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太阳能光伏发电具有的许多特征使其对未来能源非常重要,正在形成一门新兴的产业,但达到大规模地面应用需要解决提高光电转换效率和降低成本这两大难题。
多晶硅薄膜太阳能电池能在廉价衬底上制备,成本远低于晶体硅太阳能电池,转换效率可接近晶体硅太阳电池,并且具有光电性能稳定的特点。
国内外光伏界都投入了大量的人力物力研究开发,多晶硅薄膜太阳电池,取得了可喜的进展。
本文综述了各类太阳能电池的优缺点和研究应用现状,介绍了多晶硅薄膜太阳能电池的基本结构及制备工艺和多晶硅薄膜的各种不同制备方法及其优缺点,最后对多晶硅薄膜太阳能电池的研究及应用前景进行了展望。
关键词:
太阳能电池;
多晶硅薄膜
1引言
能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题,据专家估算,以现在的能源消耗速度,可开采的石油资源将在几十年后耗尽,煤炭资源也只能供应人类使用约200年。
太阳能电池作为可再生无污染能源,能很好地同时解决能源和环境两大难题,具有很广阔的发展前景。
照射到地球上的太阳能非常巨大,大约40min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求[1]。
因此,制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景,而且也是时代所需。
1954年美国贝尔实验室制造出第一块实用的硅太阳电池(转换效率只有6%),初期由于价格昂贵只能用于一些特殊的应用,如人造地球卫星上。
到了20世纪60年代和70年代初期,太阳电池价
格昂贵,每峰瓦价格以百美元计,只能应用在无电又特别需要电的特殊场合,如航标灯、通讯和照明等。
通过半个世纪的努力,大规模生产的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到14%~15%,太阳电池的造价和发电成本己分别降至每峰瓦3美元和每度电25美分,世界太阳电池的年产量达到了540MW。
即使如此,其主要应用范围仍然是边远无电地区,解决照明、电视、冰箱、录音机用电以及微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵等的用电。
目前,晶体硅太阳电池因丰富的原材料资源和成熟的生产工艺而成为太阳电池研发和产业化的主要方向,但走向大规模应用需要解决两大难题:
一是提高光电转换效率;
二是降低生产成本。
工艺成熟的晶体硅太阳电池具有相对较高的转换效率,但成本较高,硅晶体的尺寸也不能满足大面积的要求。
由于制作晶体硅太阳电池的硅材料占太阳电池成本的45%以上,受晶体硅材料价格和晶体硅太阳电池制备过程的影响,若要再大幅度地降低晶体硅太阳电池成本是非常困难的。
因此,要真正达到地面大规模利用太阳电池的目标,降低材料的成本就
成为降低太阳电池成本的主要手段。
高效低成本的薄膜太阳电池代表了未来太阳电池工业的发展方向。
非晶硅薄膜太阳电池虽在成本上具有一定优势,但光疲劳效应严重制约了其发展空间,一些理论问题也有待进一步探索。
因此,兼具两者优势的多晶硅薄膜太阳电池成为主攻方向。
多晶硅薄膜电池的厚度随着结构的不同可以从几µ
m到几十µ
m,仅是晶体硅太阳电池厚度的1/100到1/10,省却了拉单晶(或铸多晶硅锭)、切、磨、抛等诸多繁琐,且硅材料储量丰富,无毒无污染,技术成熟,便于实现大面积、全自动化连续生产。
多晶硅薄膜太阳电池能在廉价衬底上制备,成本远低于晶体硅太阳电池,实验室效率已达,远高于非晶硅薄膜太阳电池的效率。
最新研究表明,多晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳电池,并且
具有光电性能稳定的特点。
2太阳能电池的种类
太阳能电池种类繁多,主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类。
2.1硅太阳能电池
目前,硅太阳能电池占太阳能电池的绝大部分(94%)[2],根据硅片厚度的不同,可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。
2.1.1晶体硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池有单晶硅(c-Si)和多晶硅(p-Si)太阳能电池两类,最早出现的是利用切片技术(硅片厚度约0.5mm)制备的c-Si太阳能电池,而后带状硅技术的出现,避免了切片的操作,随着丝网印刷和机械刻槽技术的出现,c-Si太阳能电池的性能得到了进一步提高。
而后用p-Si代替c-Si并应用c-Si太阳能电池的一些技术,如选择腐蚀发射结、
金属吸杂、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极等等,制备了p-Si太阳能电池。
与c-Si太阳能电池相比,p-Si太阳能电池成本低,但存在明显的晶粒界面和晶格错位等缺陷而导致光电转化效率相对较低。
目前c-Si和p-Si太阳能电池的应用已经进入大规模发展阶段,然而,c-Si和p-Si太阳能电池的成本因需高纯Si原材料而居高不下,其发展受到了一定的限制。
据报道c-Si太阳能电池最高光电转化效率已达24.7%(理论最高光电转化效率为25%)[3];
Geogia采用磷吸杂和双层减反射膜技术,制备了光电转化效率为1816%的p-Si太阳能电池[4];
新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术,制备了光电转化效率为19.8%的p-Si太阳能电池[5];
中国能源网报道,德国弗劳恩霍夫协会科研人员于2004年采用新技术,在世界上率先使p-Si太阳能电池的
光电转换效率突破20%大关,达到20.3%。
2.1.2薄膜硅太阳能电池
薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50Lm)的出现,相对晶体硅太阳能电池,所用的硅材料大幅度减少,很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。
薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(Lc-Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池,前两者有光致衰退效应,其中Lc-Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但Lc-Si薄膜沉积速率低(仅112nm/s)[6]
光致衰退效应致使其性能不稳定,发展受到一定的限制,而后者则无光致衰退效应问题,因此是硅系太阳能电池的发展方向[7]。
日本三菱公司在石英(SiO2)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转化效率达到1615%,德国Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅(SiC)衬底上制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转化效率分别为11%和9.3%,日本
SONY公司用多孔硅分离技术制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率达到12.5%[8];
a-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达14.5%[9];
Lc-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达9.8%[10]。
2.2聚光太阳能电池
聚光是降低太阳能电池总成本的一种方法,通过聚光器(倍率一般大于几十倍,有反射式和透镜式两种)将较大面积的阳光聚在一个较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”,并将太阳能电池置于“焦斑”或“焦带”上,以增加光强,克服太阳辐射能流密度低的缺陷,从而获得更多的电能输出[11]。
与普通太阳能电池相比,聚光太阳能电池因需耐高倍率的太阳辐射,所以要求在较高温度下光电转换性能良好的半导体材料,最理想的半导体材料是单晶硅和砷化镓(GaAs)。
聚光太阳能电池通常采用垂直结构,以减少串联电阻,同时栅线较密,约占电池面积的10%,以适应大电流密度的需要。
Speetrolab于2003年开发的Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge电池的光电转换效率高达35.2%(66个太阳强度)[12],Speetrolab又于同年7月25日公布了地面聚光电池的光电转化效率可达36.9%[13]。
目前投产的三结Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge聚光太阳能电池光电转化效率为28%(AM115,100~300个太阳强度)。
聚光太阳能电池虽然有很高的光电转化效率,但光学聚光系统比较复杂,并且需要跟踪太阳,散热也非常困难。
目前所用的聚光太阳能电池较少,聚光倍数均较低,成本相应较高。
2.3无机化合物薄膜太阳能电池
选用的无机化合物主要有CdTe,CdS,GaAs,CuInSe2(CIS)等,其中CdTe的禁带宽度为1145eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为115eV),是一个理想的半导体材料,截止2004年,CdTe电池光电转化效率最高为16.5%[14];
CdS的禁带宽度约为2142eV,是一种良好的太阳能电池窗口层材料,可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池[15~18];
GaAs的禁带宽度为1.43eV,光吸收系数很高,GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27%,目前GaAs/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20%,生产水平的光电转换效率已经达到19~20%,其与GaInP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景[19];
CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19.5%[20],在聚光条件下(14个太阳光强),光电转化效率达到21.5%[21],组件产品的光电转化效率已经超过13%[22];
CIS薄膜用Ga部分取代In,就形成CuIn1-xGax
Se2(简称CIGS)四元化合物,其薄膜的禁带宽度在1.04~1.7eV范围内可调,这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会,同时开发了两种新的材料,用Ga完全取代In形成CuGaSe2,用S完全取代Se形成CuInS2,以备In、Se资源不足时可以采用。
但是,Cd和As是有毒元素,In和Se是稀有元素,严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生产[23]。
2.4有机薄膜太阳能电池
有机薄膜太阳能电池与硅太阳能电池相比具有质量轻、柔韧易加工性、低成本及可大面积制备等优点,有很大的发展潜力,但正处于研发初期,激子结合能大,电子迁移率低,导致光电转化效率低且寿命短等缺点[24]。
目前,在实验室特定研究条件下,有机薄膜太阳能电池光电转换率可达9.5%[25]。
2.5纳米晶薄膜太阳能电池
目前半导体纳米晶薄膜太阳能电池电极所广泛使用的半导体是锐钛矿型二氧化钛(TiO2),TiO2虽然具有无毒、稳定、制备工艺简单且抗腐蚀性能好等特点,但是禁带宽度为3.2eV,只能吸收波长小于380nm的紫外光,因此光电转化效率低。
研究纳米晶薄膜太阳能电池最成功的是瑞士科学家Gratzel等人,他们于1991年提出的染料Ru(dcbpy)2[(L-CN)Ru(CN)(bpy)2]2敏化纳米TiO2薄膜作为阳极的太阳能电池,以较低的成本制备了光电转化效率为7.1~7.9%的太阳能电池[26],在这一领域取得了突破性进展。
随后这种电池以其原料低廉和制作工艺简单等优点而引起人们的广泛关注,Gratzel等人又于2006年对工艺改进后将光电转化效率提高到11.3%[27]。
3制备多晶硅薄膜的工艺方法
多晶硅薄膜是多晶硅薄膜太阳能电池的主体部分,薄膜质量的好坏直接影响太阳能电池性能的好坏。
多晶硅薄膜制备工艺的主要区分点在其沉积温度和沉积方式,因此不同的沉积温度和沉积方式的控制直接影响薄膜的质量,从而影响着多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。
主要的多晶硅薄膜的制备方法有:
化学气相沉积法(CVD)、再结晶法、液相外延法(LPE)、溅射沉积法和等离子喷涂法(PSM)。
3.1化学气相沉积法(CVD)
3.1.1一般化学气相沉积法(CVD)
该法先用加热器将衬底加热至适当的温度,然后通以反应气体(如SiF4、SHi4等),在还原气氛(H2)下反应生成硅原子并沉积在衬底表面形成薄膜。
反应温度较高(800~1200e),且难以形成较大的颗粒多晶硅,并且容易在晶粒之间形成孔隙,对制备较高光电转换效率的太阳能电池很不利。
随着技术的进步又出现了等离子增强化学气相沉积法
(PECVD)和热丝化学气相沉积法(H
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