能電池的種類非晶硅(AmorphusSilicon,a-Si)微晶硅(NanocrystallineSilicon，nc-Si，orMicrocrystallineSilicon，uc-Si)CIS/CIGS(銅銦硒化物)CdTe(碲化鎘)GaAsMultijuction(多接面砷化鎵)色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymersolarcells)太陽能電池市場現(xiàn)況太陽能電池效率演進(jìn)非晶硅(AmorphusSilicon,a-Si)

數(shù)據(jù)源：BP2002、WorldNuclearAssociation是發(fā)展最完整的薄膜式太陽能電池。其結(jié)構(gòu)通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為建立內(nèi)部電場，I層則由非晶系硅構(gòu)成。非晶硅的優(yōu)點(diǎn)在于對于可見光譜的吸光能力很強(qiáng)，而且利用濺鍍或是化學(xué)氣相沉積方式生成薄膜的生產(chǎn)方式成熟且成本低廉，材料成本相對于其他化合物半導(dǎo)體材料也便宜許多；不過缺點(diǎn)則有轉(zhuǎn)換效率低(約5~7%)，以及會產(chǎn)生嚴(yán)重的光劣化現(xiàn)象的問題，因此無法打入太陽能發(fā)電市場，而多應(yīng)用于小功率的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場。不過在新一代的非晶硅多接面太陽能電池(MultijuctionCell)已經(jīng)能夠大幅改善純非晶硅太陽電池的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率可提升到6~8%，使用壽命也獲得提升。未來在具有成本低廉的優(yōu)勢之下，仍將是未來薄膜太陽能電池的主流之一。微晶硅(nc-Si，uc-Si)微晶硅其實(shí)是非晶硅的改良材料，其結(jié)構(gòu)介于非晶硅和晶體硅之間，主要是在非晶體結(jié)構(gòu)中具有微小的晶體粒子，因此同時(shí)具有非晶硅容易薄膜化，制程便宜的特性，以及晶體硅吸收光譜廣，且不易出現(xiàn)光劣化效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率也較高。目前已有將a-Si和nc-Si迭層后制成的薄膜太陽能電池商品(由日本Sanyo研發(fā)成功)，可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光的同時(shí)仍可發(fā)電，因此業(yè)界廣泛看好將是未來非晶硅材料薄膜太陽電池的的發(fā)展主流。CIS/CIGS(銅銦硒化物)CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都屬于化合物半導(dǎo)體。這兩種材料的吸光(光譜)范圍很廣，而且穩(wěn)定性也相當(dāng)好。轉(zhuǎn)換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可達(dá)30%，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試下最高也已經(jīng)可達(dá)到19.5%，足以媲美單晶硅太陽電池的最佳轉(zhuǎn)換效率。在大面積制程上，采用軟性塑料基板的最佳轉(zhuǎn)換效率也已經(jīng)達(dá)到14.1%。由于穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率都已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)異，因此被視為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ柲茈姵胤N類之一。CdTe(碲化鎘)CdTe同樣屬于化合物半導(dǎo)體，電池轉(zhuǎn)換效率也不差：若使用耐高溫(~600度C)的硼玻璃作為基板轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16%，而使用不耐高溫但是成本較低的鈉玻璃做基板也可達(dá)到12%的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)優(yōu)于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜制程上遠(yuǎn)較CIS或CIGS容易控制，再加上可應(yīng)用多種快速成膜技術(shù)(如蒸鍍法)，模塊化生產(chǎn)容易，因此容易應(yīng)用于大面積建材，目前已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品在市場營銷，轉(zhuǎn)換效率約11%。不過，雖然CdTe技術(shù)有以上優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)殒k已經(jīng)是各國管制的高污染性重金屬，因此此種材料技術(shù)未來發(fā)展前景仍有陰影存在。GaAsMultijuction(多接面砷化鎵)在單晶硅基板上以化學(xué)氣相沉積法成長GaAs薄膜所制成的薄膜太陽能電池，因?yàn)榫哂?0%以上的高轉(zhuǎn)換效率，很早就被應(yīng)用于人造衛(wèi)星的太陽能電池板。新一代的GaAs多接面(將多層不同材料迭層)太陽能電池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面電池，可吸收光譜范圍極廣，轉(zhuǎn)換效率目前已可高達(dá)39%，是轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池種類，而且性質(zhì)穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長。不過此種太陽能電池的價(jià)格也極為昂貴，平均每瓦價(jià)格可高出多晶硅太陽能電池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，預(yù)期并不會成為商業(yè)生產(chǎn)的主流。染料敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)染料敏化感染料電池是太陽能電池中相當(dāng)新穎的技術(shù)，產(chǎn)品是由透明導(dǎo)電基板、二氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質(zhì)和ITO電極所組成。此種太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜，又可以利用印刷的方法大量制造，基板材料也可更多元化。不過目前主要缺點(diǎn)一是在于轉(zhuǎn)換效率仍然相當(dāng)?shù)?平均約在7~8%，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品可達(dá)10%)，且在UV照射和高熱下會出現(xiàn)嚴(yán)重的光劣化現(xiàn)象，二是在于封裝過程較為困難(主要是因?yàn)槠渲械碾娊赓|(zhì)的影響)，因此目前仍然是以實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品為主。然而，基于其低廉成本以及廣泛應(yīng)用層面的吸引力，多家實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)仍然在積極進(jìn)行技術(shù)的突破。有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymersolarcells)有機(jī)導(dǎo)電高分子太陽能電池是直接利用有機(jī)高分子半導(dǎo)體薄膜(通常厚度約為100nm)作為感光和發(fā)電材料。此種技術(shù)共有兩大優(yōu)點(diǎn)，一在于薄膜制程容易(可用噴墨、浸泡涂布等方式)，而且可利用化學(xué)合成技術(shù)改變分子結(jié)構(gòu)，以提升效率，另一優(yōu)點(diǎn)是采用軟性塑料作為基板材料，因此質(zhì)輕，且具有高度的可撓性。目前市面上已經(jīng)有多家公司推出產(chǎn)品，應(yīng)用在可攜式電子產(chǎn)品如NB、PDA的戶外充電上面，市場領(lǐng)導(dǎo)者則是美國Konarka公司。不過，由于轉(zhuǎn)換效率過低(約4~5%)的最大缺點(diǎn)，因此此種太陽能電池的未來發(fā)展市場應(yīng)該是結(jié)合電子產(chǎn)品的整合性應(yīng)用，而非大規(guī)模的太陽能發(fā)電。非晶硅薄膜太陽電池構(gòu)造ThinfilmSi:HadvantagesAbundantlyavailablerawmaterialsLowSiandenergyconsumptionFlexible,Roll-to-RollLargearea,lowtemperature(<250oC)fabricationTuneablebandgapHighabsorption“Lighttrapping”arrangementwithroughinterfacesanddielectricmirrorsNeedofrawmaterialThin-filmsolarcells

非晶硅薄膜太陽電池制造流程

非晶硅薄膜太陽電池制造流程(玻璃基材)非晶硅薄膜太陽電池制造流程

(玻璃基材)ThinfilmSi:HchallengesIncreasingdepositionrate(from0.1nm/sto10nm/s!),includingcompatibledopedlayersEnhancetheIsc(absorption,lighttrapping)ImprovingstabilizeddeviceperformanceUnderstandingfundamentalphysics:lowVoc,shuntbehavior,light-induceddefectcreation非晶硅薄膜太陽電池“AmorphousSi:HThin-filmSolarCell”UniSolarand薄膜太陽能電池–CIGS薄膜電池

此類型有兩種：一種含銅銦硒三元素（簡稱CISe），一種含銅銦鎵硒四元素（簡稱CIGS）。由于其高光電效率及低材料成本，被許多人看好。在實(shí)驗(yàn)室完成的CIGS光電池，光電效率最高可達(dá)約19.88，就模塊而言，最高亦可達(dá)約13﹪(CISe約10%)。CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收范圍可從1.02ev至1.68ev，此項(xiàng)特征可加以利用于多層堆棧模塊，已近一步提升電池組織效能。此外由于高吸光效率（α>104~105㎝-1），所需光電材料厚度不需超過1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量產(chǎn)制造時(shí)，所需半導(dǎo)體原物料可能僅只US$0.03/W。薄膜太陽能電池–CIGS薄膜電池

Chalcopyrite半導(dǎo)體的性質(zhì)CIGS太陽能電池組件結(jié)構(gòu)演進(jìn)CIGS太陽能電池組件制作流程CIGS薄膜太陽電池制造方法CIGS太陽能電池-真空制程真空涂布制程-Co-evaporation真空涂布制程-SputteringCIGS太陽能電池-非真空制程非真空涂布制程-electrodeposition非真空涂布制程-MetalOxideInkCIS薄膜太陽電池“CopperIndiumDiselenideThin-filmSolarCell”245-kWrooftop,thin-filmCIS-basedsolarelectricarray,Camarillo,California(ShellSolarIndustries.)85-kWthin-filmCIS-basedBIPVfacade,NorthWales,UK結(jié)論各類型太陽能電池的市場需求將與日遽增，且各技術(shù)皆以降低成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率為研究方向。其中又以薄膜太陽能電池為現(xiàn)階段最具有取代硅晶太陽能電池的可能。薄膜太陽電池中，CIGS是目前具有最高效率的電池之一。現(xiàn)階段CIGS電池主要量產(chǎn)技術(shù)仍以真空制程技術(shù)為主，但難以克服大面積及降低成本的問題。

CIGS非真空制程技術(shù)雖具有降低成本以及提高材料使用率的優(yōu)點(diǎn)，但各方式都具有難以克服的關(guān)鍵問題皆仍待解決。如CIGS晶粒成長…等。結(jié)瓶頸

CIGS薄膜太陽能電池雖具有高效率、低成本、大面積與可撓性等潛力優(yōu)勢，但還有許多需要克服的問題接踵而來：制程復(fù)雜、技術(shù)選擇百家爭鳴，且供應(yīng)練相當(dāng)分歧，各站并無制式化設(shè)備放大制程之均質(zhì)性不佳，良率變化大?dopantratio?thinwindowlayer?LowVocresultinginincreasedarealoss系統(tǒng)化的研究與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏許多關(guān)鍵點(diǎn)都無定論，如：組成成分、結(jié)構(gòu)、晶界、各層間之接口…等關(guān)鍵原料的缺乏

銦元素也是一項(xiàng)潛在隱憂，銦的天然蘊(yùn)藏量相當(dāng)有限，國外曾計(jì)算，如以效率10﹪的電池計(jì)算，人類如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有數(shù)年光景可，銦的天然蘊(yùn)藏量相當(dāng)有限，國外曾計(jì)算，如以效率10﹪的電池計(jì)算，人類如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有數(shù)年光景地?zé)酑dTeFilmDepositionCdTeFilmDepositionCdTeFilmDepositionRooftopCdTe薄膜太陽電池“CadmiumTellurideThin-filmSolarCell”KatzenbachJuwiMemmingenSAGSAGFirstSolar----CdTeRooftopC-SiTechnologyinHistoricPerspective全球PV前十大廠商臺灣太陽光電產(chǎn)業(yè)鏈分布概況太陽光電產(chǎn)值預(yù)期達(dá)成規(guī)模光電高分子太陽能電池特征發(fā)展不久原理:利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原位勢,在導(dǎo)電材料(電極)表面進(jìn)行多層復(fù)合,外層聚合物的還原電為較高,電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移;另一電極正好相反奈米晶色素增感solarcellDSSC進(jìn)展Whyorganicsolarcell?

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