薄膜太阳能电池研究进展_孔继川

DOI:10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2008.07.021Vol.22,No.7第22卷第7期化工时刊2008年7月ChemicalIndustryTimesJul.7.2008薄膜太阳能电池研究进展孔继川缪娟(河南理工大学物理化学系,河南焦作454000)摘要薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。综述了硅基薄膜太阳能电池、CdTe薄膜太阳能电池、CIS(CIGS)薄膜太阳能电池、TiO2薄膜太阳能电池、ZnO薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的研究现状,展望了太阳能电池的发展趋势。关键词薄膜太阳能电池硅CdTeCISTiO2ZnO有机ProgressinResearchonFilmSolarCelKongJichuanMiaoJuan(PhysicsandChemistryDepartment,HenanPolytechnicUniversity,HenanJiaozuo,454000)AbstractFilmsolarcel,anewkindofphotovoltaicstomitigatetheenergysourcescrisis,wasindicated.Cur-rentstatusofresearchforfilmsolarcelssuchasSi,CdTe,CIS(CIGS),TiO2,ZnOandorganicswasreviewed.Futuredirectionsforsolarcelweredescribed.KeywordsfilmsolarcelSiCdTeCISTiO2ZnOorganics随着煤、石油、天然气等能源日益枯竭和环境污阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池是其中典型代表。染日益加剧,人们迫切需要寻找清洁可再生新能源。1.1非晶硅薄膜太阳能电池作为地球无限可再生的无污染能源———太阳能的应非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料用日益引起人们的关注,将太阳能转化为电能的太阳在玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底制备的一种能电池的研制得到了迅速发展。目前以商品化的晶薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有反体硅太阳能电池的光电转化效率最高,但受材料纯度应溅射法、低压化学气相沉积法(LPCVD)、等离子体和制备工艺限制,成本高,很难再提高转化效率或降增强化学气相沉积法(PECVD)。为生产高质量的非低成本。薄膜太阳能电池只需几μm的厚度就能实晶硅,对非晶硅材料制备方法也进行了研究,等离子现光电转换,是降低成本和提高光子循环的理想材体化学气相沉积法特别是RF辉光放电法已经广泛料[1]。本文综述了各种薄膜太阳能电池的研究现应用[4],并提出H2稀释PECVD法。非晶硅薄膜成本状,对薄膜太阳能电池的发展趋势进行了展望。低是一种很好的太阳能电池材料,但由于其光学带隙1硅薄膜太阳能电池(1.7eV)与太阳光光谱不匹配,所以限制了非晶硅太阳能电池的转化效率并且其光电效率会随光照时开发太阳能电池的两个关键问题是提高效率和间增加而衰减[3]。利用反应原料气H2稀释SiH4在不降低成本[2]。单晶硅太阳能电池是在厚度350-同衬底上制成的非晶硅薄膜经过不同电池工艺分别450的高质量硅片上制成受单晶硅价格及相应得到单结电池和叠层电池,可以解决上述问题。Sangμm,-KyunKim等[5]利用H2稀释PECVD法在低纯度硅繁琐的制备工艺影响,其价格居高不下,为节省高质量材料,发展了薄膜太阳能电池,其中非晶硅薄膜太片上制备出a-Si∶H/c-Si异质结太阳能电池转化收稿日期:2008-05-09基金项目:河南省自然科学基金(编号:0511050200)和河南理工大学青年基金(Q2008-15)资助作者简介:孔继川(1979～),男,硕士,讲师,从事功能材料研究—60—孔继川等薄膜太阳能电池研究进展2008.Vol.22,No.7化工时刊效率达到12.5%。非晶硅太阳能电池具有高的光电转换效率,但光疲劳效应严重制约了其发展。1.2多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅下降,成本明显降低。多晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有化学气相沉积法、液相外延法、金属诱导晶体法、非晶Si薄膜固相晶化法、激光晶化法和等离子喷涂法。目前多晶硅薄膜太阳能电池的转化效率接近单晶硅太阳能电池的转化效率。如日本三菱公司在SiO2衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池光电效率达16.5%。德国费来堡太阳能研究采用区熔再结晶技术制得多晶硅电池转化效率达19%[7]。在硅薄太阳能电池中除了上述两种结构外,非晶硅薄膜(a-Si)和多晶硅薄膜(p-Si)串联的太阳能电池也是很有发展前景的一种电池结构。另外具有过度层结构的微晶硅薄膜太阳能电池(μc-Si:H)不但稳定性好,而且光电转换效率高。F.Finger等[8]利用热丝化学气相沉积(Hot-WireCVD)制备缓冲层得到的微晶硅单质结太阳能电池转换效率达10.3%。Y.Wang等[9]对μc-Si:H稳定性研究发现,利用HWCVD制备过度层后的微晶硅太阳能电池在光照1000h后效率衰减小于10%,呈现出良好的稳定性。2多元化合物薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池的转化效率提高潜力有限,近年来开发出了以CdTe、CuInSe和GaAs等为代表的新型无机多元化合物薄膜太阳能电池。2.1CdTe薄膜太阳能电池CdTe薄膜太阳能电池属于多晶薄膜太阳能电池,由于CdTe基电池结构简单,成本相对较低,成为近年来国内外研究的热点。CdTe存在自补偿效应,制备高电导率同质结很困难,实用的电池多为异质结结构。CdS的结构与CdTe相同,晶格常数差异小,是CdTe基电池最佳的窗口材料。CdTe/CdS薄膜太阳能电池制备技术主要有真空蒸镀法、溅射法、电化学沉积法等。目前CdTe/CdS薄膜太阳能电池的实验室转化率已达到16.5%[6]。关于CdTe薄膜在太阳能电池中的应用,AlessioBosio等[10]对制备高效CdTe/CdS太阳能电池的方法进行了综述,指出CdTe薄膜技术是大面积组件产品的关键。LianghuanFeng等[11]探讨了生产大面积CdTe薄膜太阳能电池的关键技术:认为多晶SnO2薄膜制备;室温下刻蚀CdTe制备出掺铜的背电极及低的掺铜浓度是制备稳定、高效、大面积CdTe太阳能电池的关键。随着实验室研究和工业生产工艺研究的不断探索,CdTe基薄膜太阳能电池有望成为市场主角。2.2CIS(CIGS)薄膜太阳能电池CuInSe2是一种三元化合物,是直接带隙的半导体材料,常温下带隙宽度为1.0eV,光吸收系数很大(大于104),0.5μm厚的CuInSe2可以吸收90%的太阳能光子,所以薄膜不需很厚,可以降低成本。由于太阳光的最佳禁带宽度为1.45eV所以在CuInSe2上掺杂其它元素可以使其接近最佳禁带宽度。目前主要用Ga代替部分In,用S代替部分Se来实现。同时可以调整In/Ga的比值使材料带隙宽度覆盖1.05-1.7eV,从而大大提高CuInSe2转化效率。K.Ra-manathan等[12]制备出了转化效率达19%(CuInSe,S)2太阳能电池。M.A.Contreras[13]和MiguelA[14]在不同条件下得到Cu(In,Ga)Se2太阳能电池的转化效率分别为19.5%和20%,几乎和单晶硅太阳能能电池转化效率相当。CIS(CIGS)薄膜太阳能电池的制备方法有:真空蒸镀法、溅射法、电化学沉积法等。其中电沉积硒化法有其适合工业生产的特点。该法主要分两个阶段:首先用电沉积法得到CIS前驱体,然后在Se或H2Se气体氛围中热处理。S.Jost等[15]详细研究了Se的浓度对电化学沉积制备CuInSe2薄膜的影响。DonglinXia[16]用硒化电沉积法制备太阳能电池用Cu(In,Ga)Se2薄膜,并研究了其特征。CIS(CIGS)薄膜太阳能电池被认为是一种很有发展前途的太阳能电池,但目前的研究还是处于实验阶段,如何进一步提高转化率,降低成本,探索新的工艺条件,提高制作过程的可重复性,寻找CIS(CIGS)可替代新的廉价、无毒元素来参杂等问题有待解决。3纳米晶薄膜太阳能电池纳米晶薄膜太阳能电池是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化过程中发展起来的一种新型光伏器件,受到了国内外研究者重视。—61—化工时刊2008.Vol.22,No.7论文综述《Reviews》3.1TiO2基薄膜太阳能电池π*轨道有很好的电子耦合,有利于光激发下电子向TiO2是一种价格便宜、无毒、稳定且抗腐蚀性良TiO2的导带转移,而ZnO电池没有类似耦合现象,染好的半导体材料。纳米尺度的TiO2为宽禁带半导料分子和2+结合成2配合物不利于电子从ZnZnde,体,对太阳光的吸收率很低。需要对TiO2薄膜进行激发态向ZnO导带转移。所以要提高ZnO电池的转敏化。一是与窄禁带半导体复合。如ZhaoyunLiu化效率,必须开发新的制备高比表面积的ZnO电极[17]技术,选择具有宽吸收光谱和性能匹配的染料并改善用2与2复合制备22复合膜并讨论SnOTiOTiO/SnO,2+dye配合物形了22的比例对光电流的影响二是杂质掺。染料在ZnO中的吸附方式,防止ZnTiO:SnO成。目前制备染料敏化ZnO薄膜电极的方法有手术杂敏化。如SahiA[18]用溅射方法制备掺N的TiO2杂化膜,其吸收光谱比TiO2宽。三是用染料敏化。刀和丝网印刷法、机械挤压法、化学液相沉积法、化学染料敏化纳米晶TiO2薄膜太阳能电池是利用TiO2气相沉积、低温水热法和电沉积自组装法。前4种方纳米晶薄膜吸附无机或有机染料作为敏化剂而制备法中ZnO薄膜的制备和染料敏化过程是分开的,电的一种新型太阳能电池。染料敏化纳米晶TiO2薄膜沉积自组装法可以一步实现制膜和染料吸附,并且通过调节自组装沉积条件实现对薄膜厚度、形貌及染料太阳能电池以其潜在的低成本、制作工艺简单和电池吸附量的控制,方法便捷并有望用于大面积制膜,所制备低能耗等优势赢得了世人的关注。从1991年以许多学者对电沉积自组装制备染料敏化ZnO薄膜Gratzel教授和他的课题组获得了7.1%的转换效率技术表现出了极大兴趣[36-38]。总之,虽然ZnO薄膜后,于2005年又获得了模拟太阳光下11%的高的光2+[19]电转化效率。目前对染料敏化纳米晶TiO2薄膜中的电子的迁移率大,但由于电子注入和Zndye的团聚等因素的影响[39]使ZnO纳米晶薄膜电池的效太阳能电池的研究主要集中在纳米TiO2多孔薄膜的率较低。只有不断探索该类电池的理论和应用研究,制备和修饰;染料敏化剂的选择及应用;电池电解质才能不断提高ZnO太阳能电池的光电转化效率和稳的设计开发;对电极和导电基底材料的开发等方面。定性。关于影响染料敏化纳米晶TiO2薄膜太阳能电池的关键技术和研究现状王孔嘉等作了详细论述[20-25]。3.2ZnO纳米晶薄膜太阳能电池ZnO同TiO2一样属于宽禁带半导体材料,研究表明TiO2薄膜中存在大量的表面态,束缚电子在薄膜中传输,导致暗电流增加,降低了TiO2电池的总效率[26,27]。与TiO2相比,电子在ZnO中的迁移率大[28],能够减小电子在薄膜中的传输时间。并且ZnO的制备要比TiO2简单的多,有望进一步降低电池的成本。所以自从1994年,Redmond等采用钌的配合物为染料,在波长520nm处成功地获得了13%的单色光转化效率后人们对ZnO纳米晶薄膜太阳能电池的研究逐渐表现出浓厚兴趣[29-34]。2006年Fu-jihara等[29]制备的ZnO太阳电池实现了在全太阳光(AM-1.5,100mW/cm2)下最高的4.1%的光电转换效率。然而ZnO电池与TiO2电池相比效率偏低,其原因可归结为[35]:①染料敏化纳米晶ZnO多孔膜太阳能电池晶体颗粒粒径比TiO2大,使得ZnO薄膜的比表面积偏小吸附染料的量减少;②在TiO2电