日本太阳能电池的最新开发动向

1、本文由【中文word文档库】 搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档日本太阳能电池的最新开发动向陕西科技大学 韩讲周（编译）太阳能电池与地球环境、能源问题息息相关。2004年其产量已经超过1GW，还在进一步发展。占太阳能电池产量90%的晶体硅电池也有薄型化的趋势。另一方面，制作太阳能电池的硅原料已严重不足，急需开发新产品代替晶体硅电池，现在已开发出的有薄膜硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、有机膜太阳能电池、色素感光太阳能电池等。本文对各类型太阳能电池开发的动态，逐一进行介绍。一、 阳光发电技术分布图与开发动向京都议定书

2、已于2005年2月生效，这表明人们对地球环境、能源问题非常关心。1990年的温室效应，使日本决定每年将排气量削减6%，这样就会对阳光、风力等自然能源的期待越来越高。新能源·产业技术综合开发机构（NECO）计划的2030年太阳能发电分布图（PV2030）是2004年6月制定的。PV2030设想到2030年将扩大太阳能的利用。家用电力有一半即占整个电力的10%将来自太阳能。其他多晶Si单晶Si单晶Si2003年其他材料生产量带状Si现状市场出售的多晶硅太阳能电池的转换率：13%15%日本拥有量2002年637MW（全世界是1,328MW）太阳光发电系统价格:203万日元(发电成本换算是4

3、5日元/kWh)图1 太阳能电池年生产量的变化其他美国为了达到上述目标，计划分阶段进行，即到2010年发电成本降到23日元/kWh；2030年普通用电费用将低于7日元/kWh。因此，现在是以晶体硅为主，到2010年，还会有薄膜硅太阳能电池、以及铜（Cu）、铟（In）、硒（Se）即（CIS）类薄膜太阳能电池加盟，正式投入市场。2010年转化效率的目标值，晶体硅电池是16%、薄膜硅电池是12%、CIS类电池是13%、色素感光电池是6%。2030年转化效率的目标值是晶体硅电池达到22%、薄膜硅电池达到18%、CIS类电池达到22%、色素感光电池达到15%。本文对上述各种太阳能电池的市场情况及太阳能电

4、池的开发动向进行具体介绍。现在太阳能电池市场上结晶Si电池占90%以上。但结晶Si材料短缺，电池本身还存在晶片的薄型化等问题，以薄膜太阳能电池为首的新型太阳能电池，已经开始进行商品化研究。无论如何都会达到PV2030的。多晶Si近年来太阳能电池产量增加速度惊人。图1是太阳能电池年生产量的变化情况，可以看出太阳能电池的生产量一般，相对于2001年的增长率，2002年至2003年是34%、2003年至2004年达到57%。2004年产量为1,180MW，已经超过1GW。图1显示现有生产太阳能电池的各材料占的比例，包括单晶和多晶的晶体硅太阳能电池占太阳能总产量的90%以上。生产企业有夏普、京瓷、三菱

5、电机、三洋电机，分别占世界太阳能电池生产量的第一、第二、第三、第五位。这4个公司生产的太阳能电池占世界产量的一半以上。随着太阳光发电技术的进展，日本太阳能电池制造业的发展也是惊人的。硅原料非常短缺是制造业面临的大问题，直至今日，太阳能电池用的硅原料是LSI等半导体产业用剩下的材料或次品、废品。最近几年随着太阳能电池生产量的迅速增长，硅原料供不应求，已经影响到太阳能电池的生产。由于受硅原料的影响，预计2005年太阳能电池的产量与前一年度相比，增长率还不到20%。为了解决硅原料不足，除了完备太阳能电池生产专用设备外还要对原材料进行有效利用，并发展其它类型的太阳能电池。对按太阳能电池的级别来使用硅原

6、料的各种方法进行研究，公司研究的VLD（vapor to liquid deposition）法引人注目。公司2005年底的年生产能力是200t/年。VLD法在实践中得到验证，现已开始着手建设大规模的生产工厂。用VLD法制作的硅原材料中碳（C）浓度是传统半导体用硅原料的10倍，重金属浓度则高了数倍，用得到的硅原料制作太阳能电池，太阳能电池的使用寿命、效率与用传统硅原料制作的太阳能电池相同。对硅原料有效利用的方法还有：现在晶片的厚度是200300m，希望晶片的厚度更薄一些。对晶块线切割工序中的脱离方法进行研究，如：剥离下一片硅材料，放上一片价格低廉的陶瓷基板。也对高温化学气相成长法（CVD）进行

7、了研究。立命馆大学和-21、京瓷等提出用球状硅可以有效的利用硅原料。该方法是在10m高的塔内，将熔融的硅由喷嘴喷出，形成直径为1mm的球状硅，该球状硅具有成型规整的特点。用该方法可以防止线切割晶块时产生废品，有效的利用了硅原料。还有澳大利亚国立大学报道的SLIVER法，SLIVER法是用短栅状厚度为50m的硅制作太阳能电池，此方法也是为了有效利用硅原料。另外，除了晶体硅太阳能电池以外，已有批量生产的其它太阳能电池，如非晶体状硅（a-Si：H）膜、微晶体硅（c-Si：H）膜太阳能电池；CIS膜制成的化合物太阳能电池。二、 晶体硅太阳能电池象前述那样目前晶体硅太阳能电池产量占全世界太阳能电池产量的

8、90%以上，晶体硅太阳能电池是由单晶硅或多晶硅制成的。倒锥形结构电极氧化膜氧化薄膜背面电极双层防反射涂层图2 PERL太阳能电池的结构晶体硅电池一般是电阻率为0.52cm的P型晶体硅片，为了封闭住光将硅片做成凸网状，然后扩散磷（P）形成pn结，再在n层上制作防反射膜，用丝网印刷的方法在受光面上制作银（Ag）电极，在背光面制作铝（Al）电极。多晶体的防反射膜，近年来是用真空工艺制作的氮化硅（SiNx）膜；单晶体的防反射膜用氧化硅（SiO2）膜、氧化锑（TiO2）膜时所有工序可以不用真空工艺，制作成本较低。晶体硅太阳能电池转换率高，据New South Wales大学报道的PERL（passiva

9、ted emitter, rear locally-diffused）太阳能电池非常有名。PERL太阳能电池的结构见图2。1999年时，其转换率为24.7%，接近晶体硅太阳能电池理论界限值。三洋电机开发的HIT（heterojunction with intrinsic thin-layer）太阳能电池，转换率是19.5%，是批量生产中世界最高的，研究开发的转化率可达到21.5%。这种太阳能电池具有在n型硅片上用低温形成a-Si：H的i层同时形成p层的特点，由于pn界面形成的a-Si：H层是固有的，所以界面形成良好，有望得到高转化率。HIT太阳能电池在高温下比普通太阳能电池性能优异，温度模拟实

10、验证实在高温盛夏时发电量可增加10%。(a) 频带图解波长(b) 量子效率的波长依存关系图3三种系列太阳能电池晶体硅太阳能电池硅片薄形化的问题在前文也已叙述过了，但薄形化要求对传统的工艺进行改进。薄形化中生成的光载体，表面再结合问题最突出，降低载体表面再结合速度，要求有良好的钝化技术。另外丝网印刷会产生硅片弯曲的问题，开发弯曲小的电极用油墨正在进行之中。晶体硅太阳能电池研究开发课题还包括对有多个面的多晶体硅片能否形成均一凸网状的干腐蚀技术、低频等离子化学气相成长（PECVD）法SiNx防反射膜形成技术等。近年来随着环保意识的提高，使用无铅电极用膏状材料的报道越来越多。三、薄膜硅太阳能电池(a)

11、 频带图解波长(b) 量子效率的波长依存关系图3三种系列太阳能电池用a-Si：H膜、c-Si：H膜制作薄膜硅太阳能电池，因近年来晶体硅太阳能电池用原材料的不足而得以迅速发展。三菱重工业已批量生产世界上最大尺寸的玻璃基板（1.1×1.4m）。已有串联型太阳能电池效率达到15%记录的公司也已批量生产透明型太阳能电池。还有富士电机公司已批量生产的以聚酰亚胺为基材的挠性太阳能电池。薄膜硅太阳能电池存在的问题也很多，但太阳能电池的系列可以试验光谱利用范围。现已有将短波段的a-Si：H与微结晶硅化锗（c-Si1-xGex：H）结合，改善感光度的报道。图3是a-Si：H/c-Si：H/c-Si1-

12、xGex：H三种系列太阳能电池的频带图解和量子效率的波长依存关系。另外还开发封闭接收光好的太阳能电池透明电极用氧化物材料、光学设计已成为薄膜硅太阳能电池高效率化不可缺少的主要技术。a-Si：H的光劣化现象在四分之一世纪前就被发现，计划用三极管法控制高次硅烷（SiH4）的涉入来大幅度地减少其光劣化。批量生产的薄膜硅太阳能电池，大面积化、和c-Si：H层制膜速度的高速化是非常重要的。目前用PECVD设备制作的可均一堆积的方形膜尺寸已超过了2m。液晶显示产业，也制成能在超过2m的玻璃基板上制作a-Si：H薄膜晶体管（TFT）的第8代PECVD设备，但pin各层堆积的大小不同，p层及n层的厚度与i有很

13、大的差异或者所使用的基板厚度不同，薄膜硅太阳能电池用的PECVD设备本身也有许多问题，期待着进一步研究开发。另外，c-Si：H层用的底晶材料是制作系列太阳能电池不可缺少的材料，为了使光吸收系数变小，底晶材料的厚度应为数m。另一方面，随着制膜速度的增加，膜的质量变差，c-Si：H膜高速堆积成为大问题。但是，随着气压的增高，可以使SiH4枯竭。即高压枯竭法，估计可以解决此类问题。制膜气压增高时，估计减少了离子之间的冲击，达到SiH4枯竭条件，可以控制与SiH4在气相下反应的氢（H）原子的消耗。前者对制作低缺陷高质量的c-Si：H膜是非常重要的。后者起着促进结晶化，控制氢（H）原子消耗的作用。而且使

14、高压枯竭很容易实现的用多孔负极的PEVCD法也已经开发出来了，用该方法可以获得堆积速度为8nm/s缺陷密度是5×1015cm-3良好c-Si：H膜。四、化合物薄膜太阳能电池化合物薄膜太阳能电池有碲化镉（CdTe）系和CIS系。现在日本正在开发的是CIS系。CIS系薄膜太阳能电池为了能达到最适宜的1.3eV禁带宽度，如果用钙（Ca）置换一部分In，称之为CSGS薄膜太阳能电池。2005年昭和CL石油公司与本田技研工业公司共同声明从2007年开始批量生产。目前CIS系太阳能电池面临的问题是如何制作效率高、面积大的模块。另外，以前大多用硫化镉作缓冲层，为了环保，已着手开发无镉（Cd）材料。

15、昭和CL石油公司发表可进行批量生产的太阳能电池的缓冲层是用氧化硫化锌（Zn（O，S，OH）X）代替CdS。最近又有在制膜时有意添加水蒸气来提高电池转换率的报道，其原因估计是用氧（O）补充损耗的Se。太阳能电池也存在原材料In枯竭的问题，将来有可能大批量生产，要研究替代材料的问题。五、有机太阳能电池有机太阳能电池分为湿式色素感光太阳能电池和固体有机薄膜太阳能电池两类。色素感光太阳能电池最大的问题是电解液蒸发后电池的性能降低。因此，对固体不用说仿固体的电解液进行很多研究。而且已有效率超过10%的高性能色素感光太阳能电池用的是含有钌（Ru）的N719及使用无Black dye（黑染料）的色素，不用稀有元素Ru的有机色素（香豆素色素NKX-2677）