薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池一、本文概述本文聚焦于薄膜太陽能電池這一新能源技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)性地探討了薄膜太陽能電池的基本原理、核心技術(shù)及其在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用。文章闡述了薄膜太陽能電池的構(gòu)造原理，即利用特定材料制成的超薄吸收層捕獲太陽光并轉(zhuǎn)化為電能的過程，強調(diào)其在降低材料消耗、提升光電轉(zhuǎn)換效率方面的技術(shù)優(yōu)勢。介紹了薄膜太陽能電池的主要分類，包括硅基薄膜、CdTe薄膜、CIGS薄膜、染料敏化薄膜電池等多種類型，對比分析各自的特點、制備工藝及實際應(yīng)用中的優(yōu)缺點。本文還探究了近年來薄膜太陽能電池技術(shù)的重要進展，如新型材料的研發(fā)、微納結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及規(guī)?；a(chǎn)工藝的改進，旨在展現(xiàn)薄膜太陽能電池技術(shù)的廣闊前景及其在應(yīng)對全球能源需求增長與環(huán)境保護挑戰(zhàn)中的戰(zhàn)略地位。結(jié)合市場趨勢和未來發(fā)展前景，對薄膜太陽能電池項目的經(jīng)濟性和環(huán)境效益進行了初步評估，并展望了薄膜電池技術(shù)在分布式發(fā)電、建筑一體化及移動能源解決方案等方面的應(yīng)用潛力。通過全面剖析薄膜太陽能電池領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和發(fā)展動態(tài)，本文旨在為讀者勾勒出一幅薄膜太陽能電池科技革新的全景圖。二、薄膜太陽能電池基礎(chǔ)知識薄膜太陽能電池是一種利用太陽能進行光電轉(zhuǎn)換的裝置，其核心部分是由一層或多層薄膜材料構(gòu)成的光吸收層。在“薄膜太陽能電池基礎(chǔ)知識”這一段落中，我們將詳細介紹薄膜太陽能電池的工作原理、主要類型以及它們的特點和應(yīng)用。薄膜太陽能電池的工作原理基于光生伏打效應(yīng)，即當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，會激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，從而形成電流。薄膜太陽能電池通過在導(dǎo)電基底上沉積一層或多層半導(dǎo)體薄膜材料，形成PN結(jié)，當(dāng)光照到這層薄膜上時，就會產(chǎn)生電流。薄膜太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，可以分為幾種主要類型，包括硅基薄膜太陽能電池、CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽能電池、CdTe（鎘碲）薄膜太陽能電池和染料敏化太陽能電池等。硅基薄膜太陽能電池使用非晶硅、微晶硅或多晶硅作為光吸收層，具有較好的穩(wěn)定性和成熟的制造工藝。CIGS和CdTe薄膜太陽能電池則屬于多元化合物半導(dǎo)體材料，它們具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和較低的材料成本，但穩(wěn)定性相對較差。染料敏化太陽能電池則利用有機染料作為光敏化劑，具有制造成本低、工藝簡單的特點，但其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性還有待提高。薄膜太陽能電池的特點包括輕質(zhì)、柔性和易于制造。它們可以被制成不同形狀和大小，以適應(yīng)各種應(yīng)用場景。薄膜太陽能電池還可以與其他建筑材料結(jié)合，形成建筑一體化的光伏系統(tǒng)，這不僅可以提供能源，還可以作為建筑的一部分，具有裝飾和保護作用。在應(yīng)用方面，薄膜太陽能電池廣泛應(yīng)用于住宅、商業(yè)建筑、交通工具、便攜式電子設(shè)備以及偏遠地區(qū)和太空領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，薄膜太陽能電池在未來的可再生能源領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。三、薄膜太陽能電池技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)薄膜太陽能電池作為一種重要的光伏技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展方面展現(xiàn)出獨特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，同時也面臨著一系列挑戰(zhàn)。材料利用率與成本效益：薄膜太陽能電池相較于傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池，所需原材料用量顯著減少。其薄膜結(jié)構(gòu)僅需幾微米到幾十微米厚即可實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，從而大大降低了對稀有材料的需求，提高了材料利用率。同時，由于簡化了生產(chǎn)工藝流程和降低了原料成本，整體生產(chǎn)成本也有所下降，增強了市場競爭力。靈活性與集成性：薄膜太陽能電池具備優(yōu)良的柔韌性和輕量化特性，可以制備成柔性的、可彎曲的產(chǎn)品，適用于各種曲面或不規(guī)則表面，比如建筑物一體化(BIPV)、汽車頂篷、帳篷以及便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域，實現(xiàn)了與建筑設(shè)計的完美融合。弱光性能與溫度穩(wěn)定性：薄膜太陽能電池在低照度條件下依然保持較好的發(fā)電性能，尤其在早晚或陰雨天氣時的表現(xiàn)優(yōu)于部分晶體硅電池。其功率溫度系數(shù)較小，意味著在較高工作溫度下，電池效率下降的程度相對較低。多樣化的材料體系：硅基、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）等多種薄膜電池技術(shù)路線并存，各自具有不同的光電性能和適用場景，為市場提供了多元化選擇。轉(zhuǎn)換效率瓶頸：盡管近年來薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了顯著提升，但與高端晶體硅電池相比仍存在一定差距。突破轉(zhuǎn)換效率上限，進一步提升能量產(chǎn)出，是薄膜電池技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。穩(wěn)定性與壽命問題：薄膜電池在長期運行中的穩(wěn)定性及耐久性有待改善。尤其是在環(huán)境應(yīng)力作用下，包括光照、濕度、溫度變化等可能導(dǎo)致薄膜電池的性能衰減加快，縮短使用壽命。環(huán)保與安全考量：某些薄膜電池材料可能存在一定的環(huán)保和安全性隱患，例如碲化鎘材料雖有高效轉(zhuǎn)換能力，但鎘元素有毒性，處理不當(dāng)可能帶來環(huán)境污染風(fēng)險。開發(fā)無害化或低毒性的新型材料替代方案是未來研究的重要方向。規(guī)?；a(chǎn)與回收利用難題：薄膜電池的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)仍有待完善，尤其是如何確保批量生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的均勻性和一致性，以及建立有效的廢舊電池回收機制，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，都是薄膜太陽能電池行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展必須解決的問題。四、薄膜太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進展薄膜太陽能電池作為新能源領(lǐng)域的重要研究分支，在提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本、增強穩(wěn)定性和拓寬應(yīng)用場景等方面不斷取得突破性進展。近年來，各類型薄膜太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)亮點紛呈：硅基薄膜電池的研發(fā)重點在于減薄硅材料的使用量，并優(yōu)化微晶硅沉積工藝，通過多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計提升效率?？蒲腥藛T致力于改進氫化非晶硅(aSiH)及微晶硅(cSi)薄膜的質(zhì)量，減少光致衰退效應(yīng)，同時探索新型透明導(dǎo)電薄膜(TCO)材料替代傳統(tǒng)的氧化銦錫(ITO)，以降低成本并提高透光率。CIGS薄膜太陽能電池：銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池因其高轉(zhuǎn)換效率潛力受到廣泛關(guān)注。研究人員在CIGS薄膜的制備工藝上取得了顯著進步，包括共蒸發(fā)法、濺射法、溶液法等多種沉積技術(shù)的改良，以及在元素摻雜、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控和緩沖層優(yōu)化等方面的深入研究，進一步提高了器件性能和穩(wěn)定性。CdTe薄膜太陽能電池：碲化鎘(CdTe)電池的關(guān)鍵技術(shù)集中在CdTe薄膜的晶體生長控制、界面鈍化技術(shù)和環(huán)保友好替代方案。最新的研究致力于解決薄膜均勻性問題，減少缺陷密度，同時研發(fā)出無鎘或低鎘的替代材料體系，以符合可持續(xù)發(fā)展的要求。新型薄膜材料如硒化銻(Sb2Se3)等也展現(xiàn)了良好的光電性能，科研團隊積極探索這類材料的合成方法和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，以期實現(xiàn)高效且環(huán)境友好的薄膜太陽能電池。諸如有機無機雜化鈣鈦礦薄膜電池和二維材料等新型光伏體系的研發(fā)也在快速推進，它們在理論效率、低成本制造和柔性應(yīng)用等方面展示出了巨大潛力。疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計被廣泛應(yīng)用于薄膜太陽能電池的研發(fā)中，旨在通過多個具有不同帶隙的子電池層疊加，使得更寬范圍的太陽光譜得以有效吸收和轉(zhuǎn)換。目前，科研工作主要聚焦于開發(fā)高效穩(wěn)定的頂層和底層電池材料，優(yōu)化中間連接層性能，以及完善大面積、高精度的堆疊工藝。薄膜太陽能電池領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)正在以前所未有的速度創(chuàng)新與發(fā)展，全球科研機構(gòu)與企業(yè)正攜手合作，共同五、薄膜太陽能電池市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣鲩L，薄膜太陽能電池作為一種高效、經(jīng)濟的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，正逐漸成為太陽能產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。本節(jié)將分析薄膜太陽能電池的市場現(xiàn)狀，并探討其未來發(fā)展趨勢。目前，薄膜太陽能電池市場正經(jīng)歷快速增長。這一增長主要受到以下幾個因素的推動：（1）成本降低：隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步和規(guī)?；a(chǎn)，薄膜太陽能電池的制造成本持續(xù)下降。這使得薄膜太陽能電池在價格上具有競爭力，尤其是在大型太陽能發(fā)電項目中。（2）應(yīng)用領(lǐng)域拓展：薄膜太陽能電池因其輕薄、柔性的特點，在建筑一體化、便攜式電子設(shè)備、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。（3）政策支持：許多國家政府為促進可再生能源的發(fā)展，實施了包括稅收優(yōu)惠、補貼等政策，這些政策有利于薄膜太陽能電池市場的擴張。（1）技術(shù)進步：隨著新材料和技術(shù)的研發(fā)，薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率有望進一步提高。例如，鈣鈦礦型薄膜太陽能電池在實驗室中已實現(xiàn)高效率，未來有望實現(xiàn)商業(yè)化。（2）市場多元化：薄膜太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)擴大，不僅在傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電領(lǐng)域，還可能在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域得到應(yīng)用。（3）國際合作與競爭：隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，薄膜太陽能電池市場將吸引更多的國際參與者。這既帶來了合作機會，也加劇了市場競爭。（4）環(huán)境可持續(xù)性：隨著環(huán)境保護意識的提高，薄膜太陽能電池的環(huán)境友好性將越來越受到重視。這將推動相關(guān)企業(yè)加大研發(fā)投入，開發(fā)更加環(huán)保的生產(chǎn)工藝和材料。薄膜太陽能電池市場正迎來快速發(fā)展的黃金時期。通過技術(shù)創(chuàng)新、市場拓展和政策支持，薄膜太陽能電池有望在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用。這一市場也面臨著技術(shù)、市場和環(huán)境的挑戰(zhàn)，需要各方共同努力，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。六、結(jié)論本研究對薄膜太陽能電池的最新進展進行了全面探討，揭示了其在能源轉(zhuǎn)換效率提升、材料創(chuàng)新、制造工藝優(yōu)化以及環(huán)境友好性等方面的顯著優(yōu)勢。薄膜太陽能電池由于其輕薄、柔韌及成本效益高等特點，在光伏產(chǎn)業(yè)中展示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用價值。相比于傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池，薄膜技術(shù)通過諸如CIGS、CdTe、有機及鈣鈦礦等多元化的材料體系實現(xiàn)了更低的成本和更廣泛的適應(yīng)性。實驗證據(jù)表明，盡管薄膜太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面仍有追趕空間，但近年來一系列技術(shù)創(chuàng)新已使得某些類型的薄膜電池效率接近甚至達到市場領(lǐng)先水平。我們注意到，隨著可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的深入人心，無毒化與資源循環(huán)利用在薄膜電池研發(fā)中的地位愈發(fā)重要?？偨Y(jié)起來，薄膜太陽能電池不僅作為解決全球能源問題的一種有競爭力的可再生能源解決方案，而且在未來能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過程中扮演著不可或缺的角色。要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用并進一步提高其市場份額，尚需科研人員在提高效率穩(wěn)定性、延長器件壽命、降低成本等方面持續(xù)攻關(guān)。展望未來，薄膜太陽能電池領(lǐng)域的突破性研究和技術(shù)整合有望引領(lǐng)新一輪的綠色能源革命，促進清潔能源在全球范圍內(nèi)的普及和利用。參考資料：太陽能電池以薄膜太陽能電池為主，當(dāng)太陽能照到半導(dǎo)體的PN結(jié)上，形成電子空穴對，在PN結(jié)電場作用下，電子有P區(qū)流向N區(qū)域，空穴從N極流向P區(qū)域，分別形成在N區(qū)過剩的電子和P區(qū)過剩的空穴的積累，建立一P區(qū)為正N區(qū)為負的光生電動勢（光生電壓），接入負載后形成光生電流，這就是太陽能電池的工作原理。CIGS組成可表示成Cu(In（1－x）,Ga（x）)Se2的形式，具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，是CulnSer和CuGaSer的混晶半導(dǎo)體。CIGS是由IV族化合物衍生而來，其中I族化合物由I族(Cu)與m族(In)取代而形成三元化合物,Cu、In原子規(guī)則地填人原來衛(wèi)族原子位置。這種電池的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)CIS是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料,其能隙為04eV(77K),對溫度的變化不敏感。光吸收系數(shù)高達105cm-1,是已知的半導(dǎo)體材料中光吸收系數(shù)最高的,對于太陽能電池基區(qū)光子的吸收、少數(shù)載流子的收集(即對光電流的收集)是非常有利的條件。這就是CdS/CuInSez太陽能電池(39mA/cm2)具有這樣高的短路電流密度的原因。電池吸收層的厚度可以降低到2~3μm,這樣可以大大降低原材料的消耗。(2)摻人適量Ga取代In制成CIGS四元固溶半導(dǎo)體,可以通過調(diào)整Ga的含量使半導(dǎo)體的禁帶寬度在04~70eV變化,非常適合于調(diào)整和優(yōu)化禁帶寬度。如在膜厚方面調(diào)整Ga的含量,形成梯度帶隙半導(dǎo)體,會產(chǎn)生背表面場效應(yīng)，可獲得更多的電流輸出。據(jù)日本科學(xué)家小長井誠的預(yù)測,這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率將超過50%。能進行這種帶隙裁剪是CIGS系電池相對于Si系和CdTe系電池的最大的優(yōu)勢。(3)轉(zhuǎn)換效率高。1996年，美國NERL制出了轉(zhuǎn)換效率達7%的光電轉(zhuǎn)化效率達到了國可再生能源實驗室,用三步共蒸法制備的CIGS薄膜太陽能電池，18%的CIGS電池。德國在9%。日本的青山學(xué)院大學(xué)、松下電器也制成了轉(zhuǎn)換效率超過18%CIGS電池。德國在CIGS的研究方面也幾乎處于同一水平。而且在德國和日本已經(jīng)進行了一定規(guī)模的民用的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。電池模塊的轉(zhuǎn)換效率達13%~14%。這比除了單晶硅以外的其他太陽能電池模塊的轉(zhuǎn)換效率都高(4)CIGS的Na效應(yīng)。對于Si系半導(dǎo)體,Na等堿金屬元素是避之唯恐不及的半導(dǎo)體殺手，而在CIGS系中，微量的Na摻雜可以優(yōu)化CIGS電池的電學(xué)性能,尤其能提高P型CIGS的傳導(dǎo)率,也會提高轉(zhuǎn)換效率和成品率,因此使用鈉鈣玻璃作為CIGS的基板,除了成本低、膨脹系數(shù)相近以外,還有Na摻雜的考慮。(5)CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的高品質(zhì)結(jié)晶。而這種晶粒尺寸是其他的多晶薄膜無法達到的。(6)電池的穩(wěn)定性好。CIS具有非常優(yōu)良的抗干擾、抗輻射能力，沒有光致衰退效應(yīng)(SWE),該類太陽能電池的工作壽命長。有實驗結(jié)果說明比壽命長的單晶硅電池的壽命(一般為40年)還長。(7)制造成本較低。價格低廉，電池制造成本和能量償還時間(電池發(fā)電量等于制造該電池的能耗所需時間)均低于晶體硅太陽能電池。材料的電化學(xué)性質(zhì)（電阻率、導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率）主要取決于材料的元素組分比，以及偏離化學(xué)計量比而引起的固有缺陷（如空位、填陷原子、替位原子），此外還和非本征摻雜和晶界有關(guān)。CIGS薄膜的禁帶寬度為04ev，當(dāng)摻入適當(dāng)?shù)腉a以替代部分In成為CuInSe2和CuGaSe2的固溶晶體簡稱CIGS，薄膜的禁帶寬度可在04-7范圍內(nèi)調(diào)整。而理想多晶體薄膜太陽能的吸收層理想的禁帶寬度為5，可見調(diào)整Ga和In的比例，我們可以獲得理想禁帶寬的吸收層。CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO--般采用磁控濺射的方法，工藝路線比較成熟。最關(guān)鍵的吸收層的制備有許多不同的方法，包括:蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電化學(xué)沉積法、噴涂熱解法和絲網(wǎng)印刷法等。研究最廣泛、制備出電池效率比較高的是共蒸發(fā)和濺射后硒化法,被產(chǎn)業(yè)界廣泛采用。后幾種屬于非真空方法，實際利用還有很多技術(shù)問題要克服。CIGS薄膜太陽能電池的主要制作工藝有：反應(yīng)濺射、混和濺射、共蒸發(fā)、濺射硒化、全濺射、電沉積、絲網(wǎng)印刷等。隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L，薄膜太陽能電池已成為綠色能源領(lǐng)域中的一顆新星。薄膜太陽能電池以其高效、靈活和可持續(xù)的特性，正逐漸改變我們看待和使用能源的方式。薄膜太陽能電池，如其名，是一種將陽光轉(zhuǎn)化為電能的薄層太陽能電池。其工作原理主要依賴于光生伏特效應(yīng)，即當(dāng)陽光照射在半導(dǎo)體材料上時，光能將激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電流。薄膜太陽能電池通常由薄層的光電材料構(gòu)成，如硅、銅和銦等，這些材料在陽光照射下能產(chǎn)生電流。成本低：相對于傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池，薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本更低，因為其制造過程中使用的材料較少，工藝也更為簡單。靈活性：薄膜太陽能電池可以制成任意形狀和大小，這使得其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，例如在建筑、汽車和航空航天等領(lǐng)域。高效性：最新的薄膜太陽能電池已經(jīng)達到了22%的光電轉(zhuǎn)換效率，這使得它們在可再生能源領(lǐng)域具有很高的競爭力。長壽命：高質(zhì)量的薄膜太陽能電池具有很長的使用壽命，這使得它們的投資回報率非常高。建筑領(lǐng)域：薄膜太陽能電池可以集成到建筑物的外墻或屋頂中，為建筑物提供部分電力。這種“光伏建筑一體化”的方式已經(jīng)成為當(dāng)前建筑行業(yè)的一個趨勢。移動能源：汽車、飛機等移動設(shè)備也可以使用薄膜太陽能電池作為能源來源。例如，一些現(xiàn)代汽車已經(jīng)裝備了薄膜太陽能電池板，這些電池板可以吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，為車輛的電器系統(tǒng)供電。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，薄膜太陽能電池可以為農(nóng)田的灌溉系統(tǒng)提供電力，實現(xiàn)節(jié)水灌溉。還可以為農(nóng)業(yè)設(shè)施如溫室、大棚等提供電力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。邊遠地區(qū)供電：在電力基礎(chǔ)設(shè)施不完善的邊遠地區(qū)，薄膜太陽能電池可以作為一種可靠的電力來源，為居民、學(xué)校和醫(yī)療機構(gòu)等提供電力。環(huán)保領(lǐng)域：薄膜太陽能電池的使用有助于減少碳排放和空氣污染，對環(huán)保領(lǐng)域有著積極的影響。它還可以用于水電站的水力發(fā)電系統(tǒng)中，以實現(xiàn)水力發(fā)電的清潔化。太空探索：在太空探索中，由于缺乏穩(wěn)定的能源來源，薄膜太陽能電池成為了一種理想的選擇。例如，在火星等行星表面工作的探測器就需要使用薄膜太陽能電池來提供電力。隨著科技的進步和環(huán)保意識的增強，薄膜太陽能電池在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用前景十分廣闊。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要克服一些技術(shù)難題，如提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本、優(yōu)化設(shè)計和制造工藝等。政府和企業(yè)也需要制定更多的政策和計劃來鼓勵和支持薄膜太陽能電池的發(fā)展和應(yīng)用。薄膜太陽能電池是一種極具潛力的可再生能源技術(shù)。在全球范圍內(nèi)推廣和應(yīng)用這種綠色能源技術(shù)將有助于推動可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境。讓我們共同期待這個領(lǐng)域未來的更多創(chuàng)新和突破！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CdS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/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3%。其商用模塊的轉(zhuǎn)換效率也達到了10%左右。我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀80年代初。內(nèi)蒙古大學(xué)采用蒸發(fā)技術(shù)、北京太陽能研究所采用電沉積技術(shù)（ED）研究和制備碲化鎘薄膜太陽能電池，后者研制的電池轉(zhuǎn)換效率達到了8%。80年代中期至90年代中期，研究工作處于停頓狀態(tài)。90年代后期，四川大學(xué)太陽能材料與器件研究所，在馮良桓教授的帶領(lǐng)下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究，在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池的研制”，教授采用近空間升華技術(shù)研究碲化鎘薄膜太陽能電池，并取得很好的成績。最近電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破38%，進入了世界先進行列?！笆濉逼陂g，CdTe電池研究被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”重點項目。經(jīng)過多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力，我國正處于實驗室基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展階段，CdTe電池的研究，從原來的只有內(nèi)蒙古大學(xué)、四川大學(xué)、新疆大學(xué)等幾家科研院所進行，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產(chǎn)業(yè)化（為期兩年，將建設(shè)擁有年產(chǎn)碲化鎘50噸的生產(chǎn)線、硫化鎘10噸生產(chǎn)線），使我國在CdTe電池產(chǎn)業(yè)化將得到長足發(fā)展，從而使我國碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)快速步入世界先進行列。CdTe的禁帶寬度一般為47eV，CdTe的光譜響應(yīng)和太陽光譜非常匹配。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1μm厚的吸收層內(nèi)被吸收。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: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。為了降低CdTe和金屬電極的接觸勢壘，引出電流，使金屬電極與CdTe形成歐姆接觸?？梢杂啥喾N方法制備，如化學(xué)水浴沉積(CBD)、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。碲化鎘薄膜太陽能電池是薄膜太陽電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學(xué)于1993年用升華法在1cm2面積上做出轉(zhuǎn)換效率為8%的太陽電池；隨后，日本MatsushitaBattery研究的CdTe小面積電池在實驗室里的最高轉(zhuǎn)換效率為16%，成為當(dāng)時碲化鎘薄膜太陽能電池的最高紀錄。近年來,太陽電池的研究方向是高轉(zhuǎn)換效率、低成本和高穩(wěn)定性。因此,以碲化鎘薄膜太陽能電池為代表的薄膜太陽電池倍受關(guān)注，許多組織和公司都開始了研究和測試。西門子開發(fā)的面積為3600cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達到1%的水平；美國國家可再生能源實驗室公布了SolarCells公司的面積為6879cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池的測試結(jié)果，其轉(zhuǎn)換效率達到7%；BpSolar的碲化鎘薄膜太陽能電池面積為4540cm2，轉(zhuǎn)換效率為4%，面積為706cm2，轉(zhuǎn)換效率達到1%；GoldanPhoton的碲化鎘薄膜太陽能電池，面積為3528cm2，轉(zhuǎn)換效率為7%。詳細情況見下表:人們認為，碲化鎘薄膜太陽能電池是太陽能電池中最容易制造的,因而它向商品化進展最快。提高效率就是要對電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進行優(yōu)化，適當(dāng)減薄窗口層CdS的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波響應(yīng)以提高短路電流密度，較高轉(zhuǎn)換效率的碲化鎘薄膜太陽能電池就采用了較薄的CdS窗口層。要降低成本，就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下，以適于使用廉價的玻璃作襯底；實驗室成果想要走向產(chǎn)業(yè)，必須經(jīng)過組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計、研究和優(yōu)化過程。近年來，已經(jīng)有許多國家的研究小組已經(jīng)能夠制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的碲化鎘薄膜太陽能電池。在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國際上許多國家的CdTe電池已由實驗室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國的碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)量只有2MW，而在2010年，美國第一光伏的年CoTe生產(chǎn)量達到了2GW，商業(yè)模塊平均效率為7%，而生產(chǎn)成本卻低至75美元/瓦，并且宣布在今后的幾年內(nèi)會更低。我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀80年代初。內(nèi)蒙古大學(xué)采用蒸發(fā)技術(shù)、北京太陽能研究所采用電沉積技術(shù)（ED）研究和制備碲化鎘薄膜太陽能電池，后者研制的電池轉(zhuǎn)換效率達到了8%。90年代后期，四川大學(xué)太陽能材料與器件研究所，在馮良桓教授的帶領(lǐng)下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究，在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池的研制”，教授采用近空間升華技術(shù)研究碲化鎘薄膜太陽能電池，并取得很好的成績。最近電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破38%，進入了世界先進行列?！笆濉逼陂g，CdTe電池研究被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”重點項目。經(jīng)過多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力，我國正處于實驗室基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展階段，CdTe電池的研究，從原來的只有內(nèi)蒙古大學(xué)、四川大學(xué)、新疆大學(xué)等幾家科研院所進行，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產(chǎn)業(yè)化（為期兩年，將建設(shè)擁有年產(chǎn)碲化鎘50噸的生產(chǎn)線、硫化鎘10噸生產(chǎn)線），使我國在CdTe電池產(chǎn)業(yè)化將得到長足發(fā)展，從而使我國碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)快速步入世界先進行列。碲化鎘薄膜太陽能電池在生產(chǎn)成本大大低于晶體硅和其他材料的太陽能電池技術(shù)，其次它和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光。標(biāo)準(zhǔn)工藝，低能耗，生命周期結(jié)束后，可回收，強弱光均可發(fā)電，溫度越高表現(xiàn)越好。擁有這么多優(yōu)勢的碲化鎘薄膜太陽能電池在全球市場占有率上已經(jīng)開始向傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池發(fā)起了挑戰(zhàn)，碲化鎘薄膜太陽能電池的企業(yè)美國FirstSolar公司一度成為全球市值最高的太陽能電池企業(yè)。碲化鎘太陽能電池自身也仍是有一些缺點。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。過去碲是以銅，鉛，鋅等礦山的伴生礦副產(chǎn)品形式，也就是礦渣，以及冶煉廠的陽極泥等廢料的形式存在。雖然據(jù)相關(guān)報道，地球上已知有碲十?dāng)?shù)萬噸，且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，但是跟硅的儲量根本無法相提并論。由于碲化鎘薄膜太陽能電池含有重金屬元素鎘，使很多人擔(dān)心碲化鎘太陽能電池的生產(chǎn)和使用對環(huán)境的影響。多年來，一些公司和專家不愿步入碲化鎘太陽能電池的開發(fā)和生產(chǎn)就是因為這個原因。為此，美國布魯克文國家實驗室的科學(xué)家們專門研究了這個問題。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。在太陽能電池的分析中，考慮了將原始礦石加工得到制備太陽能電池所需材料、太陽能電池制備、太陽能電池的使用等全壽命周期過程。研究結(jié)果表明，石油的鎘排放量是最高的，達到3g/GWh，煤炭次之，為7g/GWh。而太陽能電池的排放量均小于1g/GWh，其中又以碲化鎘的鎘排放量最低，為3g/GWh。與天然氣相同，硅太陽能電池的鎘排放量大約是碲化鎘太陽能電池的兩倍。他們還研究了硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池的生產(chǎn)與使用中其他重金屬的排放。研究結(jié)果表明，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。該研究報告結(jié)論基于對美國FirstSolar公司碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)線、碲化鎘太陽能電池組件使用現(xiàn)場的系統(tǒng)考察，和對其他太陽能電池、能源的實際生產(chǎn)企業(yè)的工藝、相關(guān)產(chǎn)品的使用環(huán)境研究分析得出。研究結(jié)果的科學(xué)性、公正性得到國內(nèi)外的認可。研究者在2006年歐洲材料年會硫系半導(dǎo)體光伏材料分會作的報告引起了與會人員的強烈關(guān)注。美國的研究人員還針對碲化鎘薄膜太陽能電池組件使用過程中，遇到火災(zāi)等意外事故造成組件損毀時鎘的污染進行了研究。他們將雙玻璃封裝的碲化鎘薄膜太陽能電池組件在模擬建筑物發(fā)生火災(zāi)的情況下進行試驗，實驗溫度高達1100℃。結(jié)果表明，高溫下玻璃變軟以至于熔化，化合物半導(dǎo)體薄膜被包封在軟化了的玻璃中，鎘流失量不到電池所含鎘總量的04%?？紤]到發(fā)生火災(zāi)的幾率，得出使用過程中，鎘的排放量不到06mg/GWh。雖然實驗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制可以增強公眾的信心。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。事實上，美國FirstSolar公司的碲化鎘太陽能電池組件在銷售時就與用戶簽訂了由工廠支付回收費用的回收合同。目前，碲化鎘薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本正在逐步接近、甚至低于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的，這種廉價的清潔能源在全世界范圍內(nèi)引起了關(guān)注，各國均在大力研究解決制約碲化鎘薄膜太陽能電池發(fā)展的因素，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的主導(dǎo)新能源之一。太陽薄膜電池有質(zhì)量小、厚度極薄、可彎曲等優(yōu)點。當(dāng)前工業(yè)化制作太陽能薄膜電池的材料主要有：碲化鎘、銅銦鎵硒、非晶體硅、砷化鎵等。薄膜太陽電池的主要優(yōu)點有：質(zhì)量小、厚度極?。◣讉€微米）、可彎曲、制造工藝簡單等。傳統(tǒng)晶體硅太陽電池由于由硅組成,電池主要部分易碎,易產(chǎn)生隱形裂紋,大多有一層鋼化玻璃作為防護,造成重量大,攜帶不便,抗震能力差,造價高,效率或多或少降低。薄膜太陽電池克服了上述缺點,前些年由于技術(shù)落后，薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率并沒有傳統(tǒng)晶體硅電池轉(zhuǎn)化效率高。薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)化效率之提升是太陽能科技界正在不斷研究的主方向。截止2015年年中，實驗室中碲化鎘薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率已達5%。FirstSolar公司是全球最大的碲化鎘太陽能電池組件生廠商，其計劃在2015年內(nèi)實現(xiàn)相關(guān)組件的效率達到16%。目前，銅銦鎵硒薄膜太陽電池的效率也超過21%，相關(guān)組件的效率也將達到15%。當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的薄膜太陽電池主要有:碲化鎘薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池、非晶體硅薄膜太陽電池。易潮解：薄膜材料的生長機制決定薄膜太陽電池易潮解，故封裝時要求封裝薄膜太陽電池的含氟材料阻水性需比晶體硅電池的材料強9倍左右。非晶硅(a-Si)太陽電池是在玻璃(glass)襯底上沉積透明導(dǎo)電膜(TCO)，然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、i型、n型三層a-Si，接著再蒸鍍金