第四章薄膜太阳电池

1、第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v4.1概述概述v薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数形成可产生电压的薄膜厚度仅需数m，因此在同，因此在同一受光面积之下可较硅晶太阳能电池大幅减少原一受光面积之下可较硅晶太阳能电池大幅减少原料的用量料的用量(厚度可低于硅晶太阳能电池厚度可低于硅晶太阳能电池90%以上以上)，目前转换效率最高可以达目前转换效率最高可以达13%，薄膜电池太阳电，薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成

2、池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造，其应用范围大，可与建筑物结合或非平面构造，其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沉积则可使用各式各样的沉积(deposition)技术，技术，一层又一层地把一层又一层地把p-型或型或n-型材料长上去。型材料长上去。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v薄膜太阳电池产品应用薄膜太阳电池产品应用v 半透明式的太阳能电池模块：建筑整合式太阳能应用半透明式的太阳能电池模块：建筑整合式太阳能应用(BIPV) v 薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事

3、、旅行薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事、旅行 v 薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防应、国防 v太阳能电池厚度比较太阳能电池厚度比较v 晶硅晶硅(200350m)、非晶性薄膜、非晶性薄膜(0.5m) 第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池薄膜太阳能电池的特色薄膜太阳能电池的特色1.相同遮蔽面积下功率损失较小相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下弱光情况下 的发电性佳的发电性佳) 2.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少 3.有较佳的功率温度系数有较佳的功率温度系数 4.较佳

4、的光传输较佳的光传输 5.较高的累积发电量较高的累积发电量 6.只需少量的硅原料只需少量的硅原料 7.没有内部电路短路问题没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内联机已经在串联电池制造时内建建) 8.厚度较晶圆太阳能电池薄厚度较晶圆太阳能电池薄 9.材料供应无虑材料供应无虑 10.可与建材整合性运用可与建材整合性运用(BIPV)第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池薄膜太阳电池的分类图薄膜太阳电池的分类图薄膜太阳电池薄膜太阳电池硅系薄膜太阳电池硅系薄膜太阳电池非晶非晶/微晶太阳电池微晶太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池硅薄膜硅薄膜/单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池三结（叠层）非三结（叠层）

5、非/纳米晶硅纳米晶硅双结（叠层）非双结（叠层）非/微晶硅微晶硅单结非晶硅太阳电池单结非晶硅太阳电池化合物薄膜太阳电池化合物薄膜太阳电池铜铟（镓）硒太阳电池铜铟（镓）硒太阳电池碲化镉太阳电池碲化镉太阳电池硫化镉太阳电池硫化镉太阳电池铜铟（镓）硒太阳电池铜铟（镓）硒太阳电池铜铟硒太阳电池铜铟硒太阳电池非晶非晶/单晶硅异质结单晶硅异质结纳米晶纳米晶/单晶硅异质结单晶硅异质结v 自自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。v 1

6、976年：年：RCA公司的公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，采报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，采用了金属用了金属-半导体和半导体和p-i-n两种器件结构，当时的转换效率不到两种器件结构，当时的转换效率不到1%。v 1977年：年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。v 1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。v 1980年：年：ECD公司作成了转换效率达公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池，采用的非晶硅太阳能电池，采用的是金属的是金属-绝缘体绝缘体-半导体（半导体

7、（MIS）结构；同年，日本三洋公司向市场推出）结构；同年，日本三洋公司向市场推出了装有面积为了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。v 1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。v 1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。机等商品。v 1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。非晶硅太阳电池的发展历史1、低成本、低成本

8、v 硅材料用料少，可充分吸收光，单晶要硅材料用料少，可充分吸收光，单晶要200厚，非晶厚，非晶1厚（非晶硅厚（非晶硅光吸收系数大）光吸收系数大）v 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约约RMB3.5-4（效率高于（效率高于6%）v 且晶体硅太阳电池的基本厚度为且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差，相差200多倍，大多倍，大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电

9、池成本规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的的65-70%，在中国，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到RMB22以上。以上。v 从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能从原材料供应角度分析，人类大规模使用阳光发电，最终的选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池，别无它法！2、能量返回期短、能量返回期短v 转换效率为转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电度电/瓦，由它瓦，由它发电后返回的时间约为发电后返回的时间约为

10、1.5-2年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。年，这是晶硅太阳电池无法比拟的。非晶硅薄膜太阳电池的优点非晶硅薄膜太阳电池的优点v 3、大面积自动化生产、大面积自动化生产v 目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的的KAI-1200 PECVD 设备生产的设备生产的1100mm*1250mm单结晶非晶硅太单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率高于阳电池，起初是效率高于9%。其稳定输出功率接近。其稳定输出功率接近80W/片。片。v 商品晶体硅太阳电池还是以商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和和125mm*125mm为主。为主。v 4、

11、高温性好、高温性好v 5、弱光响应好、弱光响应好(充电效率高充电效率高)v 6、材料用料少、材料用料少 约约1厚，不需切片，材料浪费少。厚，不需切片，材料浪费少。v 7、工艺简单、工艺简单 CVD法制造，高频辉光放电分解硅烷，掺杂，法制造，高频辉光放电分解硅烷，掺杂，N型，型，PH3，P型，型，B2H6v 8、基板种类多、基板种类多 玻璃玻璃 、不锈钢、不锈钢 、高分子薄板、陶瓷。、高分子薄板、陶瓷。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v4.2.1非晶硅薄膜非晶硅薄膜v4.2.2非晶硅太阳电池结构非晶硅太阳电池结构第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v 非晶硅太阳能电池的结构最常采用的是非晶硅

12、太阳能电池的结构最常采用的是p-i-np-i-n结构，而不是单晶硅太阳结构，而不是单晶硅太阳能电池的能电池的p-np-n结构。这是因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，结构。这是因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的p+p+和和n+n+材料形成材料形成p+-n+p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较

13、高，少子寿命低，电池的性能会很差。因此，通常在两个重掺杂层当高，少子寿命低，电池的性能会很差。因此，通常在两个重掺杂层当中淀积一层未掺杂的非晶硅层。中淀积一层未掺杂的非晶硅层。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v 非晶硅叠层电池对于单结太阳能电池，即便是用晶体材料制备的，其非晶硅叠层电池对于单结太阳能电池，即便是用晶体材料制备的，其转换效率的理论极限一般在转换效率的理论极限一般在AM1.5AM1.5的光照条件下也只有的光照条件下也只有25%25%左右。这是左右。这是因为，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能因为，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己

14、带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热。转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热。这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。v 为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域，阳光

15、谱分成几个区域， 用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，电池， 使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示，使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。这样结构的太阳能电池称为叠层电池。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池 叠层电池的转换效率主要受光生电流的限制，叠层电池的转换效率主要受光生电流的限制，因此，叠层电池设计和实现的关键问题是合理选因此，叠层电池设计和实现的关键问题是合理选择各子电池择各子电池i层的能隙宽度和厚度，以获得最佳电层的能隙宽度和厚度，以

16、获得最佳电流匹配，使转换效率最大。同时也要控制各个掺流匹配，使转换效率最大。同时也要控制各个掺杂层的厚度，以减少其对入射光子的吸收，也减杂层的厚度，以减少其对入射光子的吸收，也减少光生载流子在这些缺陷密度较高的薄层中的复少光生载流子在这些缺陷密度较高的薄层中的复合损失。合损失。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v3.3其他薄膜太阳电池其他薄膜太阳电池v4.3.1纳米硅及多晶硅薄膜太阳电池纳米硅及多晶硅薄膜太阳电池v1.纳米硅薄膜太阳电池纳米硅薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v4.3.2化合物薄膜太阳电池化合物薄膜太阳电池v所谓化合物半导体是由两种以上元素的化合物构所谓化合物半

17、导体是由两种以上元素的化合物构成的半导体，根据它们在周期表上的位置大致可成的半导体，根据它们在周期表上的位置大致可分为分为III-V族、族、II-VI族、多元系等。族、多元系等。v1、III-V族太阳能电池 在化合物半导体太阳能电池中，研究的最多的在化合物半导体太阳能电池中，研究的最多的是是III-V族的族的GaAs太阳能电池。由于太阳能电池。由于GaAs的带的带隙比隙比Si大，具有与太阳光光谱相当一致的光谱特大，具有与太阳光光谱相当一致的光谱特性，因而从光谱响应角度来说，它更适合于做太性，因而从光谱响应角度来说，它更适合于做太阳能电池，工作温度也比阳能电池，工作温度也比Si高。目前，在所有太

18、高。目前，在所有太阳能电池中，阳能电池中， GaAs太阳能电池的转换效率最高。太阳能电池的转换效率最高。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池 GaAs太阳能电池更多的是采用多层异质结结构，太阳能电池更多的是采用多层异质结结构，并利用不同带隙的材料形成叠层电池。并利用不同带隙的材料形成叠层电池。v2、II-VI族太阳能电池族太阳能电池 II-VI族半导体化合物太阳能电池中，目前转族半导体化合物太阳能电池中，目前转换效率最高的是换效率最高的是n型硫化镉型硫化镉(CdS)和和p型碲化镉型碲化镉（CdTe)组成的太阳能电池。这种电池的优点是组成的太阳能电池。这种电池的优点是从从pn结到电极全部可以用丝

19、网印刷和烧结制成，结到电极全部可以用丝网印刷和烧结制成，制造方法简单，制造成本控制的很低，转换效率制造方法简单，制造成本控制的很低，转换效率可达可达13.9%，但同其它许多化合物太阳能电池一，但同其它许多化合物太阳能电池一样，有镉（样，有镉（cd）引起的公害问题，所以至今不能）引起的公害问题，所以至今不能广泛普及。广泛普及。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v相对于单晶体，利用多晶半导体材料可以得到低相对于单晶体，利用多晶半导体材料可以得到低成本太阳能电池。但是如前所示，成本太阳能电池。但是如前所示，III-V族化合物族化合物即使晶粒大小在即使晶粒大小在10微米时，其转换效率也只有微米时，其

20、转换效率也只有10%左右。而左右。而II-VI族材料在相同的晶粒大小下，族材料在相同的晶粒大小下，转换效率可以很高，并且其比较容易得到大面积转换效率可以很高，并且其比较容易得到大面积薄膜材料。所以在低成本太阳能电池研究方面得薄膜材料。所以在低成本太阳能电池研究方面得到关注。到关注。第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳电池v 3.铜铟硒（铜铟硒（CIS）和铜铟镓硒（）和铜铟镓硒（CIGS）太阳电池）太阳电池v CIS(CopperIndiumDiselenide)或是或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都都属于属于化合物半化合物半导体导体。這。這两种两种材料的吸

21、光材料的吸光(光光谱谱)范围很广范围很广，而且，而且稳稳定性也定性也相当好相当好。转换转换效率方面，若是利用聚光效率方面，若是利用聚光装装置的置的辅辅助助，目前，目前转换转换效率已經可效率已經可达达30%，标准环境标准环境下最高也已下最高也已经经可可达达到到19.5%，足以媲美，足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换单晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面效率。在大面积制备积制备上，上，采用柔性塑料采用柔性塑料基板的最佳基板的最佳转换转换效效率也率也已经达已经达到到14.1%。由。由于稳于稳定性和定性和转换转换效率都已效率都已经经相相当优异当优异，因此被，因此被视为视为是是未来最有发展潜力未来最有发展潜力的薄膜的薄膜太阳能电太阳能电池种类池种类之一。之一。 第四章薄膜太阳电池第四章薄膜太阳