发展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题

1、.：.；开展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题2021.4碲化镉 HYPERLINK ofweek/SEARCH/WENZHANG/薄膜太阳能.HTM o 薄膜太阳能 t _blank 薄膜太阳能电池的开展日益遭到注重。碲资源、电池本钱、电池消费和运用对环境的影响等问题是碲化镉薄膜太阳能电池开展中遭到很多人关注的问题。本文对此进展了分析讨论，最后分析了工业化规模消费碲化镉薄膜太阳能电池组件的关键技术。引言 碲化镉薄膜太阳能电池的开展遭到国内外的关注，其小面积电池的转换效率曾经到达了16.5%，商业组件的转换效率约9%，组件的最高转换效率到达11%。国内四川大学制备出转换效率为13.38%的小面

2、积单元 HYPERLINK ofweek/SEARCH/WENZHANG/太阳能电池.HTM o 太阳能电池 t _blank 太阳能电池，54cm2集成组件转换效率到达7，正在进展0.1组件消费线的建立和大面积电池消费技术的研发。本钱估算 思索电池的构造为玻璃/SnO2：F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni，碲化镉薄膜的厚度为5微米，转换效率为7%，1MW碲化镉薄膜太阳能电池所耗费的资料的本钱如下表所示。碲化镉薄膜太阳能电池的资料本钱 可见，碲化镉和透明导电玻璃构成资料本钱的主体，分别占到耗费资料总本钱的45.4%和38.2%。 耗费资料的本钱还可以进一步降低，如将碲化镉薄膜

3、的厚度减薄1微米，那么碲化镉资料的耗费将降低20%，从而使资料总本钱降低9.1%，即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如运用99.999%纯度的碲化镉，效率依然能到达7%，资料本钱还将进一步降低。因此，资料本钱到达或低于每峰瓦5元人民币是能够的。 思索工资、管理、电力和设备折旧等其他本钱，碲化镉薄膜太阳能电池的本钱大约是每峰瓦13.64元人民币或更低。因此，即使销售价钱为每峰瓦2022元人民币，约为 HYPERLINK ofweek/SEARCH/WENZHANG/晶体硅.HTM o 晶体硅 t _blank 晶体硅太阳能电池如今价钱的60%，也能保证制造商有相当的利润空间。 由于碲化镉薄膜太

4、阳能电池本钱低，其开展对于处理我国西部地域分散居住人口的电力供应具有重要意义。碲资源 碲是地球上的稀有元素，开展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的贮藏量能否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模消费及运用。工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。据相关报道，地球上有碲14.9万吨，其中中国有2.2万吨，美国有2.5万吨。 在美国碲化镉薄膜太阳能电池制造商First Solar年产量25MW的工厂中，300340公斤碲化镉即可以满足1MW太阳能电池的消费需求。思索到碲的密度为6.25g/cm3，镉的密度为8.64g/cm3，那么130140公斤碲即可以满足1MW碲化镉薄膜

5、太阳能电池的消费需求。 由以上数据可以知道，按现已探明储量，地球上的碲资源可以供100个年消费才干为100MW的消费线用100年。环境影响 由于碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，使很多人担忧碲化镉太阳能电池的消费和运用对环境的影响。多年来，一些公司和专家不愿步入碲化镉太阳能电池的开发和消费。那么，碲化镉薄膜太阳能电池的消费和运用中镉的排放终究有多严重呢？ 为此，美国布鲁克文国家实验室的科学家们专门研讨了这个问题。他们系统研讨了晶体硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位发电量的重金属排放量。在太阳能电池的分析中，思索了将原始矿石加工得到制备太阳能电池所需资料、

6、太阳能电池制备、太阳能电池的运用等全寿命周期过程。研讨结果阐明见图1，石油的镉排放量是最高的，到达44.3g /GWh，媒次之，为3.7g /GWh。而太阳能电池的排放量均小于1g /GWh，其中又以碲化镉的镉排放量最低，为0.3 g / GWh。与天然气一样，硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉太阳能电池的两倍。图1 太阳能电池组件与其他能源的镉排放量的比较图 他们还研讨了硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池消费与运用中其他重金属的排放。研讨结果阐明见图2，碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。该研讨报告结论基于对美国First Solar公司碲化镉薄膜太阳能

7、电池消费线、碲化镉太阳能电池组件运用现场的系统调查，和对其他太阳能电池、能源的实践消费企业的工艺、相关产品的运用环境研讨分析得出。研讨结果的科学性、公正性得到国内外的认可。研讨者在2006年欧洲资料年会硫系半导体光伏资料分会作的报告引起了与会人员的剧烈关注。图2 硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的重金属排放量的比较图 美国的研讨人员还针对碲化镉薄膜太阳能电池组件运用过程中，遇到火灾等不测事故呵斥组件损毁时镉的污染进展了研讨。他们将双玻璃封装的碲化镉薄膜太阳能电池组件在模拟建筑物发生火灾的情况下进展实验，实验温度高达1100。结果阐明，高温下玻璃变软以致于熔化，化合物半导体薄膜被包封在软化了的玻璃

8、中，镉流失量不到电池所含镉总量的0.04%。思索到发生火灾的几率，得出运用过程中，镉的排放量不到0.06mg/ GWh。 虽然实验阐明碲化镉薄膜太阳能电池组件的运用是平安的，但是建立寿命末期电池组件和损毁组件的回收机制可以加强公众的自信心。分别出的Cd、Te及其他有用资料，还可用于制造消费太阳能电池组件所需的相关资料，进展循环消费。美国、欧洲的研讨阐明，技术上是可行的，回收资料的效益高于回收本钱。现实上，美国First Solar公司的碲化镉太阳能电池组件在销售时就与用户签署了由工厂支付回收费用的回收合同。 综上所述，碲化镉太阳能电池在消费、运用等方面是环境友好的。 大面积碲化镉薄膜太阳能电池

9、组件制造的关键技术 与小面积单元电池一样，硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的堆积和后处置是获得高效率的技术关键。不同的是，需求在电池的制备过程中对在特定的工艺环节分别对透明导电薄膜、CdS/CdTe半导体层、金属背电极进展刻划，实现单元电池的串联集成。此外，工业化大面积组件消费要求工艺条件反复性高，薄膜性质均匀性好，使一些在制备高效率小面积单元电池时运用的有效技术，并不适用于大面积组件的制造，需求开展新的技术。图3 碲化镉薄膜太阳能电池组件集成构造表示图图4 碲化镉薄膜太阳能电池组件制备工艺流程图 1集成技术 集成工艺对组件的转换效率具有决议性的影响。实现集成的刻划技术有机械刻划、 HY

10、PERLINK laser.ofweek/ o 激光 t _blank 激光刻划两种。机械刻划的刻划速度比激光刻划的慢得多，而且对于如碲化镉等厚度到微米量级的较脆的薄膜，保证刻槽的平直无渣工艺难度较大。激光刻划可以获得较窄的刻槽，宽度最低可到100微米。通常，运用基频1.064微米 HYPERLINK ofweek/SEARCH/WENZHANG/YAG.HTM o YAG t _blank YAG：Nd激光刻划系统刻划透明导电薄膜，运用倍频532nmYAG：Nd激光刻划系统刻划硫化镉/碲化镉膜层和金属背电极。激光刻划系统有两种，其一是挪动样品实现激光刻划，其二是样品固定激光头挪动实现激光刻划

11、。前者受微动台的限制，刻划速度只能到达300mm/Sec500mm/Sec，后者的刻划速度可高达3000 mm/Sec以上。 刻痕形貌对串联集成的电子学特性有极大影响。激光入射方向、激光方式、刻划速度和Q开关调制频率是决议刻痕形貌的主要参量。从玻璃面入射比从薄膜面入射更容易得到高质量的刻痕。图5是分别用1064nm激光和532nm的激光刻划CdS/CdTe薄膜后，用探针式外表轮廓分析仪丈量的刻痕形貌。1064nm激光刻划的刻槽边缘有高达4微米的“脊状峰，这不利于后续堆积的背电极接触层及金属背电极与透明导电薄膜之间构成延续的具有良好欧姆特性的衔接。图5 CdTe薄膜激光刻划刻痕形貌 2 碲化镉薄

12、膜的外表腐蚀技术 刚堆积的碲化镉薄膜载流子浓度低，需求在含氧、氯的气氛下进展380450的热处置。该工艺同时也促进CdS/CdTe的界面分散，减少界面的格子失配程度和钝化了薄膜的晶界势垒。但该工艺在碲化镉膜面构成了一高阻氧化层，可以用化学腐蚀或离子刻蚀去除CdTe膜面的高阻氧化层。 物理刻蚀技术废料少，容易和其他工艺环节集成，但是不易获得厚度在10nm100nm的高质量富碲层，该层对于构成良好欧姆接触特性的背电极是非常关键的。 化学腐蚀方法中，常用体积浓度为0.1%的溴甲醇溶液作为腐蚀液，腐蚀时间815秒。虽然运用该腐蚀工艺制备的小面积电池转换效率高达16.5%，但是溴甲醇溶液在空气中容易氧化，不适宜工业化消费运用，需求开展更稳定的腐蚀液和速度慢的腐蚀工艺。运用磷酸-硝酸混合溶液可以获得较好的腐蚀效果，典型溶液的体积浓度为硝酸：磷酸：水0.5：70：29.5，室温下腐蚀时间为1分钟。降低硝酸浓度和温度可以进一步延伸腐蚀。磷硝酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严重，容易在堆积背电极后构成部分的短路漏电通道。运用硝酸-冰乙酸溶液可以进一步减轻晶体择优腐蚀程度，获得更好的膜面腐蚀效果。图6 不同温度下运用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的XRD谱图前景展望 碲化镉薄膜太阳能电池正日益遭到国内外的关注。全球最大的碲化镉太阳能电池制造商美国First Solar