發(fā)展碲化鎘薄膜太陽能電池的幾個關鍵問題

1、發(fā)展碲化鎘薄膜太陽能電池的幾個關鍵問題2009.4碲化鎘 HYPERLINK /SEARCH/WENZHANG/薄膜太陽能.HTM o 薄膜太陽能 薄膜太陽能電池的發(fā)展日益受到重視。碲資源、電池成本、電池生產和使用對環(huán)境的影響等問題是碲化鎘薄膜太陽能電池發(fā)展中受到很多人關注的問題。本文對此進行了分析討論，最后分析了工業(yè)化規(guī)模生產碲化鎘薄膜太陽能電池組件的關鍵技術。引言 碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池的的發(fā)展受受到國內內外的關關注，其其小面積積電池的的轉換效效率已經經達到了了16.5%，商商業(yè)組件件的轉換換效率約約9%，組組件的最最高轉換換效率達達到111%。國國內四川川大學制制備出轉轉換效率率為1

2、33.388%的小小面積單單元 HYPERLINK /SEARCH/WENZHANG/太陽能電池.HTM o 太陽能電池 太陽陽能電池池，54ccm2集集成組件件轉換效效率達到到7，正正在進行行0.11組件件生產線線的建設設和大面面積電池池生產技技術的研研發(fā)。成成本估算算 考慮慮電池的的結構為為玻璃/SnOO2：FF/CddS/CCdTee/ZnnTe/ZnTTe：CCu/NNi，碲碲化鎘薄薄膜的厚厚度為55微米，轉轉換效率率為7%，1MMW碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池所所消耗的的材料的的成本如如下表所所示。碲化鎘薄膜膜太陽能能電池的的材料成成本 可可見，碲碲化鎘和和透明導導電玻璃璃構成材材料成

3、本本的主體體，分別別占到消消耗材料料總成本本的455.4%和388.2%。 消耗耗材料的的成本還還可以進進一步降降低，如如將碲化化鎘薄膜膜的厚度度減薄11微米，則則碲化鎘鎘材料的的消耗將將降低220%，從從而使材材料總成成本降低低9.11%，即即從每峰峰瓦6.21元元降為55.644元。如如使用999.9999%純度的的碲化鎘鎘，效率率依然能能達到77%，材材料成本本還將進進一步降降低。因因此，材材料成本本達到或或低于每每峰瓦55元人民民幣是可可能的。 考慮慮工資、管管理、電電力和設設備折舊舊等其他他成本，碲碲化鎘薄薄膜太陽陽能電池池的成本本大約是是每峰瓦瓦13.64元元人民幣幣或更低低。因此

4、此，即使使銷售價價格為每每峰瓦220222元人人民幣，約約為 HYPERLINK http:/www.offweeek.ccom/SEAARCHH/WEENZHHANGG/晶體體硅.HHTM oo 晶晶體硅 tt _blaank 晶體硅硅太陽能能電池現(xiàn)現(xiàn)在價格格的600%，也也能保證證制造商商有相當當?shù)睦麧櫇櫩臻g。 由于于碲化鎘鎘薄膜太太陽能電電池成本本低，其其發(fā)展對對于解決決我國西西部地區(qū)區(qū)分散居居住人口口的電力力供應具具有重要要意義。碲資源源 碲是是地球上上的稀有有元素，發(fā)發(fā)展碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池面面臨的首首要問題題就是地地球上碲碲的儲藏藏量是否否能滿足足碲化鎘鎘太陽能能電池組組件的

5、工工業(yè)化規(guī)規(guī)模生產產及應用用。工業(yè)業(yè)上，碲碲主要是是從電解解銅或冶冶煉鋅的的廢料中中回收得得到。據(jù)據(jù)相關報報道，地地球上有有碲144.9萬萬噸，其其中中國國有2.2萬噸噸，美國國有2.5萬噸噸。 在美美國碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池制制造商FFirsst SSolaar年產產量255MW的的工廠中中，30003340公公斤碲化化鎘即可可以滿足足1MWW太陽能能電池的的生產需需要?？伎紤]到碲碲的密度度為6.25gg/cmm3，鎘鎘的密度度為8.64gg/cmm3，則則13001440公斤斤碲即可可以滿足足1MWW碲化鎘鎘薄膜太太陽能電電池的生生產需要要。 由以以上數(shù)據(jù)據(jù)可以知知道，按按現(xiàn)已探探明儲

6、量量，地球球上的碲碲資源可可以供1100個個年生產產能力為為1000MW的的生產線線用1000年。環(huán)境影影響 由于于碲化鎘鎘薄膜太太陽能電電池含有有重金屬屬元素鎘鎘，使很很多人擔擔心碲化化鎘太陽陽能電池池的生產產和使用用對環(huán)境境的影響響。多年年來，一一些公司司和專家家不愿步步入碲化化鎘太陽陽能電池池的開發(fā)發(fā)和生產產。那么么，碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池的的生產和和使用中中鎘的排排放究竟竟有多嚴嚴重呢？ 為此此，美國國布魯克克文國家家實驗室室的科學學家們專專門研究究了這個個問題。他他們系統(tǒng)統(tǒng)研究了了晶體硅硅太陽能能電池、碲碲化鎘太太陽能電電池與煤煤、石油油、天然然氣等常常規(guī)能源源和核能能的單位位發(fā)

7、電量量的重金金屬排放放量。在在太陽能能電池的的分析中中，考慮慮了將原原始礦石石加工得得到制備備太陽能能電池所所需材料料、太陽陽能電池池制備、太太陽能電電池的使使用等全全壽命周周期過程程。研究究結果表表明（見見圖1），石石油的鎘鎘排放量量是最高高的，達達到444.3gg /GGWh，媒媒次之，為為3.77g /GWhh。而太太陽能電電池的排排放量均均小于11g /GWhh，其中中又以碲碲化鎘的的鎘排放放量最低低，為00.3 g / GWWh。與與天然氣氣相同，硅硅太陽能能電池的的鎘排放放量大約約是碲化化鎘太陽陽能電池池的兩倍倍。圖1 太陽陽能電池池組件與與其他能能源的鎘鎘排放量量的比較較圖 他他

8、們還研研究了硅硅太陽能能電池和和碲化鎘鎘太陽能能電池生生產與使使用中其其他重金金屬的排排放。研研究結果果表明（見見圖2），碲碲化鎘太太陽能電電池的砷砷、鉻、鉛鉛、汞、鎳鎳等其他他重金屬屬的排放放量也比比硅太陽陽能電池池的低。該該研究報報告結論論基于對對美國FFirsst SSolaar公司司碲化鎘鎘薄膜太太陽能電電池生產產線、碲碲化鎘太太陽能電電池組件件使用現(xiàn)現(xiàn)場的系系統(tǒng)考察察，和對對其他太太陽能電電池、能能源的實實際生產產企業(yè)的的工藝、相相關產品品的使用用環(huán)境研研究分析析得出。研研究結果果的科學學性、公公正性得得到國內內外的認認可。研研究者在在20006年歐歐洲材料料年會硫硫系半導導體光伏伏

9、材料分分會作的的報告引引起了與與會人員員的強烈烈關注。圖2 硅硅太陽能能電池和和碲化鎘鎘太陽能能電池的的重金屬屬排放量量的比較較圖 美美國的研研究人員員還針對對碲化鎘鎘薄膜太太陽能電電池組件件使用過過程中，遇遇到火災災等意外外事故造造成組件件損毀時時鎘的污污染進行行了研究究。他們們將雙玻玻璃封裝裝的碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池組組件在模模擬建筑筑物發(fā)生生火災的的情況下下進行試試驗，實實驗溫度度高達111000。結果果表明，高高溫下玻玻璃變軟軟以至于于熔化，化化合物半半導體薄薄膜被包包封在軟軟化了的的玻璃中中，鎘流流失量不不到電池池所含鎘鎘總量的的0.004%?？伎紤]到發(fā)發(fā)生火災災的幾率率，得出出

10、使用過過程中，鎘鎘的排放放量不到到0.006mgg/ GGWh。 雖然然實驗表表明碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池組組件的使使用是安安全的，但但是建立立壽命末末期電池池組件和和損毀組組件的回回收機制制可以增增強公眾眾的信心心。分離離出的CCd、TTe及其其他有用用材料，還還可用于于制造生生產太陽陽能電池池組件所所需的相相關材料料，進行行循環(huán)生生產。美美國、歐歐洲的研研究表明明，技術術上是可可行的，回回收材料料的效益益高于回回收成本本。事實實上，美美國Fiirstt Soolarr公司的的碲化鎘鎘太陽能能電池組組件在銷銷售時就就與用戶戶簽訂了了由工廠廠支付回回收費用用的回收收合同。 綜上上所述，碲碲化

11、鎘太太陽能電電池在生生產、使使用等方方面是環(huán)環(huán)境友好好的。 大面面積碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池組組件制造造的關鍵鍵技術 與小小面積單單元電池池相同，硫硫化鎘、碲碲化鎘、復復合背接接觸層等等三層薄薄膜的沉沉積和后后處理是是獲得高高效率的的技術關關鍵。不不同的是是，需要要在電池池的制備備過程中中對在特特定的工工藝環(huán)節(jié)節(jié)分別對對透明導導電薄膜膜、CddS/CCdTee半導體體層、金金屬背電電極進行行刻劃，實實現(xiàn)單元元電池的的串聯(lián)集集成。此此外，工工業(yè)化大大面積組組件生產產要求工工藝條件件重復性性高，薄薄膜性質質均勻性性好，使使一些在在制備高高效率小小面積單單元電池池時使用用的有效效技術，并并不適用用

12、于大面面積組件件的制造造，需要要發(fā)展新新的技術術。圖3 碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池組組件集成成結構示示意圖圖4 碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池組組件制備備工藝流流程圖 1集成成技術 集成成工藝對對組件的的轉換效效率具有有決定性性的影響響。實現(xiàn)現(xiàn)集成的的刻劃技技術有機機械刻劃劃、 HYPERLINK / o 激光 激光光刻劃兩兩種。機機械刻劃劃的刻劃劃速度比比激光刻刻劃的慢慢得多，而而且對于于如碲化化鎘等厚厚度到微微米量級級的較脆脆的薄膜膜，保證證刻槽的的平直無無渣工藝藝難度較較大。激激光刻劃劃能夠獲獲得較窄窄的刻槽槽，寬度度最低可可到1000微米米。通常常，使用用基頻（11.0664微米米） HY

13、PERLINK /SEARCH/WENZHANG/YAG.HTM o YAG YAAG：NNd激光光刻劃系系統(tǒng)刻劃劃透明導導電薄膜膜，使用用倍頻（5532nnm）YYAG：Nd激激光刻劃劃系統(tǒng)刻刻劃硫化化鎘/碲碲化鎘膜膜層和金金屬背電電極。激激光刻劃劃系統(tǒng)有有兩種，其其一是移移動樣品品實現(xiàn)激激光刻劃劃，其二二是樣品品固定激激光頭移移動實現(xiàn)現(xiàn)激光刻刻劃。前前者受微微動臺的的限制，刻刻劃速度度只能達達到3000mmm/Seec5500mmm/SSec，后后者的刻刻劃速度度可高達達30000 mmm/SSec以以上。 刻痕痕形貌對對串聯(lián)集集成的電電子學特特性有極極大影響響。激光光入射方方向、激激光模

14、式式、刻劃劃速度和和Q開關關調制頻頻率是決決定刻痕痕形貌的的主要參參量。從從玻璃面面入射比比從薄膜膜面入射射更容易易得到高高質量的的刻痕。圖圖5是分分別用110644nm激激光和5532nnm的激激光刻劃劃CdSS/CddTe薄薄膜后，用用探針式式表面輪輪廓分析析儀測量量的刻痕痕形貌。110644nm激激光刻劃劃的刻槽槽邊緣有有高達44微米的的“脊狀狀峰”，這這不利于于后續(xù)沉沉積的背背電極接接觸層及及金屬背背電極與與透明導導電薄膜膜之間形形成連續(xù)續(xù)的具有有良好歐歐姆特性性的連接接。圖5 CddTe薄薄膜激光光刻劃刻刻痕形貌貌 22 碲碲化鎘薄薄膜的表表面腐蝕蝕技術 剛沉沉積的碲碲化鎘薄薄膜載流

15、流子濃度度低，需需要在含含氧、氯氯的氣氛氛下進行行38004550的熱處處理。該該工藝同同時也促促進CddS/CCdTee的界面面擴散，減減少界面面的格子子失配程程度和鈍鈍化了薄薄膜的晶晶界勢壘壘。但該該工藝在在碲化鎘鎘膜面形形成了一一高阻氧氧化層，可可以用化化學腐蝕蝕或離子子刻蝕去去除CddTe膜膜面的高高阻氧化化層。 物理理刻蝕技技術廢料料少，容容易和其其他工藝藝環(huán)節(jié)集集成，但但是不易易獲得厚厚度在110nmm1000nmm的高質質量富碲碲層，該該層對于于形成良良好歐姆姆接觸特特性的背背電極是是非常關關鍵的。 化學學腐蝕方方法中，常常用體積積濃度為為0.11%的溴溴甲醇溶溶液作為為腐蝕液液

16、，腐蝕蝕時間88155秒。雖雖然使用用該腐蝕蝕工藝制制備的小小面積電電池轉換換效率高高達166.5%，但是是溴甲醇醇溶液在在空氣中中容易氧氧化，不不適合工工業(yè)化生生產使用用，需要要發(fā)展更更穩(wěn)定的的腐蝕液液和速度度慢的腐腐蝕工藝藝。使用用磷酸-硝酸混混合溶液液可以獲獲得較好好的腐蝕蝕效果，典典型溶液液的體積積濃度為為（硝酸酸：磷酸酸：水）00.5：70：29.5，室室溫下腐腐蝕時間間為1分分鐘。降降低硝酸酸濃度和和溫度可可以進一一步延長長腐蝕。磷磷硝酸溶溶液沿晶晶界的擇擇優(yōu)腐蝕蝕較為嚴嚴重，容容易在沉沉積背電電極后形形成局部部的短路路漏電通通道。使使用硝酸酸-冰乙乙酸溶液液可以進進一步減減輕晶體體擇優(yōu)腐腐蝕程度度，獲得得更好的的膜面腐腐蝕效果果。圖6 不同溫溫度下使使用硝酸酸-冰乙乙酸腐蝕蝕后碲化化鎘的XXRD譜譜圖前景展展望 碲化化鎘薄膜膜太陽能能電池正正日益受受到國內內外的關關注。全全球最大大的碲化化鎘太陽陽能電池池制造商商美美國Fiirstt Soolarr公司正正加速擴擴大產