太陽能太陽能電池的研究進展

太陽能太陽能電池的研究進展

近年來，世界太陽能電池的總排放量每年都在30%以上。2005年，世界照明系統(tǒng)總安裝能力為2200mw，年屋頂功率約為30億hm。目前,太陽能電池產業(yè)仍然以晶體硅太陽能電池為主,大約占全部光伏電池的90%,其中多晶硅電池占2/3。全球光伏行業(yè)迅猛增長引起全球太陽能級多晶硅需求的快速擴張,然而,目前全球的太陽能級多晶硅產量僅為2萬t,遠低于市場的需求。預計,到2008年以前,太陽能級多晶硅仍將處于供不應求的狀態(tài)。為了適應太陽能電池高效率、低成本、規(guī)?；l(fā)展的宗旨,最有效的辦法就是不采用由硅原料、硅錠、硅片到電池的工藝路線,而直接由原材料到電池的工藝,即發(fā)展薄膜太陽能電池技術。目前比較成功的薄膜太陽能電池技術主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、銅銦硒電池和碲化鎘電池。1太陽能電池疊層機理非晶硅薄膜太陽能電池的成本低,便于大規(guī)模生產,因此普遍受到重視并得到迅速發(fā)展。早在上個世紀70年代,國外就開始了對非晶硅電池的研制工作,近些年它的研制工作得到了迅速發(fā)展,目前世界上已有許多家公司在生產該種電池產品。一條年產5MW柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池的示范生產線已經在我國天津建成投產。這條生產線是國內生產規(guī)模最大、也是唯一可制造雙結非晶硅太陽電池的生產線。它的建成投產,使我國非晶硅薄膜太陽電池初步實現產業(yè)化生產。非晶硅的光學帶隙為1.7eV,其材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感,因而限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外,其光電效率會隨著光照時間的延長而衰減,即所謂的光致衰退S-W效應,使得電池性能不穩(wěn)定。人們采用了制備疊層太陽能電池來解決這一問題。疊層太陽能電池就是在制備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一個或多個p-i-n子電池制得的,各子電池串聯在一起。疊層太陽能電池把不同禁帶寬度的材科組合在一起,提高了光譜的響應范圍;其頂電池的i層較薄,光照產生的電場強度變化不大,保證i層中的光生載流子抽出;底電池產生的載流子約為單電池的一半,光致衰退效應減小,從而提高了電池的轉換效率、解決了單結電池的不穩(wěn)定性。非晶硅薄膜的制備方法有很多,如等離子體增強CVD法、甚高頻等離子體增強CVD法,微波電子回旋共振CVD法,熱絲CVD法等。反應原料氣體為H2稀釋的SiH4,襯底主要為玻璃和不銹鋼片,制成的非晶硅薄膜經過不同的電池工藝過程可分別制得單結電池和疊層電池。日本中央研究院制得的非晶硅電池的轉換效率已達13.2%。國內南開大學薛俊明等采用射頻等離子體增強化學氣相沉積技術制備非晶硅頂電池,采用甚高頻等離子體增強化學氣相沉積技術制備微晶硅底電池,研制出了面積為1.0cm2,效率達9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽電池。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉換效率和較低的成本及重量輕等特點,有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高,直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉換率問題,那么,非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產品之一。2聚合物薄膜的制備多晶硅(poly-Si)薄膜是由許多大小不等,具有不同晶面取向的小晶粒構成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百nm級,大顆粒尺寸可達μm級。多晶硅薄膜在長波段具有高光敏性,能有效吸收可見光,具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性,因此被公認為是高效、低耗的理想光伏材料。多晶硅薄膜電池只有晶體硅電池厚度的3%左右。要得到同樣的轉換效率,對薄膜材料的質量,少數載流子的擴散長度,要求僅是對硅片要求的1/30。在制造工藝上,多晶硅薄膜電池集電池和組件于一體,從而大大降低了生產成本。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜,目前制備多晶硅薄膜電池多采用等離子增強化學氣相沉積和低壓化學氣相沉積工藝。此外,液相外延法和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但是在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。為了解決這一問題,研究發(fā)現先用LPCVD法在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層,再將這層非晶硅層退火,可以得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜。利用這樣的多晶硅薄膜制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。用poly-Si薄膜代替a-SiGe作底電池,其帶隙可做到1.12ev,與a-Si/a-SiGe/a-SiGe薄膜電池相比,a-Si/poly-Si薄膜電池能吸收更小能量的太陽光子,具有更高的轉換效率極限,而且poly-Si薄膜沒有光致衰退效應。理論計算表明,a-Si/poly-Si疊層電池的效率可達28%。poly-Si薄膜的制備進一步提高了硅基薄膜太陽能電池性能。Kaneka公司設計的STAR結構的多晶硅薄膜電池,效率已達10.7%,厚度<5μm,且無光致衰降現象;另一種SIO結構的多晶硅薄膜電池100cm2,獲得了高達14.22%的效率。H.Morikawa等制備出了效率高達16%的多晶硅薄膜電池。日本三菱公司用該法制備電池,效率達16.42%。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)域再結晶技術在Si襯底上制得的多晶硅電池轉換效率為19%。理論和實踐均表明,多晶硅薄膜太陽能電池很有可能成為21世紀最有前途的一種薄膜太陽能電池。3太陽能電池中試開發(fā)CIS薄膜是一種I-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導體,具有黃銅礦、閃鋅礦兩個同素異形的晶體結構,摻入鎵Ga即形成為四元化合物CIGS。銅銦硒薄膜太陽能電池屬于技術集成度很高的化合物半導體光伏器件,由在玻璃或廉價的襯底上沉積多層薄膜而構成。薄膜總厚度約2～3μm,具有高轉換效率、低成本、無衰退等綜合性能。德國、美國和日本已經完成了銅銦硒薄膜太陽能電池中試開發(fā),開始進入大規(guī)模產業(yè)化技術攻關。日本昭和石油公司創(chuàng)下了這種CIS系薄膜太陽能電池轉換效率的最高世界記錄。面積為864cm2的轉換效率為14.3%,面積為3560cm2的轉換效率為13.4%。該公司中央研究室完成了使用該太陽能電池的日本第一個10kW太陽能發(fā)電系統(tǒng),使該太陽能電池的實用化向前邁進了一大步。在國內,此項目已經列入了國家能源戰(zhàn)略性高科技發(fā)展項目,在“十五”期間的863可再生能源眾多項目中投資強度排在首位。南開大學研制開發(fā)的電池光電轉換效率已經達到14%,已接近世界先進水平。目前該項目的實驗室技術基本成熟,開始進入中試技術開發(fā)階段,預計2006年底完成中試,2007年開始進行5MW生產線的技術開發(fā)。南開大學已與天津保稅區(qū)簽署合作協(xié)議,將在保稅區(qū)建設我國第一條銅銦硒薄膜太陽能電池中試線,使我國成為繼德、美、日之后的第四個開展這種電池中試開發(fā)的國家,并將形成具備自有知識產權的銅銦硒薄膜太陽能電池產業(yè)。制備CuInSe2薄膜的方法有:反應濺射、真空蒸發(fā)法(單源、雙源、三源)、噴射熱解法、化學池沉積法、電沉積、封閉空間的化學氣相輸運法、化學氣相沉積、分子束外延、有機金屬化學氣相沉積等。銅銦硒(CIS)系薄膜太陽能電池是未來的太陽能電池主流產品之一,可廣泛應用于大型太陽能電站、節(jié)能樓宇玻璃及航空航天等軍事用途,有著巨大的市場需求。4cdte薄膜太陽電池碲化鎘是一種化合物半導體,其帶隙最適合于光電能量轉換。用這種半導體做成的太陽電池有很高的理論轉換效率。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異質結為基礎。盡管CdS和CdTe和晶格常數相差10%,但它們組成的異質結電學性能優(yōu)良,制成的太陽電池的填充因子高達FF=0.75。CdTe器件通常在玻璃襯底上制造,玻璃上第一層為透明電極,其后的薄層為CdS、CdTe和背電極,其背電極可以是碳漿料或金屬薄層。CdTe電池要求光滑的TCO表面,這樣可以盡可能減小CdS層厚度,提高CdS和CdTe層的結晶質量,使CdS與CdTe能形成性能優(yōu)良的異質結。CdTe沉積方法也很多,如電沉積法、近距離升華法、近距離蒸氣轉運法、噴涂法、絲網印刷法、MOCVD和ALE等等。CdTe層的厚度通常為1.5～3μm,而CdTe對于光的吸收,1.5μm就足夠了。碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低,是應用前景最好的新型太陽電池,它已經成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對象。目前,已獲得的最高效率為16.5%。四川大學太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領下,率先在我國開展了碲化鎘薄膜太陽電池的研究。在“九五”期間,承擔了科技部資助的科技攻關計劃課題:“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研制”。四川大學已經制備出的碲化鎘薄膜太陽電池轉換效率達11.6%,進入了世界先進行列。高轉換效率、低成本和高穩(wěn)定性的太陽能電池一直是研究人員追求的目標。因此,以CdTe,CuInSe,多晶硅膜和非晶硅膜為代表的薄膜太陽電池倍受關注。CdTe薄膜太陽電池較其他的薄膜電池容易制造,因而它向商品化進展最快。但是有毒元素Cd對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。我們不能在獲取清潔能源的同時,又對人體和人類生存環(huán)境造成新的危害。目前各國均在大力研究,相信上述問題不久將會逐個解決,從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會新的能源成分之一。5薄膜太陽能電池縱觀太陽能電池這些年的飛速發(fā)展,無論是材料、結構的豐富,還是制備工藝的改進,都是為了降低成本,提高轉換效率。世界各國不惜投入大量的人力、物力、財力研發(fā)太陽能電池,制定本國的發(fā)展計劃,從而加速太陽能電池的大規(guī)模實用化進程。美國、德國和日本除了在傳統(tǒng)晶體硅電池的研究和生產上走在世界前列,在薄膜太陽能電池的應用上也較為領先。德國已經建成了世界上第一座全部采用這種電池來提供能源的建筑。日本本田公司也計劃建造可大批量生產薄膜太陽能電池板的工廠。在我國,無錫尚德等公司也在一直進行著對這一電池技術的研究。薄膜太陽能電池的低成本增加了它與晶體太陽能電池競爭的實力。由于制備技術與工藝的改進,近幾年來其光電轉換效率不斷提高,在未來光伏科技發(fā)展中必然占有顯赫地位。PECVD在薄膜材料制備方面具有獨特的優(yōu)勢,特