太陽能電池的問題及優(yōu)化課件

太陽能電池器件的問題及優(yōu)化組員：李宇航張嘯天陳策發(fā)展就太陽能電池的發(fā)展時(shí)間而言，可區(qū)分為四個(gè)世代：第一代襯底硅晶（SiliconBased）第二代為薄膜（ThinFilm）第三代新觀念研發(fā)（NewConcept)

第四代復(fù)合薄膜材料。世代第一代太陽能電池發(fā)展最長久，技術(shù)也最成熟。種類可分為單晶硅（MonocrystallineSilicon）、多晶硅（PolycrystallineSilicon）、非晶硅（AmorphousSilicon）。以應(yīng)用來說是以前兩者單晶硅與多晶硅為大宗，也因應(yīng)不同設(shè)計(jì)的需求需要用到不同材料（例：對(duì)光波長的吸收、成本、面積......等等）。第二代薄膜太陽能電池以薄膜制程來制造電池。種類可分為碲化鎘（CadmiumTellurideCdTe）、銅銦硒化物（CopperIndiumSelenideCIS）、銅銦鎵硒化物（CopperIndiumGalliumSelenideCIGS）、砷化鎵（GalliumarsenideGaAs）第三代電池與前代電池最大的不同是制程中導(dǎo)入有機(jī)物和納米科技。種類有光化學(xué)太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、納米結(jié)晶太陽能電池。第四代則針對(duì)電池吸收光的薄膜做出多層結(jié)構(gòu)。單晶硅太陽能電池制作流程復(fù)雜，成本高，需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大。以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用單晶硅太陽能電池工藝要求高，容易出現(xiàn)缺陷

點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子、微缺陷）

線缺陷（位錯(cuò)：螺位錯(cuò)、刃位錯(cuò)）

面缺陷（同種晶體內(nèi)的晶界，小角晶界，層錯(cuò);

異種晶體間的相界）

體缺陷（包裹體、氣泡、空洞、微沉淀）

條紋（一系列同心環(huán)狀或螺旋狀的腐蝕圖形）缺陷多晶硅太陽能電池材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低。產(chǎn)量、規(guī)模較單晶硅易擴(kuò)大，沒有明顯效率衰退問題。效率比單晶硅電池低，而高于非晶硅薄膜電池。壽命要比單晶硅太陽能電池短。多晶硅太陽能電池原料來源為頭尾料，雜質(zhì)較多

間隙氧

替位碳

過渡金屬雜質(zhì)（Fe,Cu,Ni,Cr）雜質(zhì)多晶硅太陽能電池制作工藝復(fù)雜，仍可能存在缺陷

微缺陷

位錯(cuò)

晶界缺陷位錯(cuò)晶界多晶硅太陽能電池鈍化工藝多晶硅中位錯(cuò)、晶界等這些擴(kuò)展缺陷存在的懸掛鍵和金屬雜質(zhì)是少數(shù)載流子的復(fù)合中心，采用鈍化的手段來中和這些復(fù)合中心就成為提高材料性能的有效途徑。目前通常采用兩種鈍化方式氫鈍化和氧化鈍化。最佳的鈍化工藝是頂部進(jìn)行的氧鈍化結(jié)合底部進(jìn)行的氫鈍化。多晶硅太陽能電池?zé)崽幚砣绻阼T造多晶硅中的氧形成了熱施主或氧沉淀，這些熱施主和氧沉淀將成為復(fù)合中心或引入成為復(fù)合中心的二次缺陷，導(dǎo)致硅材料少子壽命降低，直接影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過熱處理，結(jié)合碳和氮對(duì)氧生成原生氧沉淀的作用，能夠降低氧對(duì)太陽能電池光電性質(zhì)的影響。多晶硅太陽能電池采用耐紫外功能較強(qiáng)EVA和背板材料，可以有效降低組件的功率衰減程度采用雙面Mc—Si電池結(jié)構(gòu)，使正面光照產(chǎn)生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對(duì)正面電極的有效補(bǔ)充。對(duì)于減反方面，可以通過激光刻槽、化學(xué)刻槽、反應(yīng)離子腐蝕（RIE）、制作減反射膜層等工藝實(shí)現(xiàn)，從而提高效率。非晶硅薄膜太陽能電池簡(jiǎn)介：非晶硅薄膜太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池

(1)

重量輕,比功率高

在不銹鋼襯底和聚脂薄膜襯底上制備的非晶硅薄膜電池,

重量輕、柔軟,具有很高的比功率.在不銹鋼襯底上的比功率可達(dá)1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率最高可達(dá)2000W/Kg.

而晶體硅的比功率一般僅40-100W/Kg.

由于襯底很薄,可以卷曲、裁剪,

便于攜帶,

這對(duì)于降低運(yùn)輸成本特別是對(duì)于空間應(yīng)用十分有利.(2)

抗輻照性能好

由于晶體硅太陽電池和砷化鎵太陽電池在受到宇宙射線粒子輻照時(shí),

少子壽命明顯下降.

如在1Mev電子輻射通量1×1016e/cm2時(shí),

其輸出功率下降60%,

這對(duì)于空間應(yīng)用來說是個(gè)嚴(yán)重問題.

而非晶硅太陽電池則表現(xiàn)出良好的抗輻射能力,

因宇宙射線粒子的輻射不會(huì)(或很小)影響非晶硅太陽電池中載流子的遷移率,

但卻能大大減少晶體硅太陽電池和砷化鎵太陽電池中少子的擴(kuò)散長度,

使電池的內(nèi)量子效率下降.

在相同的粒子輻照通量下,

非晶硅太陽電池的抗輻射能力

(效率10%,

AM0條件下)

遠(yuǎn)大于單晶硅太陽電池的50倍,

具有良好的穩(wěn)定性.

多結(jié)的非晶硅太陽電池比單結(jié)的具有更高的抗輻照能力.非晶硅薄膜太陽能電池

（3)耐高溫單晶硅材料的能帶寬度為1.1eV,砷化鎵的能帶寬度為1.35eV,而非晶硅材料的光學(xué)帶隙大于1.65eV,有相對(duì)較寬的帶隙,所以非晶硅材料比單晶硅和砷化鎵材料有更好的溫度特性.在同樣的工作溫度下,非晶硅太陽電池的飽和電流遠(yuǎn)小于單晶硅太陽電池和砷化鎵太陽電池,而短路電流的溫度系數(shù)卻高于晶體硅電池的1倍,這十分有利在較高溫下保持較高的開路電壓(Voc)和曲線因子(FF).在盛夏,太陽電池表面溫度達(dá)到60-70度是常有的,良好的溫度特性是十分重要的效率優(yōu)化主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜來替代非晶硅薄膜做窗口材料,

以改善電池的短波方向光譜響應(yīng);采用梯度界面層,

以改善異質(zhì)界面的輸運(yùn)特性;

采用微晶硅薄膜做n型層,

以減少電池的串聯(lián)電阻;

用絨面二氧化錫代替平面氧化銦錫;

采用多層背反射電極,

以減少光的反射和透射損失,

提高短路電流;

采用激光刻蝕技術(shù),

實(shí)現(xiàn)電池的集成化加工;

采用疊層的電池結(jié)構(gòu),

以擴(kuò)展電池的光譜響應(yīng)范圍,

提高光電轉(zhuǎn)換效率;

采用分室連續(xù)沉積技術(shù),

以消除反應(yīng)氣體的交叉污染,

提高電池的性能銅銦鎵硒薄膜太陽能電池簡(jiǎn)介銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一，被國際上稱為“下一時(shí)代非常有前途的新型薄膜太陽電池”。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀，是對(duì)外觀有較高要求場(chǎng)所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現(xiàn)代化高層建筑等領(lǐng)域有很大市場(chǎng)。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)圖銅銦鎵硒薄膜太陽能電池生產(chǎn)問題：本征缺陷、雜質(zhì)、錯(cuò)配等均可影響CIGS材料的性能由于CIGS吸收層優(yōu)異的光電特性，其短路電流一般可達(dá)30～40mA/cm2器件的短路現(xiàn)象(漏電)銅銦鎵硒薄膜太陽能電池解決方案：提高電池器件短路電流、開路電壓、包括填充因子等優(yōu)化Mo電極、低阻ZnO的制備工藝，包括各層之間的匹配控制CIGS吸收層化學(xué)成分比，制備晶粒大、排列緊密、表面平整的吸收層；優(yōu)化過渡層CdS、緩沖層高阻ZnO的制備工藝；避免雜質(zhì)、缺陷引起的復(fù)合銅銦鎵硒薄膜太陽能電池展望：最近幾年，原子層沉積技術(shù)(ALD)快速發(fā)展，它是一種類似CVD的化學(xué)沉積制備薄膜的方法。主要優(yōu)點(diǎn)是制備的薄膜更加致密，缺陷更少，對(duì)襯底表面沒有任何要求。如果用這種方法制備CIGS薄膜太陽能電池的緩沖層ZnS，不僅可以實(shí)現(xiàn)電池的無鎘化，避免廢水處理等不利因素，還可以實(shí)現(xiàn)電池制備工藝的流水化。整個(gè)工藝過程可以實(shí)現(xiàn)全真空化，提高電池轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)提高電池的生產(chǎn)效率。按照這一技術(shù)路線，電池組件的效率有希望達(dá)到15%到18%的水平。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，CIGS電池的性能將會(huì)快速提高，即將成為未來薄膜太陽能組件的主流產(chǎn)品。碲化鎘太陽能電池問題：鎘的毒性會(huì)對(duì)環(huán)境造成的危害組件和襯底材料成本太高,

占總成本的53%,

而半導(dǎo)體材料只占5.5%;

碲的天然儲(chǔ)量有限。工業(yè)化大面積組件生產(chǎn)要求工藝條件重復(fù)性高，薄膜性質(zhì)均勻性好，需要發(fā)展新的技術(shù)。碲化鎘太陽能電池為此，美國布魯克文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們專門研究了這個(gè)問題。他們系統(tǒng)研究了晶體硅太陽能電池、碲化鎘太陽能電池與煤、石油、天然氣等常規(guī)能源和核能的單位發(fā)電量的重金屬排放量。太陽能電池組件與其他能源的鎘排放量的比較圖碲化鎘太陽能電池他們還研究了硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池生產(chǎn)與使用中其他重金屬的排放。研究結(jié)果表明（見圖2），碲化鎘太陽能電池的砷、鉻、鉛、汞、鎳等其他重金屬的排放量也比硅太陽能電池的低。硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池的重金屬排放量的比較圖碲化鎘太陽能電池雖然實(shí)驗(yàn)表明碲化鎘薄膜太陽能電池組件的使用是安全的，但是建立壽命末期電池組件和損毀組件的回收機(jī)制可以增強(qiáng)公眾的信心。分離出的Cd、Te及其他有用材料，還可用于制造生產(chǎn)太陽能電池組件所需的相關(guān)材料，進(jìn)行循環(huán)生產(chǎn)。美國、歐洲的研究表明，技術(shù)上是可行的，回收材料的效益高于回收成本。事實(shí)上，美國FirstSolar公司的碲化鎘太陽能電池組件在銷售時(shí)就與用戶簽訂了由工廠支付回收費(fèi)用的回收合同。碲化鎘太陽能電池消耗材料的成本可以進(jìn)一步降低，如將碲化鎘薄膜的厚度減薄1微米，則碲化鎘材料的消耗將降低20%，材料總成本降低9.1%。因此，材料成本達(dá)到或低于每峰瓦5元人民幣是可能的?？紤]工資、管理、電力和設(shè)備折舊等其他成本，碲化鎘薄膜太陽能電池的成本大約是每峰瓦13.64元人民幣或更低。因此，即使銷售價(jià)格為每峰瓦20~22元人民幣，約為晶體硅太陽能電池現(xiàn)在價(jià)格的60%，也能保證制造商有相當(dāng)?shù)睦麧櫩臻g。1MW碲化鎘薄膜太陽能電池所消耗的材料的成本碲化鎘太陽能電池碲是地球上的稀有元素，發(fā)展碲化鎘薄膜太陽能電池面臨的首要問題就是地球上碲的儲(chǔ)藏量是否能滿足碲化鎘太陽能電池組件的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。工業(yè)上，碲主要是從電解銅或冶煉鋅的廢料中回收得到。據(jù)相關(guān)報(bào)道，地球上有碲14.9萬噸，其中中國有2.2萬噸，美國有2.5萬噸。在美國碲化鎘薄膜太陽能電池制造商FirstSolar年產(chǎn)量25MW的工廠中，300~340公斤碲化鎘即可以滿足1MW太陽能電池的生產(chǎn)需要?？紤]到碲的密度為6.25g/cm3，鎘的密度為8.64g/cm3，則130~140公斤碲即可以滿足1MW碲化鎘薄膜太陽能電池的生產(chǎn)需要。由以上數(shù)據(jù)可以知道，按現(xiàn)已探明儲(chǔ)量，地球上的碲資源可以供100個(gè)年生產(chǎn)能力為100MW的生產(chǎn)線用100年。碲化鎘太陽能電池碲化鎘太陽能電池激光刻劃技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成的刻劃技術(shù)有機(jī)械刻劃、激光刻劃兩種。機(jī)械刻劃的刻劃慢得多，保證刻槽的平直無渣工藝難度較大。激光刻劃能夠獲得較窄的刻槽，寬度最低可到100微米?？毯坌蚊矊?duì)串聯(lián)集成的電子學(xué)特性有極大影響。激光刻劃的刻槽邊緣有“脊?fàn)罘濉辈焕诤罄m(xù)沉積的背電極接觸層及金屬背電極與透明導(dǎo)電薄膜之間形成連續(xù)的具有良好歐姆特性的連接。碲化鎘太陽能電池表面腐蝕技術(shù)小面積電池化學(xué)腐蝕方法中，常用體積濃度為0.1%的溴甲醇溶液作為腐蝕液，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)16.5%。但是溴甲醇溶液在空氣中容易氧化，不適合工業(yè)化生產(chǎn)使用。大面積電池使用磷酸-硝酸混合溶液可以獲得較好的腐蝕效果。磷硝酸溶液沿晶界的擇優(yōu)腐蝕較為嚴(yán)重，容易在沉積背電極后形成局部的短路漏電通道。使用硝酸-冰乙酸溶液可以進(jìn)一步減輕晶體擇優(yōu)腐蝕程度，獲得更好的膜面腐蝕效果。不同溫度下使用硝酸-冰乙酸腐蝕后碲化鎘的XRD譜圖染料敏化太陽能電池簡(jiǎn)介：染料敏化太陽電池主要是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。染料敏化太陽能電池存在的問題：光電轉(zhuǎn)換效率低于平均水平（11%）大面積、具有實(shí)用化意義的光電轉(zhuǎn)化效率更低（5%）液態(tài)有機(jī)小分子化合物溶劑，會(huì)造成電極腐蝕、電解液泄露、壽命短等一系列問題。

染料敏化太陽能電池解決方案：高效電極(光陽極和對(duì)電極)的低溫制備和柔性化設(shè)計(jì)和開發(fā)廉價(jià)、穩(wěn)定的全光譜染料加強(qiáng)液體電解質(zhì)和高效固態(tài)電解質(zhì)的制備染料敏化太陽能電池全固態(tài)敏化太陽能電池主要由透明導(dǎo)電基片、致密二氧化鈦層、染料敏化的多相結(jié)和金屬電極組成。引入致密二氧化鈦層是為了防止導(dǎo)電基片與空穴傳輸材料直接接觸而造成短路。

全固態(tài)敏化太陽能電池的工作原理是，多相結(jié)中的染料的電子受到能量低于二氧化鈦禁帶寬度的光激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后注入到二氧化鈦的導(dǎo)帶內(nèi)，而染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)。注入到二氧化鈦中的電子富集于導(dǎo)電基