薄膜太陽(yáng)能電池材料種類(lèi)
砷化鎵GaAs太陽(yáng)能電池
GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值，與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%，特別適合做高溫聚光太陽(yáng)電池。砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)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(jī)臺(tái)，同時(shí)砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學(xué)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(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)，反應(yīng)壓力，III-V比率，總流量等諸多參數(shù)的影響。GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達(dá)29.5%(一般在19.5%左右)，產(chǎn)品耐高溫和輻射，但生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量受限，現(xiàn)今主要作空間電源用。以硅片作襯底，MOCVD技術(shù)異質(zhì)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(yáng)電池有單晶砷化鎵，多晶砷化鎵，鎵鋁砷--砷化鎵異質(zhì)結(jié)，金屬-半導(dǎo)體砷化鎵，金屬--絕緣體--半導(dǎo)體砷化鎵太陽(yáng)電池等。
砷化鎵材料的制備類(lèi)似硅半導(dǎo)體材料的制備，有晶體生長(zhǎng)法，直接拉制法，氣相生長(zhǎng)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(yáng)電池的發(fā)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(kāi)發(fā)。
1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)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(dá)到31.1%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)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(yáng)能電池
銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIC.CIS材料的能降為1.1 eV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽(yáng)能電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)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(fā)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(zhuǎn)換效率發(fā)展到現(xiàn)今的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3%(面積25 px2)。1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率17.1%的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計(jì)到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%，相當(dāng)于多晶硅太陽(yáng)能電池。CIS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉，性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
碲化鎘CdTe太陽(yáng)能電池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽(yáng)光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率(28%)，性能很穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)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(yáng)電池通常以CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良，制成的太陽(yáng)電池的填充因子高達(dá)FF =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜，然后在600～700℃可控氣氛下進(jìn)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(fā)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(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實(shí)驗(yàn)室效率不斷攀升，現(xiàn)今突16%。20世紀(jì)90年代初，CdTe電池已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，但市場(chǎng)發(fā)展緩慢，市場(chǎng)份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%。
人們認(rèn)為，CdTe薄膜太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能電池中最容易制造的，因而它向商品化進(jìn)展最快。提高效率就是要對(duì)電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進(jìn)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CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創(chuàng)了最高紀(jì)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(jià)的玻璃作襯底;實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè)，必須經(jīng)過(guò)組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì)、研究和優(yōu)化過(guò)程。至今，不僅有許多國(guó)家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的CdTe太陽(yáng)電池，而且在大面積組件方面取得了可喜的進(jìn)展，許多公司正在進(jìn)行CdTe薄膜太陽(yáng)電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè)，有的已經(jīng)投產(chǎn)。
國(guó)外研究
在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國(guó)際上許多國(guó)家的CdTe薄膜太陽(yáng)電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開(kāi)始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國(guó)的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW，日本的CdTe電池產(chǎn)量為2.0MW。德國(guó)公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)廠，預(yù)計(jì)其生產(chǎn)成本將會(huì)低于$1.4/W。該組件不但性能優(yōu)良，而且生產(chǎn)工藝先進(jìn)，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(yīng)用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進(jìn)一步降低。
CdTe薄膜太陽(yáng)電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)于1993年用升華法在25px2面積上做出效率為15.8 %的太陽(yáng)電池，隨后，日本報(bào)道了CdTe基電池以CdTe作吸收層，CdS作窗口層的n-CdS/ p-CdTe半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池，其典型結(jié)構(gòu)為MgF2/玻璃/ SnO2:F/ n-CdS/ p-CdTe/背電極，小面積電池最高轉(zhuǎn)換效率16%，成為當(dāng)時(shí)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄，如今，太陽(yáng)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CdTe為代表的薄膜太陽(yáng)電池倍受關(guān)注，面積為90000px2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1%的水平。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供了Solar Cells lnc的面積為171975px2CdTe薄膜太陽(yáng)電池的測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.7%;Bp Solar的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，面積為113500px2，效率為8.4%，面積為17650px2的太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.1%;Goldan Photon的CdTe太陽(yáng)電池，面積為88200px2，轉(zhuǎn)換效率為7.7%。
碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的制造成本低，現(xiàn)今，已獲得的最高效率為16%，是應(yīng)用前景最好的新型太陽(yáng)電池，它已經(jīng)成為美、德、日、意等國(guó)研究開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。
CdTe薄膜太陽(yáng)電池較其他的薄膜電池容易制造，因而它向商品化進(jìn)展最快。已由實(shí)驗(yàn)室研究階段走向規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。下一步的研發(fā)重點(diǎn)，是進(jìn)一步降低成本、提高效率并改進(jìn)與完善生產(chǎn)工藝。CdTe太陽(yáng)能電池在具備許多有利于競(jìng)爭(zhēng)的因素下，但在2002年其全球市占率僅0.42﹪，現(xiàn)今CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過(guò)10﹪，究其無(wú)法耀升為市場(chǎng)主流的原因，大至有下列幾點(diǎn)：一、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽(yáng)能電池材料占總成本的53﹪，其中半導(dǎo)體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運(yùn)藏量有限，其總量勢(shì)必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤(pán)的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無(wú)法放心的接受此種光電池。
CdTe太陽(yáng)能電池作為大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用的光伏器件，最值得關(guān)注的是環(huán)境污染問(wèn)題。有毒元素Cd對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)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(shí)，又對(duì)人體和人類(lèi)生存環(huán)境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件，技術(shù)上很簡(jiǎn)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(guò)呼吸道對(duì)人類(lèi)和其他動(dòng)物造成的危害;二是生產(chǎn)廢水廢物排放所造成的污染。因此，對(duì)破損的玻璃片上的Cd和Te應(yīng)去除并回收，對(duì)損壞和廢棄的組件應(yīng)進(jìn)行妥善處理，對(duì)生產(chǎn)中排放的廢水、廢物應(yīng)進(jìn)行符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的處理。現(xiàn)今各國(guó)均在大力研究解決CdTe薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素，相信上述問(wèn)題不久將會(huì)逐個(gè)解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來(lái)社會(huì)新的能源成分之一。
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淺談多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池
據(jù)了解，科學(xué)家為了尋找單晶硅電池的替代品,除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外，又不斷研制其它材料的太陽(yáng)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(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代。
據(jù)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(zhuǎn)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(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反應(yīng)壓力、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)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(kāi)發(fā)。
另外，研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)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(dá)到31.1%。
銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIS。CIS材料的能降為1.1 eV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換,另外，CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。
CIS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受到限制。
