薄膜太陽能電池

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薄膜太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件。薄膜太陽能電池可以使用在價格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構(gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。
歷史背景
隨著煤、石油、天然氣等能源日益枯竭和環(huán)境污染日益加劇,人們迫切需要尋找清潔可再生新能源。作為地球無限可再生的無污染能源———太陽能的應(yīng)用日益引起人們的關(guān)注,將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池的研制得到了迅速發(fā)展。目前以商品化的晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高,但受材料純度和制備工藝限制,成本高,很難再提高轉(zhuǎn)化效率或降低成本。薄膜太陽能電池只需幾μm的厚度就能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料。
制造技術(shù)
薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前實驗室轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)20%以上，規(guī)?；慨a(chǎn)穩(wěn)定效率最高約13%。薄膜太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構(gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術(shù)，一層又一層地把p-型或n-型材料長上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。
模塊結(jié)構(gòu)
薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導(dǎo)電層、電器功能盒、膠合材料、半導(dǎo)體層..等所構(gòu)成的。
產(chǎn)品應(yīng)用
半透明式的太陽能電池模塊：建筑整合式太陽能應(yīng)用(BIPV)
薄膜太陽能之應(yīng)用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行
薄膜太陽能模塊之應(yīng)用：屋頂、建筑整合式、遠(yuǎn)程電力供應(yīng)、國防
厚度比較
晶體硅(180～250μm)、單結(jié)非晶硅薄膜(600nm)，疊層非晶硅薄膜（400nm~500nm）。
特色
1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發(fā)電性佳)
2.照度相同下?lián)p失的功率較晶圓太陽能電池少
3.有較佳的功率溫度系數(shù)
4.較佳的光傳輸
5.較高的累積發(fā)電量
6.只需少量的硅原料
7.沒有內(nèi)部電路短路問題(聯(lián)機已經(jīng)在串聯(lián)電池制造時內(nèi)建)
8.厚度較晶圓太陽能電池薄
9.材料供應(yīng)無慮
10.可與建材整合性運用(BIPV)
材料種類
砷化鎵
GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽光的值，與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%，特別適合做高溫聚光太陽電池。砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)制造，這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學(xué)的MOCVD，一種是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯，反應(yīng)壓力，III-V比率，總流量等諸多參數(shù)的影響。GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達(dá)29.5%(一般在19.5%左右)，產(chǎn)品耐高溫和輻射，但生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量受限，現(xiàn)今主要作空間電源用。以硅片作襯底，MOCVD技術(shù)異質(zhì)外延方法制造GaAs電池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化鎵系列太陽電池有單晶砷化鎵，多晶砷化鎵，鎵鋁砷--砷化鎵異質(zhì)結(jié)，金屬-半導(dǎo)體砷化鎵，金屬--絕緣體--半導(dǎo)體砷化鎵太陽電池等。
砷化鎵材料的制備類似硅半導(dǎo)體材料的制備，有晶體生長法，直接拉制法，氣相生長法，液相外延法等。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽電池的發(fā)展受到影響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。
1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs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%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
銅銦硒
銅銦硒CuInSe2簡稱CIC.CIS材料的能降為1.1 eV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)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(fā)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CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到現(xiàn)今的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3%(面積25 px2)。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率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(zhuǎn)換效率。預(yù)計到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%，相當(dāng)于多晶硅太陽能電池。CIS作為太陽能電池的半導(dǎo)體材料，具有價格低廉，性能良好和工藝簡單等優(yōu)點。
碲化鎘
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率(28%)，性能很穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽電池通常以CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良，制成的太陽電池的填充因子高達(dá)FF =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜，然后在600～700℃可控氣氛下進(jìn)行熱處理1h得大晶粒薄膜。近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500～600℃，沉積速率10μm/min.真空蒸發(fā)法：將CdTe從約700℃加熱鉗堝中升華，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1 nm/s. 以CdTe吸收層，CdS作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實驗室效率不斷攀升，現(xiàn)今突16%。20世紀(jì)90年代初，CdTe電池已實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，但市場發(fā)展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%。
人們認(rèn)為，CdTe薄膜太陽電池是太陽能電池中最容易制造的，因而它向商品化進(jìn)展最快。提高效率就是要對電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)減薄窗口層CdS的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波響應(yīng)以提高短路電流密度，較高轉(zhuǎn)換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創(chuàng)了最高紀(jì)錄。要降低成本，就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下，以適于廉價的玻璃作襯底;實驗室成果走向產(chǎn)業(yè)，必須經(jīng)過組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計、研究和優(yōu)化過程。至今，不僅有許多國家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的CdTe太陽電池，而且在大面積組件方面取得了可喜的進(jìn)展，許多公司正在進(jìn)行CdTe薄膜太陽電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè)，有的已經(jīng)投產(chǎn)。

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