太陽能電池相關材料

第七章太陽能電池相關材料1.太陽能電池的發(fā)展歷史

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用于空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設備業(yè)的發(fā)展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產業(yè)擴大了20倍，今后10年世界光伏產業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展。并網發(fā)電系統(tǒng)及工作原理光伏航標燈去年全球的光伏組件生產量約為10.7G瓦，而中國占40%以上。最近十年內，光伏產業(yè)的產值增長率為年均48.5%，近5年的增幅高達55%。盡管近3年全球遭遇了金融危機，但是光伏行業(yè)的增長率依然高達35%，這是其他行業(yè)難以比擬的增速。2009年，全球十大光伏生產企業(yè)中，中國有尚德控股、天威英利和晶澳太陽能等公司入選，分別名列第三、第五和第七位。而今年若按發(fā)貨量看，尚德控股和晶澳太陽能的座次可能會繼續(xù)上升，德國Q-cells將被擠出前三位。尚德控股也有可能僅次于美國FirstSolar，成為世界第二大生產企業(yè)。2.技術發(fā)展趨勢2.1硅基電池:

硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富(以石英砂形式存在)；

環(huán)境友好；

電池效率高，性能穩(wěn)定；

工藝基礎成熟。

硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點、熱點晶硅電池的產業(yè)化技術硅基薄膜電池研究開發(fā)方向：晶硅電池:①提高電池/組件效率高效鈍化技術：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。。高效陷光技術：減反射，表面織構化，背反射等，選擇性發(fā)射區(qū)(前)，背表面場(BSF)，細柵或者單面技術，高效封裝技術－最佳封裝材料的折射率等。②簡化、改進工藝－自動化、環(huán)保、低成本；如硅片薄化及其工藝，③材料的國產化和提高性能；硅基薄膜電池①低溫過程(PECVD)<300℃，非晶、微晶、微非迭層－效率、穩(wěn)定性，柔性襯底②低溫過程>900℃,多晶硅基薄膜電池，廉價襯底；2.2化合物電池

CIGS電池：提高效率，大面積重復性，S代SeCdTe電池：提高效率，大面積重復性燃料敏化電池－高效染料，固體或準固態(tài)電解質，提高效率，大面積重復性有機電池－高效電子受體和給體以及材料，提高效率

3.新型概念電池：量子點、量子阱電池，中間帶光伏電池，帶隙遞變迭層電池等，尚處在理論探索、概念研究和驗證階段。3.太陽能電池定義和分類

太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應把光能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎和核心。太陽能電池分類按結構分類同質結太陽電池異質結太陽電池肖特基太陽電池按材料分類硅太陽電池敏化納米晶太陽電池有機化合物太陽電池塑料太陽電池無機化合物半導體太陽電池按光電轉換機理傳統(tǒng)太陽電池激子太陽電池太陽能電池可大致分為三代，第一代為晶體硅電池，又可大致分為單晶硅與多晶硅兩種，商業(yè)應用歷史最悠久﹔第二代產品為薄膜太陽能電池，主要有硅薄膜太陽電池和CdTe、CIGS為代表的化合物薄膜太陽電池。硅薄膜太陽電池包括非晶硅(Amorphous)、

納米硅、微晶硅和多晶硅等﹔第三代即為砷化鎵三五族太陽能電池，砷化鎵(GaAs)被運用于太空作為發(fā)電用途已有很長的歷史，主要因為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性，因此被廣泛利用于太空發(fā)電。但由于價格過于高昂，在過去未被用于地面發(fā)電。4.太陽能電池的結構及工作原理太陽能電池的結構太陽能電池發(fā)電原理太陽電池的基本特征參數短路電流開路電壓輸出功率填充因子效率開路電壓短路電流太陽電池的I-V特性曲線輸出功率：Pm=ImVm

填充因子：FF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強下，FF愈大，曲線愈方，輸出功率越高。對于有合適效率的電池，該值應在0.70-0.85范圍之內。

效率：太陽光譜分布能量分布（kW/m2·μm）大氣層-----AMO地球表面--AM1.5測試太空用太陽電池效率時,光源應滿足AM0光譜分布，總能量135.3mW/cm2;測試溫度25℃測試地面用太陽電池效率時,光源應滿足AM1.5光譜分布，總能量100mW/cm2，測試溫度25℃太陽電池的效率是有理論上限的。對于硅太陽電池，其禁帶寬度為1.12eV。在太陽光譜中，能量小于1.12eV的光子占有約23%的能量。其次，一個被吸收的光子一般只能產生一個電子－空穴對，因而光子能量超過Eg的部分將被浪費掉。對硅電池而言，在其可吸收的光譜內，大約有43%的能量因此而損失。僅此兩項損失，一個硅電池能利用的光能只有(1-23%)×(1-43%)=44%左右。同時，由于電池表面的反射、光生電子－空穴對的復合、串并聯電阻的影響等，也會損失部分能量。實際電池的效率會大大小于理論極限效率。一般的電池效率上限最高接近30%。提高電池效率，需要選擇合適的基片材料（合適的禁帶寬度、摻雜濃度）、優(yōu)化電池設計、提高工藝水平。需要盡量減少光損失，降低復合，減小暗電流和高摻雜效應，并減小串聯電阻，增大并聯電阻等。3.太陽能電池的生產工藝導電玻璃膜切割清洗

檢測鍍鋁電極沉積PN結老化檢測封裝成品檢測4.太陽能電池的應用

上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術——通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結合已經形成產業(yè)化趨勢用戶太陽能電源1.小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等

太陽能電源太陽能逆變器2.3-5KW家庭屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)；3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉

交通領域如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。通訊/通信領域太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。石油、海洋、氣象領域石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等風云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池海洋氣象監(jiān)測標

家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光伏電站10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。5.非晶硅太陽電池5.1發(fā)展歷史1975年,Spear和Lecomber用輝光放電法制備出性能優(yōu)良的非晶硅（a-Si）薄膜1976年,RCA實驗室的CarlsonD.E和WronskiC.R利用氫化非晶硅制作出了第一個非晶硅太陽能電池20世紀80年代,非晶硅太陽能電池的轉換效率和穩(wěn)定性獲得了重要突破，面積0.5m2、轉換效率5％以下的非晶硅太陽能電池組件是當時市場主流20世紀90年代,低轉換效率和穩(wěn)定性差的問題得到進一步解決，疊層非晶硅太陽能電池得到了發(fā)展，面積為1m2和效率為6％左右的非晶硅太陽能電池，成為非晶硅太陽能電池市場的新主流21世紀初，美國、日本的一些非晶硅太陽能電池制造商開發(fā)出具有非晶硅／微晶硅和非晶硅／非晶硅鍺結構的疊層太陽能電池產品投放市場，產品的單一組件面積超過1m2，轉換效率為7％2005年前后，一些制造商研制成功了集成型非晶硅薄膜太陽能電池組件，產品的轉換效率進一步提高到了7.5％～8％，產品的面積達到1.5m2，成為目前非晶硅太陽能電池產品的主流2006年下半年，美國應用材料公司采用8.5代設備集成了規(guī)模為40ＭＷ的單結非晶硅太陽能電池生產線，所生產的面積為5.72m2的光伏組件產品，轉換效率達到了6％a-Si是Si-H(約10％)的一種合金。5.2非晶硅制備方法及結構特性等離子體輔助（PE）CVD、LPCVD、微波電子回旋共振（MW-ECR）CVD、甚高頻（VHF）CVD反應氣體：硅烷（SiH4）、氫氣（H2）長程無序，短程有序

（共價鍵長度變化約2%，鍵角變化約10%）；非晶硅-氫合金（a-Si∶H），常稱為氫化非晶硅電子遷移率低：a-Si∶H中電子遷移率的典型值達到了5～10cm2/(V-s)，單晶硅的電子遷移率約為1400cm2/(V-s)a-Si∶H的一個重大缺點就是其性能不穩(wěn)定，即具有一種所謂亞穩(wěn)特性（因為在a-Si∶H結構中存在著較弱的Si-Si鍵（鍵能約為1eV）、以及懸掛鍵和氫鍵）5.3非晶硅太陽電池結構及特點因為：輕摻雜的非晶硅的費米能級移動較小，如果兩邊都是輕摻雜的或一邊是輕摻雜的另一邊是重摻雜的材料，則能帶彎曲較小，電池的開路電壓受到限制；如果直接用重摻雜的p+和n+材料形成p+-n+結，那么，由于重摻雜非晶硅材料中缺陷密度較高，少子壽命低，電池的性能會很差。因此，通常在兩個重摻雜層當中沉積一層未摻雜的非晶硅層作為有源層集電區(qū)。非晶硅太陽能電池內光生載流子主要產生于未摻雜的i層，與晶態(tài)硅太陽能電池中載流子主要由于擴散而移動不同，在非晶硅太陽能電池中，光生載流子主要依靠太陽能電池內電場作用作漂移運動。在非晶硅太陽能電池中，頂層的重摻雜層的厚度很薄幾乎是半透明的，可以使入射光最大限度地進入未摻雜層并產生自由的光生電子和空穴。而較高的內建電場也基本上從這里展開，使光生載流子產生后立即被掃向n+側和p+側。0.008μm厚的p型頂層，

0.5-1μm的中間本征層，0.02μm厚的n型底層。

優(yōu)點：①資源豐富，環(huán)境安全；②光的吸收系數高，活性層只需要1m厚，省材料；③非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大。隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV的范圍內變化，制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。。④電池/組件一次完成，生產程序簡單。

缺點：①效率低；②不穩(wěn)定－

光致衰退(S-W效應)。非晶硅光吸收特性非晶硅具有較高的光吸收系數.特別是在0.3-0.75um

的可見光波段,它的吸收系數比單晶硅要高出一個數量級.因而它比單晶硅對太陽能輻射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收90%有用的太陽能.這是非晶硅材料最重要的特點,也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素.a-Si薄膜在強光（通常是一個標準太陽的光強，100mW／cm2）下照射數小時，光電導逐漸下降，光照后暗電導可下降幾個數量級并保持相對穩(wěn)定；光照的樣品在160℃下退火，電導可恢復原值，這就是有名的Staebler-Wronski效應，簡稱SWF。非晶硅太陽電池的光致衰退由于S-W效應，非晶硅太陽能電池在光照后，非晶硅膜中缺陷態(tài)密度增加，導致電池內的光生電子和空穴復合幾率增加，電池的轉換效率下降。轉換效率低的原因及解決辦法原因：非晶硅薄膜太陽能電池采用的a-Si：H材料帶隙較寬，運行中小于1.65eV的低能光子對光生電流基本上無貢獻。另外，由于對本征層厚度的要求不可能太大，所以能量接近于帶隙寬度的那部分長波光子，在有限的本征層之內并不能充分地被吸收，理論效率25%左右。（１）采用疊層電池結構以擴展光譜響應范圍并提高穩(wěn)定性

左圖為一個實際的三層太陽能電池的例子，該結構是用寬帶隙的非晶碳化硅薄膜作為第一層，用窄帶隙的非晶硅鍺作為第三層，中間夾以非晶硅層，其理論轉換效率最高可達24%。

實驗室效率：初始穩(wěn)定單結：12％6－8％雙結：13％～10％三結：15.2%～13％

商業(yè)化電池效率：單結：3％～4％雙結：～6％三結：7％～8％

（２）采用絨面上電極和多層背反射電極以增加光在本征層的吸收率（3）減反層減少反射光由于光會在兩層不同的介質處發(fā)生反射，兩介質折射率相差越大，反射也越大。在superstrate型薄膜硅電池中，TCO的折射率（n～1.9）與硅薄膜的折射率（n～3.4）相差很大，在界面處會有超過10%的光被反射，為了減弱界面處光的反射，可以在TCO與硅材料中間引入一層處于中間折射率（n～2.5）的透明導電介質來減弱光的反射。非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺疊層電池光致衰減效應及解決辦法a-Si:H材料的電導率和轉換效率在連續(xù)光照下會發(fā)生衰減，稱為S-W效應。

研究表明，非晶硅薄膜太陽電池在連續(xù)的光照后，其性能的衰減快慢以及程度不僅與沉積條件有關，而且也與太陽電池的結構以及其他因素有關。（１）向a-Si:H薄膜中添加適量的雜質元素

向非晶硅PIN太陽電池的本征層摻雜硼元素后，其轉換效率可比常規(guī)非摻雜本征層的太陽電池增加10％左右，連續(xù)光照后，其特性與本征層膜厚以及其他制備條件無關，且沒有發(fā)現變化。（２）減少a-Si:H薄膜中的H含量

在制備方法上分別采用了電子回旋共振化學氣相沉積（ECRCVD），氫根化學氣相沉積（HRCVD），熱絲（HW）法沉積和二極管系統(tǒng)等。

在制備工藝方面采用了H等離子體化學退火法、H2稀釋法、He稀釋法等均取得了一定的效果。（３）對非晶硅薄膜太陽電池進行反偏以及退火處理（４）適當減小非晶硅薄膜電池的厚度

實驗表明，非晶硅薄膜太陽電池的光致衰減程度與薄膜的本征層厚度有關，當本征層厚度小于300nm時，太陽能電池的性能相對穩(wěn)定。5.4非晶硅太陽電池的進一步發(fā)展方向高效、穩(wěn)定（1）加強a-Si基礎材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達到基本上消除薄膜硅太陽電池性能的光致衰退。（2）加強晶化薄膜硅材料制備技術探索和研究，使未來的薄膜硅