薄膜太阳能电池的原理、制备方法、微观结构及光电性能

1、 北京航空航天大学Beihang University20132014学年薄膜材料工程学课程报告学 号SY1301234 专业名称材料科学与工程 学生姓名余志国 导师姓名李岩教授 2014年 1月薄膜太阳能电池的原理、制备方法、微观结构及光电性能摘要：本文主要阐述了薄膜太阳能电池的原理、制备方法、微观结构及光电性能的研究，并且综述了近年来国内外薄膜太阳能电池的研究现状及进展，并对薄膜太阳能电池以后的发展趋势进行了展望。关键词：太阳能电池，薄膜，非晶硅 一、引言石油燃料作为一种能源的应用正在年复一年地引起全球环境恶化的许多严重问题。由于燃料的消耗, 大气中CO2 浓度正以每年1PPm的速率在上升

2、, 因此加剧了地球大气PPm 的“温室效应”并导致种种变态现象。如果这种情况持续不衰, 那么在不远的将来, 我们将在全世界范围内面临严重的危险。另外, 石油燃料的储藏量也是有限的, 预计在下世纪内将被耗尽。面对这种情况, 作为一种无限的清洁能源-太阳能的应用正在日益引起关注, 可将阳光直接转换为电的太阳能电池的研制已得到迅速的发展。典型的太阳能电池本质上是一个半导体二极管(p-n结)，它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换为电能1。当太阳光照射到半导体二极管p-n结上并被吸收时，其能量大于半导体材料禁带宽度E的光子能把价带中的电子激发到导带上去，同时价带中留下带正电的空穴，即形成了电子一空穴对，通

3、常称其为光生载流子。这些光生载流子在P-N结内建电场作用下迅速分离，电子被扫到电池的N型一侧，空穴被扫到电池的P型一侧，从而在二极管的两侧分别形成了正负电荷积累，并产生了“光生电压”，这就是所谓的“光伏效应”(Photovoltaic effect)。若在P-N结两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”通过，即得到可利用的电能，典型的太阳能电池就是根据这个基本原理工作的2。目前开发的太阳能电池的种类很多。但其光电转换效率普遍偏低，特别是对于军事装备、航空航天等军事与空间应用领域，光电转换效率是太阳能电池最重要的指标。为了提高光电转换效率，人们在以下几个环节上作了不懈的努力。不断研究开发

4、新的高效太阳能电池材料，改进和开发新的太阳能电池材料的制备技术，进而改进材料本身结构性能来提高太阳能电池材料的光电转换效率。优化器件结构，包括3个方面：(1)对太阳能电池表面挡板玻璃采用减少反射、增加透射；改进透明电极在太阳光整个谱段的透过率，从而减小太阳光辐射在电池表面的反射损耗。(2)在电池的受光面进行光谱波段转换，让电池敏感波段光透过而被电池吸收，其它非敏感波段光通过转换变成敏感波段光再被电池吸收。或采用可见光红外光叠层电池结构以及多个p-n结叠层电池结构等，从而尽可能地将太阳光谱利用起来。(3)增加入射光在电池吸收层内的传输距离3。本文介绍几种常见的薄膜太阳能电池的国内外研究进展，并对

5、太阳能电池未来的发展趋势进行了展望。 二、国内外研究进展及评述2.1非晶硅薄膜太阳能电池 相对于单晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。(1)非晶硅的光吸收系数大，因而作为太阳能电池时，薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时，要小得多；(2)相对于单晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单，制造过程能量消耗少；(3)可实现大面积化及连续的生产；(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底，因而容易降低成本；(5)可以做成叠层结构，提高效率。自1976年美国的Carlson和Wronski制备出第一个非晶硅

6、太阳能电池以来，非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高，成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中，非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件，且价格便宜，市场占有率逐年增加。它能应用在如计算器、手表等弱光电池市场，也能应用在微波中继站、光伏水泵等电源及功率领域。非晶硅薄膜主要由气相沉积法制备，目前，普遍采用的是等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。在PECVD法沉积非晶硅薄膜的方法中，一般原料气采用SiH4和H2，制备非晶硅薄膜叠层电池时则采用SiH4和GeH4，在沉积过程中，加入B2H5或PH2。可

7、实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe薄膜。 目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.24，但单结非晶硅薄膜太阳能电池不能完全利用太阳能，只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能，因此采用分波段利用太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势，它能使太阳光谱中波长最短的光被最外边的窄隙材料电池利用，同时波长较长的光能够投射进电池中被较窄能隙材料电池利用，最大限度地将光能转化为电能。因此使用不同禁带宽度的i层来做成多结的PIN结构如两结或三结电池，可以更有效地吸收太阳能光谱以提高电池效率。常规的叠层电池结构主要为a-Sia-SiGe、a-S

8、ia-Sia-SiGe、a-Sia-SiGea-SiGe、a-SiCa-Sia-SiGe等。如Sanyo公司a-Sia-SiGe(1200cm2)并联组件的稳定效率达到955。目前报导过单结电池的最高稳定效率>86，双结电池>9.5，三结电池>10。但实际上大多数销售的太阳能电池效率都往往低于这些数据，比如市场上销售的单结电池效率只有45。目前非晶硅太阳能电池占市场上销售量的5，但市场分量在不断增长。非晶硅太阳能电池主要的制造商包括BP Solarex，Sanyo，Intersolar，Kaneka，Fuji Electric，ASE GmbH及United Solar Sy

9、stems Corporation(USSC)。Sanyo公司研制出一种新型的HIT电池，在这种电池结构中，非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两面上，100mm×l00mm大小的该电池效率可达21，800mm×1200mm大小的该电池效率可达1847，尽管该结构的电池效率得到大幅度的提高，但成本仍然较高。但同时非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。(1)由于Staebler-Wronski效应的存在8，使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减，从而导致整个电池效率的降低；(2)沉积速率低，影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产；(3)后续加工困难，如Ag电

10、极的处理问题；(4)在薄膜沉积过程中存在大量的杂质，如02、Nz、C等，影响薄膜的质量和电池的稳定性9。非晶硅薄膜太阳能电池的下一步研究主要有以下几个方向：其一是采用优质的底电池i层材料；其二朝叠层结构电池发展；第三是在保证效率的条件下，开发生产叠层型非晶硅太阳电池模块技术；最后使用便宜封装材料以降低成本。2.2染料敏化纳米Ti02薄膜太阳能电池(DSC电池)Gratzle10等以纳米多孔Ti02膜为半导体电极，以有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质，发展了一种纳米薄膜太阳能电池，终于在1991年取得突破，在太阳光下其光电能量转换效率达7.1，入射光子-电流转换效率大于80。从此，对各

11、种纳米薄膜电极及敏化的纳米薄膜电极光电化学太阳能电池的研究迅速开展起来。1998年GraetZle小组的实验有了突破性的提高，其全固态敏化太阳能电池的单色光转化效率达到了33，受到了全世界的瞩目11。目前国内固态染料敏化太阳能电池报道较少，中科院感光所和北京大学的有关研究机构在电池中使用了聚吡咯，使总光电转换效率达到1.3，但他们仍然同时使用了液态电解质。另外，许多在有机电致发光中用到的空穴传输材料如芳香族苯胺化合物也可以用于太阳能电池中，其它的象腙类化合物、氮硅烷类化合物和众多的杂环衍生物也都可以用作空穴传输材料12。20世纪90年代中期，北京大学和中科院等科研机构和高等院校开始该项技术的研

12、究。中国科学院自1994年起就组织了“九五”基础预研项目、应用开发重点项目对DSC电池进行探索性研究。空穴传输体系的选择，因为主要采用透明的空穴传输材料，清华大学化学系邱勇教授在这领域有着比较先进的研究成果，中科院感光所和北京大学也有一些研究。中科院合肥等离子体研究所王孔嘉教授领导的课题组承担了国家“973”计划燃料敏化Ti02薄膜太阳能电池的项目，在世界实验室再生能源项目支持和资助下，与澳大利亚STA公司和瑞士洛桑高等工业学校Gratzle教授合作，在电池密封和电极制作上取得了长足的进步，并与国际保持同样的研究水平，特别是在染料敏化材料研究E有比国外同行更先进之处，已得到国外同行的认同和证实

13、。2.3 Poly-Si薄膜 由于非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应(S-W效应)导致了非晶硅薄膜太阳能电池效率的衰减，因而多晶硅薄膜作为一种性能相对更好的材料应用于太阳能电池。多晶硅(poly-Si)薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。它在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，且具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为高效、低耗的最理想的光伏器件材料13。近些年来，多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。因为多晶Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和多晶Si体电池的高转换效率和长寿命等优点，同时材料制备工艺相对简单。多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组

14、件的成本得到更大程度的降低，从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争14。现在一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为1214，其产量占硅太阳能电池的50左右，是太阳能电池的主要产品之一。澳大利亚新南威尔士大学，采用热交换法生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池，转换效率达到18215，后来，通过对工艺的改进，使其电池转换效率达到198(1cm2)，日本京工陶瓷公司研制的15cm×15cm的多晶硅太阳能电池转换效率也达到了1716。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

15、幅度下降，明显地降低了电池成本。它要求多晶硅薄膜的厚度在515m，且薄膜的宽度至少是厚的1倍，同时要求衬底具有机械支撑能力，要有良好的背电极，还需要对背表面进行钝化17。现在研究较多的是在低温下(<600)如何制备多晶硅薄膜，这样就可以使得多晶硅薄膜沉积在如玻璃等廉价衬底上成为现实。按成膜过程可将制备方法分为两大类：一类是先制备非晶态材料，再固相晶化为多晶硅；另一类是直接在衬底上沉积多晶硅薄膜。第一类也被称为固相晶化法，它可以利用硅烷等原料气体，在PECVD设备中沉积a-Si薄膜，再通过热处理将a-Si薄膜转化为多晶硅薄膜。在该类方法中，金属诱导法的前景较好，它是利用a-Si与特定金属(

16、如A1、Ni、Pd等)相接触时18，可以大大降低a-Si晶化的温度，从而可以在低于600的条件下，在普通的玻璃衬底上制备多晶硅薄膜。后一类方法即直接沉积多晶硅薄膜，可以利用热丝化学气相沉积法或是采用诸如卤硅化合物等新的原材料来沉积多晶硅薄膜19。多晶硅薄膜太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究还不够深入，膜生长技术还在探索，以及薄膜多晶方式在原理上的研究还在探讨阶段，致使多晶硅薄膜电池还处于开发阶段。在国外，澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程20，通过近8年的努力，已经进入了商业化试验。在国内

17、，研究工作才起步，我国河北保定英利集团生产的太阳能电池多晶硅电池片效率已达1521。三、结论以薄膜太阳能电池为代表的太阳能光伏技术能够利用太阳能为人类提供大规模、安全、环保的电能资源。可以设想在未来，所有的建筑物上都结合了高效的能源设计方案并且利用可再生能源而不需要消耗额外的不可再生能源。太阳能发电同时也可以用来电懈水，产生汽车所用燃料电池所需的氢。在不久的未来，太阳能光伏技术产品所产生的电能价格将可以与传统电能价格竞争。作为一种产业，太阳能光伏技术也需要政府政策的支持以及消费者观念上的改变，从而使其能够迅速发展起来。而太阳能光伏技术的研究和发展将继续关注在新材料、电池设计、新的制备方法等方面

18、以推动太阳能电池材料及相关产品的发展，同时也是作为一种技术支持来推动整个产业的发展。不断投入的研究势必会降低生产成本，从而满足未来消费者对能源的不断需求。四、参考文献1Wei C，Lianghuan F，et ak Produce technology of CdTe thin film modules and design of manufacture lineJPhotovoltaicEnergy Conversion，2006，5852 Kushiya K，Tanaka Y，et aL Intedace control to enhance the sill factor over 0.

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