薄膜太陽能電池材料種類

薄膜太陽能電池材料種類

砷化鎵GaAs太陽能電池
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CIS硒太陽能電池
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薄膜太陽能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太陽能電池
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。
國外研究
在廣泛深入的應用研究基礎上，國際上許多國家的CdTe薄膜太陽電池已由實驗室研究階段開始走向規模工業化生產。1998年美國的CdTe電池產量就為0.2MW，日本的CdTe電池產量為2.0MW。德國公司將在Rudisleben建成一家年產10MW的CdTe薄膜太陽電池組件生產廠，預計其生產成本將會低于$1.4/W。該組件不但性能優良，而且生產工藝先進，使得該光伏組件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓寬了應用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進一步降低。
CdTe薄膜太陽電池是薄膜太陽電池中發展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學于1993年用升華法在25px2面積上做出效率為15.8 %的太陽電池，隨后，日本報道了CdTe基電池以CdTe作吸收層，CdS作窗口層的n-CdS/ p-CdTe半導體異質結電池，其典型結構為MgF2/玻璃/ SnO2:F/ n-CdS/ p-CdTe/背電極，小面積電池最高轉換效率16%，成為當時CdTe薄膜太陽能電池的最高紀錄，如今，太陽電池的研究方向是高轉換效率，低成本和高穩定性。因此，以CdTe為代表的薄膜太陽電池倍受關注，面積為90000px2電池轉換效率達到11.1%的水平。美國國家可再生能源實驗室提供了Solar Cells lnc的面積為171975px2CdTe薄膜太陽電池的測試結果，轉換效率達到7.7%;Bp Solar的CdTe薄膜太陽電池，面積為113500px2，效率為8.4%，面積為17650px2的太陽電池，轉換效率達到10.1%;Goldan Photon的CdTe太陽電池，面積為88200px2，轉換效率為7.7%。
碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低，現今，已獲得的最高效率為16%，是應用前景最好的新型太陽電池，它已經成為美、德、日、意等國研究開發的主要對象。
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。已由實驗室研究階段走向規模化工業生產。下一步的研發重點，是進一步降低成本、提高效率并改進與完善生產工藝。CdTe太陽能電池在具備許多有利于競爭的因素下，但在2002年其全球市占率僅0.42﹪，現今CdTe電池商業化產品效率已超過10﹪，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點：一、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的53﹪，其中半導體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運藏量有限，其總量勢必無法應付大量而全盤的倚賴此種光電池發電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。
CdTe太陽能電池作為大規模生產與應用的光伏器件，最值得關注的是環境污染問題。有毒元素Cd對環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境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件，技術上很簡單。而Cd是重金屬，有劇毒，Cd的化合物與Cd一樣有毒。其主要影響，一是含有Cd的塵埃通過呼吸道對人類和其他動物造成的危害;二是生產廢水廢物排放所造成的污染。因此，對破損的玻璃片上的Cd和Te應去除并回收，對損壞和廢棄的組件應進行妥善處理，對生產中排放的廢水、廢物應進行符合環保標準的處理。現今各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發展的因素，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新的能源成分之一。
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淺談多元化合物薄膜太陽能電池
據了解，科學家為了尋找單晶硅電池的替代品,除開發了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。
在上述電池中，盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。
據了解，砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉換效率受到人們的普遍重視。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。
除GaAs外，其它III-V化合物如GaSb、GaInP等電池材料也得到了開發。
另外，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%。
銅銦硒CuInSe2簡稱CIS。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，將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。