太陽能的利用—薄膜太陽電池

硅太陽電池的應(yīng)用日趨廣泛, 但昂貴的原材料成為發(fā)展的瓶頸. 薄膜太陽電池由于只需使用一層極薄的光電材料，材料使用非常少。并可使用軟性襯底，應(yīng)用彈性大，如果技術(shù)發(fā)展成熟，其市場面將相當(dāng)寬闊。本文就迄今被人們廣為關(guān)注的薄膜太陽電池, 即非晶硅薄膜太陽電池，微（多）晶硅薄膜太陽電池，銅銦硒薄膜太陽電池，碲化鎘薄膜太陽電池，染料敏化薄膜太陽電池和有機(jī)薄膜太陽電池的發(fā)展概況,技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述.

　　1 引言

　　新能源和可再生能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的技術(shù)領(lǐng)域之一。光伏電池是一種重要的可再生能源,既可作為獨(dú)立能源, 亦可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電, 而且是零污染排放。硅太陽電池由于成本原因, 最初只能用于空間, 隨著技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工藝成熟, 其成本日趨下降, 應(yīng)用也逐步擴(kuò)大. 面對(duì)今天的能源供應(yīng)狀況和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染, 以至危及人類自身生存的現(xiàn)實(shí), 開發(fā)新能源和可再生能源的理念已被世界各國廣泛接受. 發(fā)電能力超過100兆瓦的超大型光伏發(fā)電站相繼在世界各處建造, 發(fā)電能力為幾十兆瓦的大型光伏發(fā)電站更不在少數(shù)(在建的和已建成的). 大規(guī)模的發(fā)展使得上游原材料的生產(chǎn)供不應(yīng)求, 問題日益突出, 許多太陽電池芯片生產(chǎn)廠家和組件生產(chǎn)廠家因原材料問題而不得不經(jīng)常處于停產(chǎn)狀態(tài), 原材料的供應(yīng)和價(jià)格成了制約當(dāng)前太陽電池生產(chǎn)的瓶頸.

　　大力發(fā)展薄膜型太陽電池不失為當(dāng)前最為明智的選擇, 薄膜電池的厚度一般大約為0.5至數(shù)微米, 不到晶體硅太陽電池的1/100, 大大降低了原材料的消耗, 因而也降低了成本. 薄膜電池可沉積在玻璃、不銹鋼片或聚脂薄膜等廉價(jià)的襯底上, 可以彎曲甚至可以卷起來, 便于攜帶.

　　薄膜太陽電池的研究始于20世紀(jì)60年代, 目前從國際上的發(fā)展趨勢看主要是非晶硅 (a-Si:H) 薄膜太陽電池, 微(多)晶硅薄膜太陽電池, 銅銦硒 (CuInSe,CIS) 薄膜太陽電池, 碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池, 染料敏化薄膜太陽電池(DSSC), 有機(jī)薄膜太陽電池. 以下分別概述各類薄膜太陽電池的研發(fā)情況.

　　2非晶硅薄膜太陽電池

　　2．1 主要進(jìn)展

　　非晶硅薄膜太陽電池在20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)時(shí)獲得了迅速發(fā)展, 它在降低成本方面的巨大潛力, 引起了世界各國研究單位、企業(yè)和政府的普遍重視, 其主要特點(diǎn)是

　　（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.

　?。?） 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1.65 eV, 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.

　　據(jù)報(bào)導(dǎo)在空間應(yīng)用時(shí), 由于輻照和高溫的原因,初始穩(wěn)定效率為9%的非晶硅太陽電池, 其性能優(yōu)于初始效率為14%的單晶硅太陽電池.

　　非晶硅太陽電池經(jīng)過30多年的發(fā)展, 在技術(shù)上已取得很大進(jìn)展, 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. 上述技術(shù)的采用使非晶硅薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2%提高到13.7%.

　　隨著非晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高, 其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也取得令人矚目的進(jìn)展. 由于非晶硅材料優(yōu)越的短波響應(yīng)特性, 使其在計(jì)算器、手表等熒光燈下工作的微功耗電子產(chǎn)品中占據(jù)很大優(yōu)勢, 不僅在80年代的10年中取得了數(shù)十億美元的利潤, 而且至今仍具有很大的消費(fèi)市場。從計(jì)算器、手表等弱光應(yīng)用到各種消費(fèi)品甚至功率方面的應(yīng)用, 如收音機(jī)、太陽帽、庭院燈、微波中繼站、航空航海信號(hào)燈、氣象監(jiān)測、光伏水泵及小型獨(dú)立電源等應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大, 產(chǎn)量迅速上升. 世界上出現(xiàn)了若干MW級(jí)的生產(chǎn)線和許多非晶硅薄膜太陽電池的企業(yè). 到80年代中, 整個(gè)非晶硅薄膜太陽電池的年銷售量增長很快, 形成了非晶硅薄膜、多晶硅和單晶硅的三分天下的局面.

　　2．2 發(fā)展中出現(xiàn)的問題和應(yīng)對(duì)措施

　　盡管非晶硅薄膜太陽電池具有上述諸多優(yōu)點(diǎn), 然而在發(fā)展中也顯現(xiàn)出一些明顯的問題. 主要是電池的光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下呈逐漸衰退的態(tài)勢, 這一問題是阻礙非晶硅薄膜太陽電池進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙. 初期產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率本來就低(僅4-5%), 再加上30%左右的衰退率, 使非晶硅薄膜太陽電池的低成本的優(yōu)勢被較低的效率所抵消. 這樣就造成了非晶硅薄膜太陽電池的產(chǎn)量從80年代末到90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段. 對(duì)此學(xué)術(shù)界自90年代起圍繞如何提高非晶硅薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性的問題, 從材料、器件結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面進(jìn)行研究. 特別針對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下衰退的機(jī)理進(jìn)行了不懈的探索, 初步結(jié)論是本征非晶硅材料的S-W效應(yīng). 為了揭示S-W效應(yīng)的起因, 在理論上人們提出了各種微觀模型: 如Si-Si 弱鍵模型; 電荷轉(zhuǎn)移模型; 再雜化雙位模型; Si-H弱鍵模型以及橋鍵模型等.

　　為了減少材料中的氫的含量, 最成熟的技術(shù)是在沉積薄膜的過程中用氫氣稀釋反應(yīng)氣體法。由于這種方法，工藝簡單易行，而且效果明顯，因此是當(dāng)前普遍采用的技術(shù)。研究表明，用氫氣稀釋法制備的本征非晶硅的太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率的衰退率從25%以上降到20%。

　　除上述通過改善非晶硅材料的S-W效應(yīng)來提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性以外, 人們還從電池結(jié)構(gòu)上采取措施, 其中最重要的就是采用多帶隙疊層電池結(jié)構(gòu), 即多個(gè)不同帶隙的p-i-n結(jié)疊加的結(jié)構(gòu), 這樣可減薄每個(gè)子電池的i層厚度, 使每個(gè)電池的內(nèi)電場增強(qiáng), 從而增加了每個(gè)子電池的載流子收集效率.

　　經(jīng)過十幾年的不斷探索, 目前在提高非晶硅薄膜太陽電池的效率穩(wěn)定性方面取得了很大的進(jìn)步, 其光電轉(zhuǎn)換效率的衰退率已達(dá)到小于15%. 光電轉(zhuǎn)換效率本身也有明顯的提高, 如小面積的已達(dá)到13%, 大面積的已超過10%, 組件的達(dá)到7.1%.

　　技術(shù)上的突破與進(jìn)步帶來了更大規(guī)模的發(fā)展, 如九十年代中期, 國際上先后建立了數(shù)條5-10MW的薄膜太陽電池組件生產(chǎn)線, 生產(chǎn)能力增加了25MW. 生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化, 組件面積為平方米量級(jí), 采用新型封裝技術(shù), 產(chǎn)品組件壽命達(dá)到10年以上.

　　我國自70年代末開始研究非晶硅薄膜太陽電池, 到80年代末小面積電池效率達(dá)到11.2%, 大面積電池效率超過8%, 均達(dá)到國際先進(jìn)水平. 然而在產(chǎn)業(yè)化方面落后于國外, 至今沒有一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線.

　　目前研究、開發(fā)和生產(chǎn)非晶硅基太陽電池的大企業(yè)主要是：

　?。?）日本的Kaneka公司。發(fā)展a-Si太陽電池有20多年歷史，1999年達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)，他們最先開發(fā)了在200℃沉積a-Si/μc-Si疊層電池結(jié)構(gòu)，並申請(qǐng)了專利。這種a-Si/μc-Si疊層電池的成本（按40MWp/年來計(jì)算）, 只及c-Si太陽電池的一