第十章 多种太阳能电池.ppt

多种太阳能电池的简介,西科大理学院光电半导体实验室2011.3.2,主要电池种类,非晶硅太阳能电池多晶硅薄膜电池Cu2S/CdS电池CuInGaSe电池CdTe电池电池的发展情况,一、非晶硅太阳能电池,1、电池结构简介（1）非晶硅材料的特点由于非晶硅材料是亚稳固体，其晶格的近程配位与相应晶体的相当。但它是长程无序，原子间的键长与键角存在随机的微小变化，它的实际结构为硅原子组成的网络结构；网络内的硅悬挂键密度比较高。通常非晶材料的光电导很低这些是非晶硅结构的两个基本特点。,一、非晶硅太阳能电池,（2）电池的结构a-Si太阳电池基本结构不是pn结而是pin结。掺硼形成p区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层pin结构的a-Si电池的厚度取0.5m左右，而作为死光吸收区的p,n层的厚度在10nm量级。,电池的特点,（1）材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1m，昂贵的纯硅材料用量很少。(2)制作工艺为低温工艺（100-300），生产的耗电量小，能量回收时间短）（3）易于形成大规模生产能力因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现n结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。（4）品种多，用途广。薄膜的aSi太阳电池易于实现集成化，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，晴电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于aSi膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池。,一、非晶硅太阳能电池,主要是初始光电转换效率较低，稳定性较差。,一、非晶硅太阳能电池发展方向,（1）加强a-Si基础材料亚稳特性及其克服办法的研究，达到基本上消除薄膜硅太阳电池性能的光致衰退。（2）加强晶化薄膜硅材料制备技术探索和研究，使未来的薄膜硅太阳电池产品既具备a-Si薄膜太阳电池低成本的优势，又具备晶体硅太阳电池长寿、高效和高稳定的优势。（3）加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠层电池的研究，把aSi太阳电池的优点与其它太阳电池的优点嫁接起来。（4）选择最佳的新技术途径，不失时机地进行产业化技术开发,二、多晶硅薄膜太阳电池,1、电池工作原理多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样,是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。,2、电池结构特点,在半导体太阳能电池中,吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄，只要几微米。但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50m。研制了薄膜型太阳能电池,太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的,三、Cu2S/CdS电池,电池的结构：用喷涂法或者真空蒸发制备CdS薄膜，再采用含Cu+的氯化亚铜溶液常规浸泡工艺，使之形成一定厚度的Cu2S层，完后沉积出栅线电极,喷涂法制备Cu2S/CdS电池制备方法,用喷涂法制备CdS薄膜，其方法主要是将含有S和Cd的化合物水溶液，用喷涂设备喷涂到玻璃或具有SnO2导电膜的玻璃及其它材料的衬底上，经热分解沉积成CdS薄膜。各国不同学者采用的工艺都基于如下热分解效应：CdC12+（NH2)2CS+2H20CdS十2NH4Cl十C02热分解温度T250。在CdS膜表面喷涂转型物质，如含Cu+的氯化亚铜溶液，或采用常规浸泡工艺，使之形成一定厚度的Cu2S层，并经热扩散等工艺和喷涂金属层作电极，形成太阳电池。,电子束蒸发法,用电子束蒸发制备CdS薄膜，改进了电子束蒸发设备，避免了在蒸发过程中CdS粒子飞溅。采用常规氯化亚铜浸泡法形成Cu多层，从而构成Cu2S/CdS太阳电池，此方法制得的电池最佳转换效率为6.2%。,电池的优缺点,Cu2S/CdS是一种廉价太阳电池，它具有成本低、制备工艺十分简单的优点。CdS是非常重要的-族化合物半导体材料。CdS薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带隙较宽。Cu2S/CdS薄膜太阳电池工艺不稳定，电池转换效率不高，稳定性差，易衰降，因此阻碍了这一类型太阳电池的发展并计算出电池的极限效率为18%，实际工艺可能达到12.5%。,四、CIGS太阳能电池,1、电池的结构从光入射层开始，各层分别为:金属栅状电极、减反射膜、窗口层(ZnO)、过渡层(CdS)、光吸收层(CIGS)、金属背电极(MO)、玻璃衬底。,四、CIGS太阳能电池,最早是用n型半导体CdS作窗口层，其禁带宽度为2.42ev，一般通过掺入少量的ZnS，成为CdZnS材料，主要目的是增加带隙近年来的研究发现，窗口层改用ZnO效果更好，ZnO带宽可达到3.3eV，CdS的厚度降到只有约50nm，只作为过渡层。吸收层CIGS(化学式CuInGase)是薄膜电池的核心材料，属于正方晶系黄铜矿结构。作为直接带隙半导体，其光吸收系数高达105量级(几种薄膜太阳能材料中较高的)。禁带宽度在室温时是1.04eV，电子迁移率和空穴迁移率很高，,制备方法,最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒化法、电化学沉积法、喷涂热解法丝网印刷法现在研究最广泛、制备出电池效率比较高的是共蒸发和溅射后硒化法，被产业界广泛采用,蒸发法简介,共蒸发方法是研究最深入的方法，在实验室里制备小面积的C工GS薄膜太阳电池，沉积的CIGS薄膜质量明显高于其它技术手段，电池效率较高，现在报道的最高转化效率达19.99%电池的C工GS层就是共蒸发法制备的,蒸发法简介,现在一般采用的是美国可再生能源实验室(NREL)开发的三步共蒸发工艺沉积方法。(l)衬底温度保持在约350左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。(2)将衬底温度提高到550一580，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的CIGS薄膜。(3)保持第二步的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到成分为CulnGaSe的薄膜。三步法与其它制备工艺相比，沉积得到的CIGS薄膜，具有更加平整的表面，薄膜的内部非常致密均匀。从而减少了C工GS层的粗糙度，这就可以改善CIGS层与缓冲层的接触界面，在减少漏电流的情况下，提高了内建电场，同时也消除了载流子的复合中心,蒸发法简介,溅射硒化法是目前国际上普遍采用的方法。由于可以在大面积玻璃上溅射金属合金层，成份可以精确控制;后硒化材料可以采用固态的硒源，避免了剧毒的H2Se气体，制备的薄膜性能优良，大面积电池组件的效率可以达到13-15，非常适合大面积开发。现在已经成为国际上普遍接受的产业化方法。,蒸发法简介,磁控溅射法制备金属预制层的基本原理可以归纳如下:溅射时通入少量惰性气体(氢气)，利用气体辉光放电产生氢离子Ar。Ar+在电场的加速作用下，离子能量得到提高，加速飞向金属靶材，高能量离子轰击靶表面，溅射出Cu、In、Ga离子。溅射出的粒子沉积在基片表面，基片是在玻璃上沉积Mo形成的底电极，这样就形成铜锢嫁(CIG)金属预制层。,蒸发法简介,后硒化法最关键的一步，是对制备的金属预制层进行高温硒化，形成CIGS吸收层。现在研究较多的硒化方法，主要是在真空或氢气环境下使Se在高温条件下蒸发，产生Se蒸汽，使其和预制膜反应。这一方式可避免使用剧毒的H2Se气体。,五、CdTe电池,CdTe为基体的薄膜光伏器件，在光伏科技界具有极大的吸引力。CdTe已成为人们公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。CdTe多晶薄膜太阳电池转换效率理论值）在室温下为27%，目前已制成面积为lcm2效率超过15%的CdTe太阳电池，面积为706cm2的组件，效率超过10%。,薄膜材料的制备方法,制备CdTe薄膜方法主要有：（1）CSS(close-space-sublimation)，（2）电镀，（3）丝网印刷，（4）化学气相沉积CVD，（5）物理气相沉积PVD，（6）MOCVD（7）分子束外延MBE（8）ABE，（9）喷涂，（10）溅射，（11）真空蒸发，（12）电沉积等。,其具体工艺过程为:首先将高纯度CdS(SN)粉末用玛瑙体研磨成十分均匀的细微颗粒，加入10%(wt)的CdCI，(助熔剂)，用丙二醇调制成一定粘度的CdS浆料。然后，用丝网印刷机在200目的尼龙丝网上将CdS浆料印刷在清洗干净了的玻璃衬底上，将印刷了CdS的基片在烘箱中烘干(120)一个小时，在一个大气压的N:气中烧结约半小时，烧结温度为690。其次，在CdS层上印刷烧结Cd层,最后，制备连接电极。如同印刷CdS和CdTe一样，将碳膏印刷在已经烧结了的CdTe层上，400下N:气氛中烧结30min后，在CdTe上形成碳电极。然后，在碳电极上印刷Ag浆作为引出电极，在CdS层上印刷栅状掺In的Ag浆，并在200下烘干形成引出电极。然后利用导电胶粘结引线，得到一个CdS/CdTe太阳能电池单元。,六、电池的发展现状与趋势,我国非晶硅电池研究在上世纪80年代中期形成了高潮，30多个研究组从事研究。实验室初始效率为810；80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国Chrona公司引进了1MW生产能力的单晶非晶硅生产线，稳定效率为34；2000年后，以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜电池研究列入国家“973”项目，我国非晶硅电池研究又进入了一个新的研究阶段。目前初始实验室效率810，稳定效率为8左右。,六、电池的发展现状与趋势,*化合物半导体薄膜电池GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁带宽度在11.5eV与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚度就能吸收阳光的绝大部分。GaAs电池主要用于空间，CdTe和CIS电池被认为是未来实现低于1美元目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。,六、电池的发展现状与趋势,（1）CdTe电池CdTe是族化合物，Eg=1.5eV,理论效率为28，性能稳定，一直被光伏界看重。工艺和技术：近空间升华，电沉积，溅射，真空蒸发，丝网印刷等；实验室电池效率16.4商业化电池效率平均810CdTe电池90年代实现了规模化生产，但市场份额不是很大。,六、电池的发展现状与趋势,我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初内蒙古大学蒸发技术北京太阳能研究所电沉积技术，1983年效率为5.890年代后期四川大学近空间升华，“十五”期间，列入国家“863”重点项目，并要求建立0.5兆瓦/年的生产线；电池效率达到13.38,六、电池的发展现状与趋势,(2)CIGS电池CIGS是族化合物半导体，带隙为1.04eV70年代中后期波音公司真空蒸发，电池效率达到9；80年代开始，ARCOSolar公司处领先地位；90年代后期，NREL保持世界记录，19.5,六、电池的发展现状与趋势,我国南开大学、内蒙古大学和云南师范大学等单位于80年代中后期先后开展了CIS薄膜电池研究，南