薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池

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薄膜太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件。薄膜太陽能電池可以使用在價格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm，目前轉換效率最高可以達13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大，可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份，應用非常廣泛。
歷史背景
隨著煤、石油、天然氣等能源日益枯竭和環境污染日益加劇,人們迫切需要尋找清潔可再生新能源。作為地球無限可再生的無污染能源———太陽能的應用日益引起人們的關注,將太陽能轉化為電能的太陽能電池的研制得到了迅速發展。目前以商品化的晶體硅太陽能電池的光電轉化效率最高,但受材料純度和制備工藝限制,成本高,很難再提高轉化效率或降低成本。薄膜太陽能電池只需幾μm的厚度就能實現光電轉換,是降低成本和提高光子循環的理想材料。
制造技術
薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前實驗室轉換效率最高已達20%以上，規模化量產穩定效率最高約13%。薄膜太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大，可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術，一層又一層地把p-型或n-型材料長上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。
模塊結構
薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層..等所構成的。
產品應用
半透明式的太陽能電池模塊：建筑整合式太陽能應用(BIPV)
薄膜太陽能之應用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行
薄膜太陽能模塊之應用：屋頂、建筑整合式、遠程電力供應、國防
厚度比較
晶體硅(180～250μm)、單結非晶硅薄膜(600nm)，疊層非晶硅薄膜（400nm~500nm）。
特色
1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發電性佳)
2.照度相同下損失的功率較晶圓太陽能電池少
3.有較佳的功率溫度系數
4.較佳的光傳輸
5.較高的累積發電量
6.只需少量的硅原料
7.沒有內部電路短路問題(聯機已經在串聯電池制造時內建)
8.厚度較晶圓太陽能電池薄
9.材料供應無慮
10.可與建材整合性運用(BIPV)
材料種類
砷化鎵
GaAs屬于III-V族化合物半導體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽光的值，與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉換性能仍很良好，其最高光電轉換效率約30%，特別適合做高溫聚光太陽電池。砷化鎵生產方式和傳統的硅晶圓生產方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術制造，這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學的MOCVD，一種是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯，反應壓力，III-V比率，總流量等諸多參數的影響。GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達29.5%(一般在19.5%左右)，產品耐高溫和輻射，但生產成本高，產量受限，現今主要作空間電源用。以硅片作襯底，MOCVD技術異質外延方法制造GaAs電池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化鎵系列太陽電池有單晶砷化鎵，多晶砷化鎵，鎵鋁砷--砷化鎵異質結，金屬-半導體砷化鎵，金屬--絕緣體--半導體砷化鎵太陽電池等。
砷化鎵材料的制備類似硅半導體材料的制備，有晶體生長法，直接拉制法，氣相生長法，液相外延法等。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽電池的發展受到影響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等電池材料也得到了開發。
1998年德國費萊堡太陽能系統研究所制得的GaAs太陽能電池轉換效率為24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結構制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是GaSb，所得到的電池效率達到31.1%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
銅銦硒
銅銦硒CuInSe2簡稱CIC.CIS材料的能降為1.1 eV，適于太陽光的光電轉換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。
CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發源蒸鍍銅，銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉換效率發展到現今的15%左右。日本松下電氣工業公司開發的摻鎵的CIS電池，其光電轉換效率為15.3%(面積25 px2)。1995年美國可再生能源研究室研制出轉換效率17.1%的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉換效率。預計到2000年CIS電池的轉換效率將達到20%，相當于多晶硅太陽能電池。CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉，性能良好和工藝簡單等優點。
碲化鎘
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率(28%)，性能很穩定，一直被光伏界看重，是技術上發展較快的一種薄膜電池。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良，制成的太陽電池的填充因子高達FF =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術已經開發出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網印刷、濺射、真空蒸發等。絲網印刷燒結法：由含CdTe、CdS漿料進行絲網印刷CdTe、CdS膜，然后在600～700℃可控氣氛下進行熱處理1h得大晶粒薄膜。近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500～600℃，沉積速率10μm/min.真空蒸發法：將CdTe從約700℃加熱鉗堝中升華，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1 nm/s. 以CdTe吸收層，CdS作窗口層半導體異質結電池的典型結構：減反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實驗室效率不斷攀升，現今突16%。20世紀90年代初，CdTe電池已實現了規模化生產，但市場發展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。商業化電池效率平均為8%-10%。
人們認為，CdTe薄膜太陽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構及各層材料工藝進行優化，適當減薄窗口層CdS的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波響應以提高短路電流密度，較高轉換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創了最高紀錄。要降低成本，就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下，以適于廉價的玻璃作襯底;實驗室成果走向產業，必須經過組件以及生產模式的設計、研究和優化過程。至今，不僅有許多國家的研究小組已經能夠在低襯底溫度下制造出轉換效率12%以上的CdTe太陽電池，而且在大面積組件方面取得了可喜的進展，許多公司正在進行CdTe薄膜太陽電池的中試和生產廠的建設，有的已經投產。

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