精品太陽能電池材料的研究及應(yīng)用狀態(tài)

1、太陽能電池材料的研究及應(yīng)用狀態(tài)摘要 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能等都來源于太陽能。太陽能電池是是一種通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，是利用太陽能的一種重要形式。目前，人們根據(jù)半導(dǎo)體材料將太陽能電池分為晶硅與薄膜兩大類。晶硅由于成本較高，限制其發(fā)展。薄膜電池具有生成成本低、原材料消耗少、弱光性等優(yōu)勢，還能實現(xiàn)光伏建筑一體化，易于大面積推廣，適用于大規(guī)模應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)。關(guān)鍵字 晶硅 薄膜電池 太陽能電池 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢前言目前，人們根據(jù)所選用的半導(dǎo)體材料將太陽能電池應(yīng)用技術(shù)分為晶硅和薄膜兩大類。晶硅太陽能電池在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地

2、位，但由于其成本過高，限制了其發(fā)展。相比晶硅等其它太陽能電池，薄膜太陽能電池具有生產(chǎn)成本低、原材料消耗少、弱光性能優(yōu)良等優(yōu)勢。隨著世界能源緊缺，薄膜太陽能電池作為一種光電功能薄膜，可以有效地解決能源短缺問題，而且無污染，還可以實現(xiàn)光伏建筑一體化，易于大面積推廣。1、太陽能電池材料以及特點及其應(yīng)用狀態(tài)： 1.）非晶硅薄膜太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率較低，實驗室轉(zhuǎn)換效率只有13，但工藝成熟、成本較晶硅低廉、制備方便，適于大規(guī)模生產(chǎn)。非晶硅薄膜太陽能電池通常為疊層結(jié)構(gòu)，玻璃基板上沉積了透明導(dǎo)電膜（transparentconductiveoxide，TCO）層、非晶硅層（aSi層）和背電極

3、層（AlZnO層）3層薄膜，其中非晶硅層通過磁控濺射法沉積。相對于單晶硅太陽能電池，非晶硅薄膜是一種極有希望大幅度降低太陽電池成本的材料。非晶硅薄膜太陽能電池具有諸多優(yōu)點使之成為一種優(yōu)良的光電薄膜光伏器件。（1）非晶硅的光吸收系數(shù)大，因而作為太陽能電池時，薄膜所需厚度相對其他材料如砷化鎵時，要小得多；（2）相對于單晶硅，非晶硅薄膜太陽能電池制造工藝簡單，制造過程能量消耗少；（3）可實現(xiàn)大面積化及連續(xù)的生產(chǎn)；（4）可以采用玻璃或不銹鋼等材料作為襯底，因而容易降低成本；（5）可以做成疊層結(jié)構(gòu)，提高效率。太陽但同時非晶硅薄膜太陽能電池仍存在一些需要解決的問題。（1）由于Staebler-Wronsk

4、i效應(yīng)的存在，使得非晶硅薄膜太陽能電池在太陽光下長時間照射會產(chǎn)生效率的衰減，從而導(dǎo)致整個電池效率的降低；（2）沉積速率低，影響非晶硅薄膜太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)；（3）后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問題；（4）在薄膜沉積過程中存在大量的雜質(zhì)，如O2、N2、C等，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。非晶硅薄膜太陽能電池的下一步研究主要有以下幾個方向：其一是采用優(yōu)質(zhì)的底電池i層材料；其二朝疊層結(jié)構(gòu)電池發(fā)展；第三是在保證效率的條件下，開發(fā)生產(chǎn)疊層型非晶硅太陽電池模塊技術(shù)；最后使用便宜封裝材料以降低成本。2.）多晶硅薄膜太陽能電池poly-Si薄膜電池既具有晶體硅電池的高效、穩(wěn)定、無毒、材料資源豐富，又具有薄

5、膜電池的材料省、成本低的優(yōu)點，它在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，且具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，同時材料制備工藝相對簡單，poly-Si薄膜電池技術(shù)有望使太陽電池組件的成本得到更大程度的降低，從而使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競爭。限制太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素很多，提高吸光率和減少載流子復(fù)合是提高轉(zhuǎn)換效率最重要的2種方法。眾所周知，吸光率越大，電池轉(zhuǎn)換效率越高，短路電流密度，筻也越大。si對可見光的光學(xué)吸收長度約為150um。由此可見，傳統(tǒng)單晶與非晶硅太陽能電池的厚度為200um左右，有利于充分吸收太陽光能量。按照國際認定的標(biāo)準(zhǔn)，新一代薄膜太陽能電池的厚度應(yīng)在50um以下。這意味

6、著必須使較長波段的光在薄膜的上下表面間來回反射，以增加其光程，達到提高吸光率的目的。要使吸光率A（）在寬譜帶范圍內(nèi)達到高值，可以采取以下2種方法。第一種方法是使薄膜電池上表面反射系數(shù)Rf接近于0。為此，通常采用由ZnS、MgF、TiO2和Si構(gòu)成的單層或多層減反膜。第二種方法是使薄膜電池背面的反射系數(shù)Rb接近理想的100，通常用在基片上蒸鍍金屬膜作為反射層的方法增加電池背面的反射系數(shù)。無論體晶硅還是薄膜硅太陽能電池，其內(nèi)部的載流子復(fù)合都是不可避免的。在si薄膜太陽能電池中，大量的載流子復(fù)合發(fā)生在雜質(zhì)中心、表面、界面和晶界處L2J在多晶硅薄膜和微晶硅薄膜中，晶界處會有晶界復(fù)合。為了減少這些復(fù)合。

7、應(yīng)盡可能減少薄膜中不需要的雜質(zhì)，增大多晶硅和微晶硅薄膜中的晶粒尺寸等。3.）CIGS薄膜太陽能電池銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池的首選，并且是單位重量輸出功率最高的太陽能電池。所謂第三代太陽能電池就是高效/低成本/可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的銅銦鎵硒（CIGS）等化合物薄膜太陽能電池。CIGS具有非常優(yōu)良的抗干擾、耐輻射能力，因而沒有光輻射引致性能衰退效應(yīng)，使用壽命長。CIGS是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，因此電池中所需的CIGS薄膜厚度很?。ㄒ话阍?um左右）。它的吸收系數(shù)非常高達10-5cm-1，同時還具有很好的非常大范圍的太陽光譜的響應(yīng)特性。通過調(diào)節(jié)Ga/（In+Ga）可以改變CIGS的帶隙

8、，調(diào)節(jié)范圍為1.04eV1.72eV。CIGS系電池可以很方便地做成多結(jié)系統(tǒng)，在四個結(jié)的情況下，從光線入射方向按禁帶寬度由大到小順序排列，太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限可以超過50%。CIGS薄膜在高于500的溫度下沉積在涂有Mo的玻璃襯底上，并且與通過化學(xué)沉積形成的CdS層，組成CdSCIGS異質(zhì)結(jié)太陽能電池。以摻鎵的CIS（CIGS）和以CdS為緩沖層制成的太陽能電池效率已高達215。目前大多數(shù)CIGS電池組件都含有CdS緩沖層，但使用CdS緩沖層也存在一些缺點。從恢復(fù)短波光生電流的觀點來看，應(yīng)該使用禁帶寬度更寬的緩沖層，從環(huán)境的觀點來看，鎘的毒性將對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。因此近年來研究使用的緩

9、沖層材料有ZnS、In2S3、ZnSe、ZnO、SnO2、ZnIn2Se等，以取代CdS作為緩沖層，實現(xiàn)制備綠色無鎘高效CIGS薄膜太陽電池，同時為了節(jié)約原材料和能源，還應(yīng)該考慮盡可能地減小薄膜厚度。4.）碲化鎘薄膜太陽能電池10cm*10cm小型碲化鎘薄膜太陽能電池模組碲化鎘薄膜太陽能電池簡稱CdTe電池，它是一種以p型CdTe和n型Cd的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的薄膜太陽能電池。第一個碲化鎘薄膜太陽能電池是由RCA實驗室在CdTe單晶上鍍上In的合金制得的，其光電轉(zhuǎn)換效率為2.1%。1982年，Kodak實驗室用化學(xué)沉積法在P型的CdTe上制備一層超薄的CdS，制備了效率超過10%的異質(zhì)結(jié)p-CdTe

10、/n-CdS薄膜太陽能電池。這是現(xiàn)階段碲化鎘薄膜太陽能電池的原型。20世紀(jì)90年代初，碲化鎘薄膜太陽能電池已實現(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。目前碲化鎘薄膜太陽能電池在實驗室中獲得的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達到17.3%1。其商用模塊的轉(zhuǎn)換效率也達到了10%左右。碲化鎘薄膜太陽能電池的優(yōu)點如下：理想的禁帶寬度。CdTe的禁帶寬度一般為1.45eV，CdTe的光譜響應(yīng)和太陽光譜非常匹配。高光吸收率：CdTe的吸收系數(shù)在可見光范圍高達104cm-1以上，95%的光子可在1m厚的吸收層內(nèi)被吸收。轉(zhuǎn)換效率高：碲化鎘薄膜太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28%。電池性能穩(wěn)定：一般的碲

11、化鎘薄膜太陽能電池的設(shè)計使用時間為20年。電池結(jié)構(gòu)簡單：制造成本低，容易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。碲化鎘薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)碲化鎘薄膜太陽能電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構(gòu)成的光伏器件。一般標(biāo)準(zhǔn)的碲化鎘薄膜太陽能電池由五層結(jié)構(gòu)組成:碲化鎘薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖玻璃襯底主要對電池起支架、防止污染和入射太陽光的作用。TCO層即透明導(dǎo)電氧化層。主要起的是透光和導(dǎo)電的作用。CdS窗口層n型半導(dǎo)體，與p型CdTe組成p-n結(jié)。CdTe吸收層它是電池的主體吸光層，與n型的CdS窗口層形成的p-n結(jié)是整個電池最核心的部分。碲化鎘薄膜太陽能電池的制備方法可以由多種方法制備，如化學(xué)水浴沉積(CBD)、

12、近空間升華法、絲網(wǎng)印刷、濺射、蒸發(fā)等。一般的工業(yè)化和實驗室都采用CBD的方法，這是因為CBD法的成本低和生成的CdS能夠與TCO形成良好的致密接觸。5.）有機薄膜太陽能電池有機薄膜太陽能電池主要有：單層結(jié)構(gòu)的肖特基電池、雙層p-n異質(zhì)結(jié)電池以及P型和n型半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的體相異質(zhì)結(jié)電池。目前認為有機薄膜太陽能電池的作用過程分為3個步驟：光激發(fā)產(chǎn)生激子、激子在給體受體（DA）界面的分裂、電子和空穴的漂移及其在各自電極的收集。有機薄膜太陽能電池具有材料潛在的低價格、加工容易、可大面積成膜、分子及薄膜性質(zhì)可設(shè)計性、質(zhì)輕、柔性等顯著優(yōu)點，但目前有機薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率很低、穩(wěn)定性差，只有將光電

13、轉(zhuǎn)換效率提高到5以上才可能大規(guī)模應(yīng)用。太陽能發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向 隨著新型太陽能電池的涌現(xiàn)，以及傳統(tǒng)硅電池的不斷革新，新的概念已經(jīng)開始在太陽能電池技術(shù)中顯現(xiàn)，從某種意義上講，預(yù)示著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢。基于上述太陽能電池的發(fā)展背景和現(xiàn)狀分析，目前太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向可以歸納為薄膜電池、疊層電池、柔性電池以及新型概念太陽能電池。 薄膜電池的出現(xiàn)有力于縮短光生載流子在器件中的擴散距離，降低復(fù)合及湮滅的幾率，使得在吸光程度大致相當(dāng)?shù)那疤嵯绿岣咛柲茈姵氐男省?疊層太陽能電池的性能可以得到疊加。每一個疊層單元由于感光部分的光響應(yīng)性能不同，可以分別吸收利

14、用不同波段的太陽光，經(jīng)過疊層，太陽光可以在全波段上都得到較好的吸收，同時由于器件之間 的耦合效應(yīng)，整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達到更高水平。 柔性太陽能電池可以用在平板太陽能電池難以勝任的許多領(lǐng)域。從制備工藝上看，由于該種電池有望實現(xiàn)成卷生產(chǎn)，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)，降低成本的潛力巨大，另外柔性電池可以進行卷曲折疊，從而方便攜帶。 燃料敏化太陽能電池是一種新型的陶瓷基光化學(xué)太陽能電池，1991年，瑞士的Graetzel教授通過釘(II) 的聯(lián)吡啶配合物敏化介孔Ti02薄膜光陽極，獲得了7的光電轉(zhuǎn)換效率，從此開啟了染料敏化太陽能電池的新領(lǐng)域。該電池制備工藝十分簡單，不需要昂貴又耗能的高溫處理和高真空，也不

15、需要高純原料。因此成本十分低廉，僅為硅基太陽能電池的1315。它還具有一些目前硅基電池所不具的特點，比如可以做成透明的或者彩色的，也可以做成柔性的可彎曲電池。目前，器件的光電轉(zhuǎn)換效率已優(yōu)化至11以上，超過非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。 4.結(jié)論綜上所述，薄膜太陽能電池因為低成本、低材料消耗、不斷提高的轉(zhuǎn)換效率，在未來光伏電池技術(shù)發(fā)展中占有越來越重要的位置，很多研究人員都在致力于薄膜太陽能的研究和開發(fā)。不同類型的薄膜太陽能電池具備各自的優(yōu)缺點。a-Si薄膜太陽能電池成本較單晶Si太陽能電池低，但由于存在光致衰退效應(yīng)，目前很難發(fā)展為具有穩(wěn)定高效率的太陽能電池。而poly-Si薄膜太陽能電池兼具單晶S

16、i和a-Si的優(yōu)點，制備工藝相對簡單，適合產(chǎn)業(yè)化大面積生產(chǎn)。CIGS薄膜太陽能電池效率較高，性能優(yōu)越，建議科研工作者給予更多的關(guān)注。有機薄膜太陽能電池對于實現(xiàn)低能耗、低成本、無污染具有重要的意義，但轉(zhuǎn)換效率低、長期穩(wěn)定性差，想實現(xiàn)商用需要較長的研究過程。可以設(shè)想在不久的將來，隨著科研工作的不斷深入，薄膜太陽能電池目前面臨的問題將逐一得到解決，性能將不斷得到改善和提高，從而滿足未來消費者對于能源的迫切需求。5.參考文獻1王銘君.梁月超.宋德PIN型有機太陽能電池的研究期刊論文-電子制作 2013(10)2張蓉.李錦堂.傅翠梨.羅學(xué)濤苯并咪唑類光電功能配合物的研究進展期刊論文-材料導(dǎo)報 2011(

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