薄膜太阳能电池(thin film solar cell)

第八章薄膜太阳能电池授课教师：黄俊杰薄膜太阳能电池的种类非晶硅(AmorphusSilicon,a-Si)微晶硅(NanocrystallineSilicon，nc-Si，orMicrocrystallineSilicon，uc-Si)CIS/CIGS(铜铟硒化物)CdTe(碲化镉)GaAsMultijuction(多接面砷化镓)色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)有机导电高分子(Organic/polymersolarcells)太阳能电池市场现况太阳能电池效率演进非晶硅(AmorphusSilicon,a-Si)

数据源：BP2002、WorldNuclearAssociation是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很强，而且利用溅镀或是化学气相沉积方式生成薄膜的生产方式成熟且成本低廉，材料成本相对于其他化合物半导体材料也便宜许多；不过缺点则有转换效率低(约5~7%)，以及会产生严重的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应用于小功率的消费性电子产品市场。不过在新一代的非晶硅多接面太阳能电池(MultijuctionCell)已经能够大幅改善纯非晶硅太阳电池的缺点，转换效率可提升到6~8%，使用寿命也获得提升。未來在具有成本低廉的优势之下，仍将是未來薄膜太阳能电池的主流之一。微晶硅(nc-Si，uc-Si)微晶硅其实是非晶硅的改良材料，其结构介于非晶硅和晶体硅之间，主要是在非晶体结构中具有微小的晶体粒子，因此同时具有非晶硅容易薄膜化，制程便宜的特性，以及晶体硅吸收光谱广，且不易出现光劣化效应的优点，转换效率也较高。目前已有将a-Si和nc-Si迭层后制成的薄膜太阳能电池商品(由日本Sanyo研发成功)，可镀膜在一般窗户玻璃上，透光的同时仍可发电，因此业界广泛看好将是未來非晶硅材料薄膜太阳电池的的发展主流。CIS/CIGS(铜铟硒化物)CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都属于化合物半导体。这两种材料的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转换效率方面，若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积制程上，采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效率都已经相当优异，因此被视为是未來最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。CdTe(碲化镉)CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效率也不差：若使用耐高温(~600度C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%，而使用不耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率，转换效率远优于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速成膜技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效率约11%。不过，虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污染性重金属，因此此种材料技术未來发展前景仍有阴影存在。GaAsMultijuction(多接面砷化镓)在单晶硅基板上以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳能电池，因为具有30%以上的高转换效率，很早就被应用于人造卫星的太阳能电池板。新一代的GaAs多接面(将多层不同材料迭层)太阳能电池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面电池，可吸收光谱范围极广，转换效率目前已可高达39%，是转换效率最高的太阳能电池种类，而且性质稳定，寿命也相当长。不过此种太阳能电池的价格也极为昂贵，平均每瓦价格可高出多晶硅太阳能电池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，预期并不会成为商业生产的主流。染料敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)染料敏化感染料电池是太阳能电池中相当新颖的技术，产品是由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。此种太阳能电池的优点在于二氧化钛和染料的材料成本都相对便宜，又可以利用印刷的方法大量制造，基板材料也可更多元化。不过目前主要缺点一是在于转换效率仍然相当低(平均约在7~8%，实验室产品可达10%)，且在UV照射和高热下会出现严重的光劣化现象，二是在于封装过程较为困难(主要是因为其中的电解质的影响)，因此目前仍然是以实验室产品为主。然而，基于其低廉成本以及广泛应用层面的吸引力，多家实验机构仍然在积极进行技术的突破。有机导电高分子(Organic/polymersolarcells)有机导电高分子太阳能电池是直接利用有机高分子半导体薄膜(通常厚度约为100nm)作为感光和发电材料。此种技术共有两大优点，一在于薄膜制程容易(可用喷墨、浸泡涂布等方式)，而且可利用化学合成技术改变分子结构，以提升效率，另一优点是采用软性塑料作为基板材料，因此质轻，且具有高度的可挠性。目前市面上已经有多家公司推出产品，应用在可携式电子产品如NB、PDA的户外充电上面，市场领导者则是美国Konarka公司。不过，由于转换效率过低(约4~5%)的最大缺点，因此此种太阳能电池的未來发展市场应该是结合电子产品的整合性应用，而非大规模的太阳能发电。非晶硅薄膜太阳电池构造ThinfilmSi:HadvantagesAbundantlyavailablerawmaterialsLowSiandenergyconsumptionFlexible,Roll-to-RollLargearea,lowtemperature(<250ºC)fabricationTuneablebandgapHighabsorption“Lighttrapping”arrangementwithroughinterfacesanddielectricmirrorsNeedofrawmaterialThin-filmsolarcells

非晶硅薄膜太阳电池制造流程

非晶硅薄膜太阳电池制造流程(玻璃基材)非晶硅薄膜太阳电池制造流程

(玻璃基材)ThinfilmSi:HchallengesIncreasingdepositionrate(from0.1nm/sto10nm/s!),includingcompatibledopedlayersEnhancetheIsc(absorption,lighttrapping)ImprovingstabilizeddeviceperformanceUnderstandingfundamentalphysics:lowVoc,shuntbehavior,light-induceddefectcreation非晶硅薄膜太阳电池“AmorphousSi:HThin-filmSolarCell”UniSolarand薄膜太阳能电池–CIGS薄膜电池

此類型有兩种：一种含铜铟硒三元素（简称CISe），一种含铜铟镓硒四元素（简称CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的CIGS光电池，光电效率最高可达约19.88，就模块而言，最高亦可达约13﹪(CISe约10%)。CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率（α>104~105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。薄膜太阳能电池–CIGS薄膜电池

Chalcopyrite半导体的性质CIGS太阳能电池组件结构演进CIGS太阳能电池组件制作流程CIGS薄膜太阳电池制造方法CIGS太阳能电池-真空制程真空涂布制程-Co-evaporation真空涂布制程-SputteringCIGS太阳能电池-非真空制程非真空涂布制程-electrodeposition非真空涂布制程-MetalOxideInkCIS薄膜太阳电池“CopperIndiumDiselenideThin-filmSolarCell”245-kWrooftop,thin-filmCIS-basedsolarelectricarray,Camarillo,California(ShellSolarIndustries.)85-kWthin-filmCIS-basedBIPVfacade,NorthWales,UK结论各類型太阳能电池的市场需求将与日遽增，且各技术皆以降低成本和提高光电转换效率为研究方向。其中又以薄膜太阳能电池为现阶段最具有取代硅晶太阳能电池的可能。薄膜太阳电池中，CIGS是目前具有最高效率的电池之一。现阶段CIGS电池主要量产技术仍以真空制程技术为主，但难以克服大面积及降低成本的问题。

CIGS非真空制程技术虽具有降低成本以及提高材料使用率的优点，但各方式都具有难以克服的关键问题皆仍待解决。如CIGS晶粒成长…等。结瓶颈

CIGS薄膜太阳能电池虽具有高效率、低成本、大面积与可挠性等潜力优势，但还有许多需要克服的问题接踵而來：制程复杂、技术选择百家争鸣，且供应練相当分歧，各站并无制式化设备放大制程之均质性不佳，良率变化大•dopantratio•thinwindowlayer•LowVocresultinginincreasedarealoss系统化的研究与实验數据十分缺乏许多关键点都无定論，如：组成成分、结构、晶界、各层间之接口…等关键原料的缺乏

铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人類如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有數年光景可，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人類如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有數年光景地热CdTeFilmDepositionCdTeFilmDepositionCdTeFilmDepositionRooftopCdTe薄膜太阳电池“CadmiumTellurideThin-filmSolarCell”KatzenbachJuwiMemmingenSAGSAGFirstSolar----CdTeRooftopC-SiTechnologyinHistoricPerspective全球PV前十大厂商台湾太阳光电产业链分布概况太阳光电产值预期达成规模光电高分子太阳能电池特征发展不久原理:利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原位势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,外层聚合物的还原电为较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一电极正好相反奈米晶色素增感solarcellDSSC进展Whyorganicsolarcell?

EaseoffabricationforlargeareafromsolutionTransparentConformalandflexibleLowcostofmanufacturingDye-SensitizedSolarCellMechanismsoftheDSSCh:photonabsorptiona:electroninjection