太阳能电池材料,功能材料,课程论文.pdf

本文由崔承佑贡献 d o c 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 太阳能电池材料 摘要 摘要 倡导绿色环保 清洁高效 清洁能源是当今的时代主题 越来越 受到各国 的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域 本文着重简绍 几种广 泛应用和极大开发价值的太阳能电池材料及其制备技术 关键词 关键词 太阳能材料 单晶硅材料电池 多晶硅材料电池 非晶硅薄膜 化合物 薄膜 效率 成本 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何 的环境污染 在太阳能的有效利用当中 大阳能光电利用是近些年来发展最快 最具 活力的研究领域 是其中最受瞩目的项目之一 为此 人们研制和开发了 太阳能电 池 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础 其工作原理是利用光 电材料吸收光 能后发生光电于转换反应 根据所用材料的不同 太阳能电池材料 可分为 1 硅太 阳能电池材料 2 以无机盐如砷化镓 III V 化合物 硫化镉 铜铟硒等多元化合物 为材料的电池 3 功能高分子材料制备的大阳能电池 4 纳米晶材料太阳能电池等 不论以何种材料来制作电池 对太阳能电池材料一般 的要求有 1 半导体材料的 禁带不能太宽 要有较高的光电转换效率 3 材 料本身对环境不造成污染 4 材 料便于工业化生产且材料性能稳定 基于以上 几个方面考虑 硅是最理想的太阳能电 池材料 这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因 但随着新材料的不断开发和相 关技术的发展 以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景 本文 简要地综述了太阳能电池的种类及 其研究现状 并讨论了太阳能电池的发展及趋势 1 硅系材料太阳能电池 1 1 单晶硅材料太阳能电池 硅系列太阳能电池中 单晶硅大 阳能电池转换效率最高 技术也最为成熟 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅 材料和相关的成热的加工处理工艺基 础上的 现在单晶硅的电池工艺己近成熟 在电 池制作中 一般都采用表面织构 化 发射区钝化 分区掺杂等技术 开发的电池主要 有平面单晶硅电池和刻槽埋 栅电极单晶硅电池 提高转化效率主要是靠单晶硅表面 微结构处理和分区掺杂工 艺 在此方面 德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持 着世界领先水平 该 研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化 制成倒金字塔结构 并在表面把一 13n m 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合 通过改进了的电 镀过程增 加栅极的宽度和高度的比率 通过以上制得的电池转化效率超过 23 是 大值可 达 23 3 Ky o c e r a 公司制备的大面积 225c m 2 单电晶太阳能电池转换效 率 为 19 44 国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和 开发 研制的平面高效单晶硅电池 2c m X 2c m 转换效率达到 19 79 刻槽埋 栅 电极晶体硅材料制成的电池 5c m X 5c m 转换效率达 8 6 单晶硅太阳能电池转换 效率无疑是最高的 在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位 但由于受单晶硅 材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响 致使单晶 硅成本价格居高不下 要想大幅度降低其成本是非常困难的 为了节省高质量 材料 寻找单晶硅电池材料的替代产品 现在发展了薄膜太 阳能电池材料 其中多 晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就 是典型代表 1 2 多晶硅 薄膜材料电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350 450 m 的高质量硅片上制成 的 这 种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成 因此实际消耗的硅材料更多 为了 节省 材料 人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜 但由于生长的 硅膜晶粒大小 未能制成有价值的太阳能电池 为了获得大尺寸晶粒的薄膜 人 们 一直没有停止过研究 并提出了很多方法 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化 学气相 沉积法 包括低压化学气相沉积 LPCVD 和等离子增强化学气相沉积 PECVD 工艺 此外 液相外延法 LPPE 和溅射沉积法也可用来制备多晶 硅薄膜电池 化学气 相沉积主要是以 Si H2Cl 2 Si HCl 3 Si c l 4 或 Si H4 为反应气体 在一定 的保护气氛 下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上 衬底材料一般选用 Si Si O2 Si 3N4 等 但研究发现 在非硅衬底上很难形成较大的晶粒 并且容易在 晶粒间形成空隙 解 决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非 晶硅层 再将这层非晶硅 层退火 得到较大的晶粒 然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜 因此 再结晶 技术无疑是很重要的一个环节 目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法 p a g e 1 多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外 另 外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电 池的技 术 这样制得的太阳能电池转换效率明显提高 德国费莱堡太阳能研究所采用 区 日本三菱公司 馆再结晶技术在 FZ Si 衬底上制得的多晶硅电池转换效率为 19 用该法制备电池 效率达 16 42 液相外延 LPE 法的原理是通过将硅熔融在 母体里 降低温度析出硅膜 美国 As t r o p o w e r 公司采用 LPE 制备的电池效率达 1 2 2 中国光电发展技术 中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶 粒 并设计了一种类似 于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池 称之为 硅粒 太阳能电池 但有关 性能方面的报道还未见到 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅 远较单晶硅少 又无效率衰退问题 并且有 可能在廉价衬底材料上制备 其成本远低 于单晶硅电池 而效率高于非晶硅薄膜 电池 因此 多晶硅薄膜电池不久将会在太阳 能电地市场上占据主导地位 1 3 非晶硅薄膜太阳能电池 开发太阳能电池的两个关 键问题就是 提高转换效率和降低成本 由于非晶 硅薄膜材料太阳能电池的成本低 便于大规模生产 普遍受到人们的重视并得到 迅速发展 其实早在 70 年代初 Ca r l s o n 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作 近几年它的研制工作得到了迅速 发展 目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品 非晶硅作 为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料 但由于其光学带隙为 1 7e V 使得材料本 身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感 这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换 效率 此外 其光电效率会随着光照时间的延续而衰减 即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应 使得电池性能不稳定 解决这些问题的这径就是 制备叠层太阳能电池 叠层 太阳能电池是由在制备的 p i n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P i n 子 电池制得的 叠层太阳能电池提高转换效率 解决 单结电池不稳定性的关键问题在于 它把不同禁带宽度的材科组台在一起 提 高了光谱的响应范围 顶电池的 i 层较薄 光照产生的电场强度变化不大 保 证 i 层中的光生载流子抽出 底电池产生的载流子约为单电池的一半 光致衰 退效 应减小 叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的 非晶硅薄膜材料太阳能电池的 制备方法有很多 其中包括反应溅射法 PECVD 法 LPCVD 法等 反应原料气体为 H2 稀释的 Si H4 衬底主要为玻璃及 不锈钢片 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池 工艺过程可分别制得单结电池和叠 层太阳能电池 目前非晶硅太阳能电池的研究取得 两大进展 第一 三叠层结构 非晶硅太阳能电池转换效率达到 13 创下新的记录 第二 三叠层太阳能电池 年生产能力达 5MW 美国联合太阳能公司 VSSC 制得的 单结太阳能电池最高 转换效率为 9 3 三带隙三叠层电池最高转换效率为 13 上述最高转换效率是在小面积 0 25c m 2 电池上取得的 曾有文献报道单结 非晶硅 太阳能电池转换效率超过 12 5 日本中央研究院采用一系列新措施 制得的非晶 硅电池的转换效率为 13 2 国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层 太阳能电池的研 究并不多 南开大学的耿新华等采用工业用材料 以铝背电极制 备出面积为 20X20c m 2 转换效率为 8 28 的 a Si a Si 叠层太阳能电池 非晶硅太阳能电池由于 具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点 有着极大的潜力 但同时由于它 的稳定性不高 直接影响了它的实际应用 如果 能进一步解决稳定性问题及提高转换 率问题 那么 非晶硅大阳能电池无疑是太 阳能电池的主要发展产品之一 2 化合 物薄膜太阳能电池 2 1 碲化镉太阳能电池 碲化镉 Cd Te 材料成本低 效率高 且 光谱响应与太阳光谱分吻合 薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法 近空间升华法 真空蒸发法等 碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 o Cd Te 电池实验室 效率 16 4 大规模生产的商业 化电池平均效率 8 一 10 四川大学制备出的电池率 达 11 6 以 c d Te 吸收 层 Cd S 作窗口层的结构为 减反射膜 玻璃 Sn Oz F Cd S P Cd Te 背电极 这种 电池转换效率达 16 2 2 砷化镓太阳能电池 1954 年 首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应 1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 2 2 25 实验室条件下在 Ca A s 单结电池效率已超过 25 目前 研究的砷化镓系 列太阳能电池有单品砷化镓 多品砷化镓 镓铝砷一砷化镓异 质结 金属一半导体 砷化镓 金属一绝缘体半导体砷化镓等 材料的制备类似于 硅半导体的制备 有晶体 生长法 直 接拉制法 气相生长法 液相外延法等 另外 III V 族三 四元化合物 Ca In P Al Ca In P Ca In A s 等 半导体材料的技术日 益成熟 可通过设计电池结 构来提高效率和降低成本 双结电池的效率最高为 30 三结电池为 38 四结电池 p a g e 2 为 41 目前 国外已将砷化镓太阳能电池 作为航天飞行器空间主电源 而且砷化镓 组件所占比例逐渐增大 目前已占 90 2 3 铜铟硒太阳能电池 铜铟硒太阳能电 池是以铜 铟 硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳 能电池 是在玻璃或其它 廉价衬底上沉积若十层金属化合物的半导体薄膜 其厚 度大约为 200 300n m 具有成本 低 性能稳定 抗辐射能力强等特性 日本昭和石油公司开发的而积为 864c m 2 的 电池转换效率为 14 3 美国 尽管化合物 能源部叫再生能源实验室研制出的 CIGS 电池转换效率已达 19 2 半导体材料的太阳能电池具有价格低廉 性能良好和工艺简单等优点 但是其所 用的材料中大多有毒 且有的是稀元素 所以其发展已受到很大限制 2 4 聚合物薄 膜太阳能电池 以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向 具有分子结构 自行设计合成 易加工 毒性小 成本低等特点 目前制作聚 合物半导体层主要是 真空技术 主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术 溶液处理成膜技术 主要有 电化学沉积技术 铸膜技术 分子组装技术 印刷技 术等 单品技术 主要有电化学法 扩散法和气相法 He e g e r 等发现 聚乙炔用 Iz As Fs 掺杂后电导率明显增高 口 前 P3 H T PCB M 体系最高的光电转化效率为 4 李永舫等使带双嚓嗯乙烯撑边链 的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时 能量转换效率达 3 18 虽然聚合物电池有着 众多优 点 但性能无法与传统太阳能电池相比 参考文献 参考文献 I 梁宗存 沈辉 李戮洪 太 GR 能电池及材料 J u f J l 材料导报 2000 14 8 38 40 2 卢金军 太阳能电池的 I J 现状和产业发展 f T 1 高新技术 2007 18 l a 3 汀建军 刘金霞 太阳能电池及材料 J u 和发展现 状 J 浙江万里学 Ii i 学报 2006 V 19 4 马胜 I 中国光伏产业发展展望及政策 建议 J 电器 业 2004 I 0 I I I 5 耿新华 张建军 硅基薄膜太阳电池新进 展 J 新材料产业 2007 7 28 30 6 温丽姿 赵水新 太阳能发电 大规模应用 小是梦想 关注 f Nl 人民日报 2005 01 20 16 1本文由崔承佑贡献 d o c 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 太阳能电池材料 摘要 摘要 倡导绿色环保 清洁高效 清洁能源是当今的时代主题 越来越 受到各国 的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域 本文着重简绍 几种广 泛应用和极大开发价值的太阳能电池材料及其制备技术 关键词 关键词 太阳能材料 单晶硅材料电池 多晶硅材料电池 非晶硅薄膜 化合物 薄膜 效率 成本 引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何 的环境污染 在太阳能的有效利用当中 大阳能光电利用是近些年来发展最快 最具 活力的研究领域 是其中最受瞩目的项目之一 为此 人们研制和开发了 太阳能电 池 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础 其工作原理是利用光 电材料吸收光 能后发生光电于转换反应 根据所用材料的不同 太阳能电池材料 可分为 1 硅太 阳能电池材料 2 以无机盐如砷化镓 III V 化合物 硫化镉 铜铟硒等多元化合物 为材料的电池 3 功能高分子材料制备的大阳能电池 4 纳米晶材料太阳能电池等 不论以何种材料来制作电池 对太阳能电池材料一般 的要求有 1 半导体材料的 禁带不能太宽 要有较高的光电转换效率 3 材 料本身对环境不造成污染 4 材 料便于工业化生产且材料性能稳定 基于以上 几个方面考虑 硅是最理想的太阳能电 池材料 这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因 但随着新材料的不断开发和相 关技术的发展 以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景 本文 简要地综述了太阳能电池的种类及 其研究现状 并讨论了太阳能电池的发展及趋势 1 硅系材料太阳能电池 1 1 单晶硅材料太阳能电池 硅系列太阳能电池中 单晶硅大 阳能电池转换效率最高 技术也最为成熟 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅 材料和相关的成热的加工处理工艺基 础上的 现在单晶硅的电池工艺己近成熟 在电 池制作中 一般都采用表面织构 化 发射区钝化 分区掺杂等技术 开发的电池主要 有平面单晶硅电池和刻槽埋 栅电极单晶硅电池 提高转化效率主要是靠单晶硅表面 微结构处理和分区掺杂工 艺 在此方面 德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持 着世界领先水平 该 研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化 制成倒金字塔结构 p a g e 3 并在表面把一 13n m 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合 通过改进了的电 镀过程增 加栅极的宽度和高度的比率 通过以上制得的电池转化效率超过 23 是 大值可 达 23 3 Ky o c e r a 公司制备的大面积 225c m 2 单电晶太阳能电池转换效 率 为 19 44 国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和 开发 研制的平面高效单晶硅电池 2c m X 2c m 转换效率达到 19 79 刻槽埋 栅 电极晶体硅材料制成的电池 5c m X 5c m 转换效率达 8 6 单晶硅太阳能电池转换 效率无疑是最高的 在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位 但由于受单晶硅 材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响 致使单晶 硅成本价格居高不下 要想大幅度降低其成本是非常困难的 为了节省高质量 材料 寻找单晶硅电池材料的替代产品 现在发展了薄膜太 阳能电池材料 其中多 晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就 是典型代表 1 2 多晶硅 薄膜材料电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350 450 m 的高质量硅片上制成 的 这 种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成 因此实际消耗的硅材料更多 为了 节省 材料 人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜 但由于生长的 硅膜晶粒大小 未能制成有价值的太阳能电池 为了获得大尺寸晶粒的薄膜 人 们 一直没有停止过研究 并提出了很多方法 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化 学气相 沉积法 包括低压化学气相沉积 LPCVD 和等离子增强化学气相沉积 PECVD 工艺 此外 液相外延法 LPPE 和溅射沉积法也可用来制备多晶 硅薄膜电池 化学气 相沉积主要是以 Si H2Cl 2 Si HCl 3 Si c l 4 或 Si H4 为反应气体 在一定 的保护气氛 下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上 衬底材料一般选用 Si Si O2 Si 3N4 等 但研究发现 在非硅衬底上很难形成较大的晶粒 并且容易在 晶粒间形成空隙 解 决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非 晶硅层 再将这层非晶硅 层退火 得到较大的晶粒 然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜 因此 再结晶 技术无疑是很重要的一个环节 目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法 多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外 另 外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电 池的技 术 这样制得的太阳能电池转换效率明显提高 德国费莱堡太阳能研究所采用 区 日本三菱公司 馆再结晶技术在 FZ Si 衬底上制得的多晶硅电池转换效率为 19 用该法制备电池 效率达 16 42 液相外延 LPE 法的原理是通过将硅熔融在 母体里 降低温度析出硅膜 美国 As t r o p o w e r 公司采用 LPE 制备的电池效率达 1 2 2 中国光电发展技术 中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶 粒 并设计了一种类似 于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池 称之为 硅粒 太阳能电池 但有关 性能方面的报道还未见到 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅 远较单晶硅少 又无效率衰退问题 并且有 可能在廉价衬底材料上制备 其成本远低 于单晶硅电池 而效率高于非晶硅薄膜 电池 因此 多晶硅薄膜电池不久将会在太阳 能电地市场上占据主导地位 1 3 非晶硅薄膜太阳能电池 开发太阳能电池的两个关 键问题就是 提高转换效率和降低成本 由于非晶 硅薄膜材料太阳能电池的成本低 便于大规模生产 普遍受到人们的重视并得到 迅速发展 其实早在 70 年代初 Ca r l s o n 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作 近几年它的研制工作得到了迅速 发展 目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品 非晶硅作 为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料 但由于其光学带隙为 1 7e V 使得材料本 身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感 这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换 效率 此外 其光电效率会随着光照时间的延续而衰减 即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应 使得电池性能不稳定 解决这些问题的这径就是 制备叠层太阳能电池 叠层 太阳能电池是由在制备的 p i n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P i n 子 电池制得的 叠层太阳能电池提高转换效率 解决 单结电池不稳定性的关键问题在于 它把不同禁带宽度的材科组台在一起 提 高了光谱的响应范围 顶电池的 i 层较薄 光照产生的电场强度变化不大 保 证 i 层中的光生载流子抽出 底电池产生的载流子约为单电池的一半 光致衰 退效 应减小 叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的 非晶硅薄膜材料太阳能电池的 制备方法有很多 其中包括反应溅射法 PECVD 法 LPCVD 法等 反应原料气体为 H2 稀释的 Si H4 衬底主要为玻璃及 不锈钢片 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池 工艺过程可分别制得单结电池和叠 层太阳能电池 目前非晶硅太阳能电池的研究取得 p a g e 4 两大进展 第一 三叠层结构 非晶硅太阳能电池转换效率达到 13 创下新的记录 第二 三叠层太阳能电池 年生产能力达 5MW 美国联合太阳能公司 VSSC 制得的 单结太阳能电池最高 转换效率为 9 3 三带隙三叠层电池最高转换效率为 13 上述最高转换效率是在小面积 0 25c m 2 电池上取得的 曾有文献报道单结 非晶硅 太阳能电池转换效率超过 12 5 日本中央研究院采用一系列新措施 制得的非晶 硅电池的转换效率为 13 2 国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层 太阳能电池的研 究并不多 南开大学的耿新华等采用工业用材料 以铝背电极制 备出面积为 20X20c m 2 转换效率为 8 28 的 a Si a Si 叠层太阳能电池 非晶硅太阳能电池由于 具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点 有着极大的潜力 但同时由于它 的稳定性不高 直接影响了它的实际应用 如果 能进一步解决稳定性问题及提高转换 率问题 那么 非晶硅大阳能电池无疑是太 阳能电池的主要发展产品之一 2 化合 物薄膜太阳能电池 2 1 碲化镉太阳能电池 碲化镉 Cd Te 材料成本低 效率高 且 光谱响应与太阳光谱分吻合 薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法 近空间升华法 真空蒸发法等 碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 o Cd Te 电池实验室 效率 16 4 大规模生产的商业 化电池平均效率 8 一 10 四川大学制备出的电池率 达 11 6 以 c d Te 吸收 层 Cd S 作窗口层的结构为 减反射膜 玻璃 Sn Oz F Cd S P Cd Te 背电极 这种 电池转换效率达 16 2 2 砷化镓太阳能电池 1954 年 首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应 1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 2 2 25 实验室条件下在 Ca A s 单结电池效率已超过 25 目前 研究的砷化镓系 列太阳能电池有单品砷化镓 多品砷化镓 镓铝砷一砷化镓异 质结 金属一半导体 砷化镓 金属一绝缘体半导体砷化镓等 材料的制备类似于 硅半导体的制备 有晶体 生长法 直 接拉制法 气相生长法 液相外延法等 另外 III V 族三 四元化合物 Ca In P Al Ca In P Ca In A s 等 半导体材料的技术日 益成熟 可通过设计电池结 构来提高