整理DownLoadsFiles太阳能电池及材料研究和发展现状

1、精品文档本文由海原258贡献pdf文档可能在WA嘲浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。第1卷第59期20年9月06浙江万里学院学报JuaoZeagnUirtor1hjnWalneinfiivsyVil5o.N.9o06Sp20e太阳能电池及材料研究和发展现状汪建军，刘金霞（浙江万里学院，宁波350）111摘要：文章介绍了不同材料的太阳能电池，如单晶硅、多晶硅、多晶硅薄膜、非晶硅薄膜、CIeuS2、nCT、染料敏化等太阳电de池主要制备工艺、典型结构与特性.简要说明不同电池商品化生产情况及光伏产业发展趋势.关键词：太阳能电池；高效电池；光伏产业中图分类号：T52Kl收稿日

2、期：20-0-10611文献标识码：A文章编号：1125（0600306200）07-5725作者简介：汪建军，浙江万里学院基础学院实验师；刘金霞，浙江万里学院基础学院副教授.太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源.太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池.太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱.制造太阳能电池料的带宽：材禁度E应在1eW之间.VI13,以1e左佳，好用接型半体，高光.V右为最采直迁移导较的5电转换效率（以下简称“效率”），材料性能稳定，对环

3、境不产生污染，易大面积制造和工业化生产.15年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后用于人造卫星.94经近半个世纪努力，人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力.硅太阳电池于1598年首先在航天器上得到应用.在随后1多年里，空间应用不断扩大，工艺不断改进.002世纪7年代初，硅太阳电池开始在0地面应用，到7。年代末地面用太阳电池产量己经超过空间电池产量，并促使成本不断降低.。年代初，8硅太阳电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大.02世纪80年代中至今，薄膜太阳能电池研究迅速发展，薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路，成

4、为今后太阳能电池研究的热点和主流，并逐步向商业化生产过渡.1不同材料太阳电池分类及特性简介太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等儿大类.开发太阳能电两个关键问池的题就是：提高效率和降低1i市场上的产品,成本.11晶.体硅太阳电晶硅太阳电池体池是P（o是技术、VPtoa）hotc主导优点工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材精品文档精品文档料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率.如发射极钝化、局部背面扩散、激光刻槽埋栅和双层减反膜等

5、，效电在这些实射高池验和理础上发展论基起来的，.12硅基薄.膜太阳电多晶（。一）池硅（yipS薄膜和非晶（S薄太阳电1硅（i膜a）池可以度降大幅低太阳电格池价.多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在PV市场上占据主导地位.非晶硅是硅和氢（1%）的一种合金，具有以下优点：它对阳光的吸收约0系数高，活性层只有1m厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低（20），可直接沉积在玻璃、II约。/C不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产.缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1e,.V对太阳辐射光谱的长波区域不敏感

6、，限制了非晶硅电7池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减（即光致衰退），使电池性能不稳定.74浙江万里学院学报20年906月13化合物半导体薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池主要有铜锢硒（I）和铜锢稼硒.CS（ISdeGA等，们都直隙料，隙度E在1.V之间，有很范围C）G>CT,s它是接带材带宽g6ale具好大太阳光谱响应特性.所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料.asGA带隙宽度15V.e，是非常理想直接迁移型半导体P4V材料，在GA单晶衬底上生长单结电as池效率过2%但价格超5,也高，用于空间ZCSIS池中I和C电所需CSCG薄膜厚1

7、.GIIS,度很小（1）约2,1m吸率达1/.电的隙E为14，间迁型导，了高率只将G替收高0mC池带g.e是接移半体为提效，要a代5IcS0VCS材料中I部分I,n形成Cl_ae（CG）四ul,2简称IS元化合物，G的nXSG掺a目将带隙宽度E调到g1e,而CG电率高3c和CS池由廉高性稳和.V因IS池效【I51SI电于价、效、能定较强的辐力到.G抗射能得各国P界的V重视，最有途新代太阳电非希望成为前一池，常有在未来十年大应用1是S,规模3.-缺点e14n都稀有元素，模生材料来是大规产源受到一定限CT电带隙E为1e,制.de池的：.V光谱响太阳5应与光谱十分吻合，性能稳定，光吸收系数极大，厚度

8、为1m的薄膜，足以吸收大于CT禁带能量的辐射能量ude的9%是理想化合物半导体材料，9,理论效率为3%5011,是公认的高效廉价薄膜电池材料，一直被PV界看重.缺点是C有毒，会对环境产生污染.CT池用在空间等特殊环境.d因此det14染料敏化丁。纳米薄膜太阳电池19年瑞士Gae教授以纳米多孔T:.i291rziti为半导体电极，以ROu络合物作敏化染料，并选用132一/氧化还原电1解质，发展了一种新型的染料敏化T:i纳米薄膜太阳电O池精品文档精品文档(s).S具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定简称DCDC在1以6缺点是液体电。上1.使用解质，来使用不便以

9、对环境影响染敏化T:米化学太阳带及.料i纳O能电池受到国内外科学家的重视.前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点.目2不同材料太阳电池主要制备工艺、典型结构、效率比较分析21单晶硅太阳电池单晶硅太阳电.池制备和加工工艺：一般以高纯度单晶硅棒原料，有的也用半导体碎片或半导体单晶硅的头尾料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒.在电弧炉中用碳还原石英砂制成纯度约9%金级半导体硅，9冶然后将它在硫化床反应器进行化学反使其杂质水应，平低于11,01达到电子级半导体硅要求.将单晶硅棒切成厚约30101m硅片作太阳电池原料片，通过在硅片上掺杂和扩散，硅片上形成了pn结，然后采用丝网印刷

10、法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜，这样，单晶硅太阳电池单体片就制成了.经检验后的单体片按需要规格组装成太阳电池组件(太阳电池板)，用串联和并联的方法构成一定输出开路电压和短路电流.22多晶硅太阳电池浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去昂贵单晶拉制过程，.用纯度低的硅作投炉料，耗料、耗电较小.铸锭工艺主要有定向凝固法和烧铸法两种.定向凝固法：将硅料放在增祸中加以熔融，从增竭底部通上冷源形成一定温度梯度，使固液界面从增锅底部向上移动形成晶锭.烧铸法：选择多晶块料或单晶硅头尾料，破碎后用1氢氟酸和硝酸混合液进行适当腐蚀，用离子水：5冲洗

11、呈中性，并烘干.用石英增祸装好多晶硅材料，加入适量硼硅，放入烧铸炉，在真空状态下加热熔化，熔化后保温2mn0，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后得多晶硅锭.i晶体硅太阳电池典型结构、效率等如表1所示11.7表1国内外高效晶体硅太阳电池比较种类单晶硅面积/2/cm电池结构效率2-21户1.卫0j.1.t1.工J.122x55x倒金字塔结构、双层减反射膜钝化发射极和背面局域化(ELPR倒金字塔、发射区钝化、背场激光刻槽埋栅磷吸杂、双层减反射膜PREL技术PCDSEViN技术凡、4000八90八。7%8%些6ork研究机构德国Fuhf太阳能研究所rnorae精品文档精品文档澳大利亚新南威尔士大学北

12、京太阳能研究所北京太阳能研究所%GoieagI大光伏中心%多硅，5晶5x1澳大利亚新南威尔士大学%1 了刃工.月呀2 J日yr公司本Ksae北京太阳能研究所3 3多晶硅薄膜太阳电池通常的晶体硅太阳电池是在厚度30-01.5人415m的高质量硅片上制成的，实际消耗的硅材料较多.为了节省材料，人们从2世纪7年代中期就开始在廉价的衬底上沉积多晶硅薄膜，00第5期汪建军，刘金霍：太阳能电池及材料研究和发展现状用相对薄晶体硅层作电池激活层.前制备多晶硅薄膜电池工艺方法主要有以下几种：化学气相沉积目（VCD）法；低压化学气相沉积（PVLCD）法；等离子增强化学气相沉积（EVPCD）法；液相外延（P）LE法

13、；快速热CDTV）溅射沉积（S法等.VV（CD法；RPM）CD:艺：以S21SC3SliC2iliaH.,HC或S;i作反应气体，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HSS2SN等.ii,;但研究发在非硅衬底上很难形成较大的晶，0i3现，粒，并且容易粒间形在晶成空隙.解决这一问题办法是先用LCD法在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的PV晶粒，然后再在这层晶粒上沉积厚的多晶硅薄膜.该工艺中区熔再结晶（MRZ）技术无疑是很重要的一个环节.24非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池典型制备工艺：一般用高频辉光放电、PCD等方法.EV制备.辉

14、光放电法是将石英容器抽成真空，充入氢气或氢气稀释硅烷（1S场），用射频电源加热，使硅烷电离形成等离子体.非晶硅薄膜就沉积在被加热的衬底上.若在硅烷中掺入适量氢化磷或氢化硼，可得n型或p型非晶膜.硅中由原子硅非晶于排列缺少结晶规硅的则性，缺陷多为要层与n之间.此，在p层加入较厚的本征层1非晶，硅薄膜电池一般具有p结构.提（Wj效率和改善稳定性，in为了光电通常制备pi帅一ii叠太阳池，层太阳电在制备的p单结能电上再沉积一或多一形成一一层能电叠帅一n池是一in太阳池个个pin的双结或三结非晶硅薄膜电非晶池.硅太阳电池在玻璃（1s衬底上沉积透明膜（C）,gs）a导电TO然后依次用等离应沉p-三子反积

15、-层非晶再1n硅，蒸镀铝（1电光从玻璃入射，电流A）极.池电从导电膜和铝引出，双结非晶硅薄膜电池结构为g精品文档精品文档sTOp-pZOA/1衬底为不锈钢和塑1/i/g,saC-nninA料膜等.增加为了短波区的谱响采用度膜光应，梯层的ai窗口和微晶膜为了一C涂层S硅p层；增加长的谱响采用波区光应，绒面TO绒面多C膜、层背反极（n/g1和多叠构，而光电射电ZO/）带隙层结从提高转换效率表2AAi81.为多晶膜太阳电较,为硅薄硅薄池比h表3非晶膜太阳电.T池及组较件比6:表2多晶硅薄膜太阳电池比较衬底S口.月表3非晶硅薄膜太阳电池及组件比较结构aSi薄膜制备方法LCVD.RPZM效率1 .%90

16、1.%641.%64研究机构面积/Z/稳定效率CM02.5研究机构USCSUSCSUSCS德国Fuhernfaor日本三菱公司新南威尔士大学日Knk公司本aea北京太阳能研究所92 .%1.%011.%3089.%1 %02S.侣.月LCPVD.ZMRaS/SiiaaS/ieaSGeiSG/iaaS/iiSa02.502.51020930LE法Pi结构PECVD玻璃PnS3RTCVDiN,1%201%02FjuiusesaS/i/iiSGeSGeaa25I和CG薄膜太阳电CS池薄膜的生长工艺主要有真空蒸发法、铜锢合金膜的硒化处理法.SICS池I电等.蒸发法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、锢精品文档精

17、品文档和硒，硒化处理法是使用HS叠层膜硒化，但该法难以得到Ze均匀的CSCS池结构：II电.金属栅状电碱反射膜窗口ZO/极/层（）n过渡层（d）（S）吸收层（1/C/CS金属背电）极（O/M）衬底.经过多年研究，I电CS池发展了结构，不同主要差别在于窗口选择.I薄膜电的CS池从8年代0初8的效率发到目展前的1左3cs膜太阳电5右I薄1.池具有价格低廉、性能良和制作工艺好简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向.CG制备工艺有共蒸IS法和硒化法共蒸法是底上用C.（aS进行蒸发、应；化81.在衬111和6）ne反硒法是先在衬底上生长C.（auIG）层，再在S气氛中硒化.ne成膜方法有溅射

18、法、近空间升华（S）CS法、MCD法、电沉积法等，大面积商业化生产采用磁控溅射法.IS基本结构：OVCGgsoISd/O美国能1/G/Sn.saMCCZ源部可再生能源实验室（RL于19NE）9年研制出9效率为18CG电8%S.I池，目IS前CG效率达1219%9.1.26T.de薄膜太阳电池CT薄膜生长工艺主要有：丝网印Cde刷烧结法，真空蒸发法，近空间升华法，电镀沉积法等.丝网印刷烧结法：由CT,浆料进行丝网印CT,膜，含deUS刷deUS然后在600。人700C可控气氛下进行热处理I得大晶粒薄膜.h近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度5001,沉积060C速率1ii真空蒸发法：将CT从约

19、700/ntm.mde0C加热钳祸中升华，冷凝在30-0。人4C衬底上，典型沉0浙江万里学院学报20年906月积速率1.CT吸收层，USn/以dems作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射膜/玻璃/SO:（n2）F/ST/极.de池实C/CedPd背电CT电验室效率14,业化电均效率8%，6%商.池平190/.27染料敏化T0纳米薄膜太阳电池T:.i2i纳米太阳电池制备：先合成T:Oi纳米粒子，合成方法很O多，包括液相水解法、气相火焰法、T1i;C气相氧化法、溶胶凝胶法等，多数用水解法，然后将制得T2i0纳米粒子微粒均匀涂于导电玻璃上，在室温干燥1i在5conm,0下处理1mn再以2-Cm

20、n5,i00i的速5/率温至4C理3i冷后0m纳多i膜1在米子吸一高染敏升5处0n却得1厚米孔T:纳粒上附层效料化0m,RO01.剂形极，料敏成阳染化剂为R络u合物，139年报道效率11T:米9为19i纳太阳电03.池结构：玻璃多导电/孔纳i膜染料剂电液明电口米T:/敏化/解随O极103太阳能电池研究现状31单晶硅、多晶硅太阳电池目前研究的主要任务是在提高效率同时如何进一步降低成本采用发射极.钝化、倒金字塔表面织构化、分区掺杂、刻槽埋栅电极和双层减反射膜等技术工艺提高效率.有的采用新工艺技术研制新型结构电池，如日Sno本ay公司研制川T电采用PCD工艺精品文档精品文档在n池，EV型单晶硅片上下

21、面沉积非晶硅层，异质结电大面构成池，积效率2%/目晶硅太阳电薄片1"前，体.池向化方向展，制发通过备条带状硅提高材料利用率，在商业生产上普遍采用限边喂膜生长法，枝蔓蹊状法等带硅技术降低生产成本.从效率和材料来源考虑，太阳电池今后发展重点仍然是硅太阳电池.32多晶硅薄膜电池既有晶硅电池高效、稳定、资源丰富、无毒的优势，又具有薄膜电池低成本优.点，成本远低于单晶硅电池，成为国际上研究开发热点，国外发展比较迅速，在未来地面应用方面将是发展方向有在玻(。和S包覆的陶瓷，包覆的石墨璃，：iSiN)(cSi)等廉价衬底上采用PCDRCDEV,V生T长多晶硅薄膜电池，还有通过激光刻槽和化学电镀实现

22、接触、互联和集成的叠层多晶硅薄膜电池.非晶硅薄膜电池研究作工主要在提高效率和稳定性方面.优化电构设采用多池结计，带隙多p结叠池，in层电减薄各pin结的i层厚度，增强内建电场，降低光诱导衰减，可提高效率和稳定性.硅薄膜电非晶池质量轻、成本低，有极大发展潜力，如果效率和稳定性方面进一步提高，将是太阳电池主要发展产品.我国研制的1203m单池实验室c与3xc2结电mO初始效率分别为14与6%目研究1%.前任务是大积非晶.2u.提高面硅电池稳定效率，稳定效率7%,寿命2年，尽快为产业化服务.80我国硅基薄膜太阳电池研究水平和产业化进程与国际水平相差较大，还处于实验阶段.33I,SCT池被认为未来实现

23、低于1.SCG,e电Cid美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池CG池在实IS电现产量时制造成本比硅电池更低，如生产工艺发展成熟，产业化问题得以解决，与硅电池相比有很强竞争优势，是一种很有发展前途薄膜太阳电池.前研究重点是进一步提高效率，降低成本，使之大规模产目业化.对CSCG,eDC太阳电我国I,SCT.IdS池重点研究新工艺，新结构，提高大面积组件效率，建设中试线.我国对DCS太阳电池研究与国际同步.SDC电池由于液体电解质存在，这种电池稳定性还存在问题，引入固态电解质解决稳定性问题是这种电池重要研究方向.但全固态电解质纳米太阳电池效率不理想，仍需进一步深入研究.4太阳能电池商业化发展趋势国外各

24、种太阳电池商业化进程是不同的，189年前单晶9硅电池占主导地位，18年后多晶硅电99池超过单晶硅跃居首位，非晶硅和CT薄膜电池从8年代中期开始商业化生产，由于非晶硅薄膜效率低、de0易老化和人们对C的毒性担忧问d题，市场份额增加缓慢，CS电池商业化起步较晚发展相对缓慢.4I表，表5别为200年世界太阳能电分02300各国池产量和20年03全世界各种太阳池的D.此见，能电产量由可u日本、美国和欧洲在太阳能电池产量上处于领先水平，日本新能源产业技术开发机构(EOND)投入巨资对各种类型太阳能电池进行大量开发研究，并取得可喜成绩.03年排名前120。位生产商的产量占全世界8%最近55.年全世界光伏产

25、量平均增长率为3%,预见2121年光伏组件成本可以降到150005美元/峰瓦，约是目前成本的一半.精品文档精品文档汪建军，刘金霞：太阳能电池及材料研究和发展现状主要生产国和地区产量（MW）表50320年全世界各种太阳能电池的产f所占电池其它比例种类日本美国欧洲地区表40020年世界太阳能电池产fM）地区202020合计日本美国欧洲186915几，4.0，26弱既6二d21550122101767.5甘n613.0.4%钱1 0.2 .24571.2.1.25.7987.141.1.70.41111234一一一一346.8.20662勺口051其他地区2.28.5.451335.51343.596.8.38