薄膜太陽能電池

Thin-filmSolarCell概要1.基本原理與簡介2.薄膜太陽能電池的分類3.發(fā)展態(tài)勢總述關(guān)于薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽能電池，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)微米，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量，在國際市場硅原材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽能電池將成為國際光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點。由于多數(shù)載流子的擴散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個不斷增強的從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場，導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移；達到平衡后，擴散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在P-N結(jié)上，而且光能大于P-N結(jié)的禁帶寬度，則在P-N結(jié)附近將產(chǎn)生電子-空穴對。由于內(nèi)建電場的存在，產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢，破壞了原來的平衡。若在電池兩側(cè)引出電極并接上負載，負載中就有光生電流通過，得到可利用的電能。基本原理薄膜太陽能電池的分類1.硅基（Si-based）2.砷化鎵（GaAs）3.碲化鎘（CdTe）4.銅銦鎵硒（CIGS）5.其他碲化鎘薄膜太陽能電池CdTc是直接禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為1.46eV，接近太陽光能量分布的理想值，其薄膜的吸收系數(shù)大，大于5x105／cm2，也就是2μm就可將100％能量大于帶寬的入射太陽光吸收。CdTe薄膜太陽能電池的理論性能參數(shù)為開路電壓1.05V，短路電流30.8mA／cm2，填充因子83.7％，轉(zhuǎn)換效率27％。電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制備工藝簡單、節(jié)省原料，容易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，這些優(yōu)點使它成為近年來研究的焦點。CdTe薄膜太陽能電池由五層結(jié)構(gòu)組成，其中CdTe和CdS是CdTe薄膜太陽能電池的主要組成部分。CdTe薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖作為CdTe薄膜太陽能電池前透明電極的要求是：1．高透過率，400-860nm的光有85％以上的透過率。2．低電阻，小于10Ω／cm。3．500℃以下好的穩(wěn)定性，在制備CdTe層時的高溫不至于使TCO和以后的各層互擴散。在CdS／CdTe異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，CdS作用為寬禁帶的n型窗口層。為了改善電池性能，提高在藍光區(qū)域的量子效率，CdS薄膜越薄越好?，F(xiàn)在通行的制備方法有化學沉積法(CBD)，近距離升華法(CSS)，熱蒸發(fā)法，電子束蒸發(fā)法，磁控濺射法，絲網(wǎng)印刷等方法。上述各種方法均可制備出效率大于lO％的太陽能電池，現(xiàn)在效率最高的CdS／CdTe電池使用CBD方法制備的CdS薄膜。并且化學沉積(CBD)方法設(shè)備簡單、成本低廉、容易生長均勻致密的CdS薄膜，是最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。CdS窗口層的制備CdTe吸收層的制備許多方法都被用來制備CdTe薄膜：近場升華法(CSS)，熱蒸發(fā)法，電子束蒸發(fā)法，磁控濺射法，絲網(wǎng)印刷、電沉積等方法。目前人們制出最高效率的太陽能電池用的是CSS方法。2.CdCl2活化處理是幾乎每個研究組都用的一種處理方法．不論用什么方法沉積的CdTe，如果沒有用CdCl2處理，短路電流和電池的效率都會很低。這種退火處理之所以能提高效率主要是因為：1)CdS1-xTex交界面的形成減小了晶格失配，提高了光電性能。2)CdTe的重結(jié)晶和晶粒生長，缺陷的減少使載流子壽命延長。1.研究表明在CdS，CdTe交界面S會擴散到CdTe層中，形成CdS1-xTex層。該層形成的質(zhì)量好壞，CdS/CdTe交界面雜質(zhì)和缺陷態(tài)的密度，都會影響太陽能電池的效率和壽命。為了得到好的CdS/CdTe互擴散結(jié)，人們通常用高的襯底溫度制備CdTe層。※制作過程中的兩個注意點背電極的制備CdTe的功函數(shù)比大部分金屬的高，由于難以找到一個功函數(shù)為5.7eV的金屬，所以很難形成歐姆接觸。因此在背接觸處就產(chǎn)生了一個肖特基勢壘。肖特基勢壘示意圖解決方法：(1)用溴甲醇溶液或硝酸磷酸混合溶液腐蝕CdTe表面，去除氧化物并留下一個富碲層，形成一個p+表面。(2)在電極的制備中使用銅，在CdTe表面形成一層Cu2Te緩沖層，這一層有助于形成一個高效的歐姆接觸。注意：由于銅原子半徑比較小，容易沿晶界擴散到CdTe薄膜內(nèi)部，使載流子復(fù)合，降低電池效率，因而減少了電池的使用壽命。碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)工藝及產(chǎn)污流程圖返回銅銦鎵硒薄膜太陽能電池銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是20世紀80年代后期開發(fā)出來的新型太陽能電池。由銅銦硒(CuInSe2，簡稱CIS)發(fā)展而來，將鎵(Ga)替代CIS材料中的部分銦(In)，形成CuIn1-xGaxSe2四元化合物。CIGS薄膜太陽能電池具有優(yōu)異的太陽能吸收特性．理論光電轉(zhuǎn)換效率(即每平方米太陽能電池單元將日照能量轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率)可達25-30％。目前實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率達到20.3％。組件轉(zhuǎn)換效率最高也達15.7％。是當前光電轉(zhuǎn)換效率最高的薄膜太陽電池。CIGS的禁帶寬度可以根據(jù)Ga的不同摻雜濃度，在1.04eV-1.67eV之間進行調(diào)整。CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)CIGS薄膜太陽能電池典型結(jié)構(gòu)為多層膜結(jié)構(gòu)(如圖所示)。包括玻璃襯底、鉬(Mo)導(dǎo)電層、CIGS(或CIS)吸收層、CdS過渡層、i-ZnO異質(zhì)結(jié)N型層、n-Zn0窗口層、MgF2防反射層和電極等。CIGS太陽能電池的能帶結(jié)構(gòu)ZnO和ZnO：Al層由于帶隙較寬(3.2eV)，大部分光子都可透過這兩層CdS層帶隙稍窄(2.4eV)，但由于很薄(50nm)，所以對入射光的吸收較少，大部分入射光都能到達CIGS吸收層被吸收。n型CdS和p型CIGS在形成異質(zhì)結(jié)時，由于費米能級趨于重合，導(dǎo)致能帶彎曲，并且由于二者電子親和勢不同，造成界面處能帶不連續(xù)，出現(xiàn)尖峰和凹口ΔEc和ΔEv分別為導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪軒д{(diào)產(chǎn)生電流的原理當光照時，在CIGS層內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，產(chǎn)生的電子-空穴對在空間電荷區(qū)被p-CIGS/n-CdS異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場分開，從而在外電路產(chǎn)生電流。CIGS太陽能電池的開路電壓VOC由內(nèi)建電勢差決定，即圖中CIGS和ZnO：A1的導(dǎo)帶低能量差值，光吸收層CIGS的帶隙越寬，內(nèi)建電勢差越大，開路電壓VOC越大，但同時短路電流ISC會減小。CIGS吸收層的制備主要方法：共蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法、微粒沉積法、分子束外延法等。目前已經(jīng)用于生產(chǎn)并且制備出高效率電池的方法是共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。1.共蒸發(fā)法共蒸發(fā)法是利用被蒸發(fā)物在高溫時的真空蒸發(fā)來進行薄膜沉積的，是典型的物理氣相沉積工藝（PVD），在真空環(huán)境中Cu、In、Ga、Se4種蒸發(fā)源分別被單獨加熱進行蒸發(fā)，然后在被加熱的襯底上進行反應(yīng)，制備出Cu（In，Ga）Se2薄膜。根據(jù)蒸發(fā)過程的不同，共蒸發(fā)工藝可分為一步法、二步法和三步法。其中三步法工藝是目前制備高效ＣＩＧＳ電池最有效的工藝，所制備的薄膜表面光滑，晶粒致密且尺寸較大，還易于實現(xiàn)Ｇａ含量的Ｖ型分布。2008年，美國國家可再生能源實驗室（NREL）采用共蒸發(fā)法在0.419cm2的器件上實現(xiàn)了高達１9.9％的轉(zhuǎn)換效率。2.濺射后硒化法濺射后硒化法是指首先濺射制備金屬CI或CIG層，然后再對其進行硒化處理。具體工藝過程是，首先在涂覆有Mo背電極的玻璃上濺射沉積CIG預(yù)制層，然后在硒蒸氣中對預(yù)制層進行硒化處理，從而得到滿足化學計量比的薄膜。硒化時所用硒源不同，將明顯影響生成CIGS的好壞，目前應(yīng)用最多的是H2Se氣體和固態(tài)硒源硒化法。前者H2Se氣體活性較好，易于Se原子與CIG預(yù)制層反應(yīng)生成CIGS晶相，但H2Se有劇毒、易燃易爆，且價格昂貴，因此應(yīng)用受到限制；后者固態(tài)硒源硒化法成本較低、安全無毒，因此應(yīng)用較為普遍。CIGS太陽能電池的柔性襯底技術(shù)柔性襯底可以是不銹鋼、鈦、鉬、銅片等金屬，也可以是聚合物(聚酰亞胺PI)。采用柔性襯底可與卷繞技術(shù)相結(jié)合，大規(guī)模制備質(zhì)量輕、可彎曲的電池。美國NREL采用共蒸發(fā)法，創(chuàng)造了不銹鋼襯底上小面積電池效率為17.5％：德國HaIln-Meitner-Institude在鈦襯底上共蒸發(fā)得到CIGS電池效率為12.5％；ETH(SWI)采用共蒸發(fā)法在聚合物襯底上制得的CIGS電池效率為12.8％。2011年5月，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術(shù)實驗室(EMPA)在PI襯底上制造出轉(zhuǎn)化效率18.7％的柔性CIGS電池。傳統(tǒng)的CIGS薄膜電池大多是以玻璃為襯底，然而玻璃襯底的CIGS薄膜太陽能電池并不能滿足某些特殊方面的應(yīng)用要求，于是就提出了柔性襯底CIGS電池技術(shù)。返回薄膜太陽能電池的發(fā)展態(tài)勢可以看出，對于薄膜太陽能產(chǎn)業(yè)的研究曾在2011年達到過頂