CdTe太阳能电池解析

CdTe太阳能电池10cm*10cm小型碲化镉薄膜太阳能电池模组碲化镉太阳能电池研究进展碲化镉太阳能电池原理碲化镉太阳能电池制作工艺碲化镉太阳能电池成本估算碲化镉太阳能电池优势与缺陷1.研究进展第一个CdTe太阳能电池是由RCA实验室在CdTe单晶上镀上In的合金制得的。其光电转换效率为2.1％1.研究进展n--CdTe／p-Cu2-1Te7%稳定性结构效率存在问题1963年，第一个异质结CdTe薄膜电池诞生。1982年，Kodak实验室里由化学沉积法在P型的CdTe上制备一层超薄的CdS。制备出效率超过10％的异质结p-CdTe／n—CdS薄膜太阳能电池1.研究进展glass/TCO／CdS／CdTe1.研究进展目前，小面积CdTe太阳电池的最高转换效率为16．5%(Voc：845．0mv，Jsc：25．9mA／cm2，FF：75．51％,0．94m2)。由美国可再生能源国家实验室创造，组件效率达到10．7％。1.研究进展小面积电池的转换效率已经达到了16.5%四川大学正在进行0.1m2组件生产线的建设和大面积电池生产技术的研发。四川大学制备出效率为13.38%的小面积电池，54cm2集成组件效率达到7％商业组件的转换效率约10%高效、稳定且相对低成本吸收系数～105/cmCdTe多晶薄膜制备技术较多，且简单直接禁带半导体Ⅱ一Ⅵ族化合物能隙为1．45eVCdTe2.碲化镉太阳能电池原理2.碲化镉太阳能电池原理CdTe太阳能电池发电的原理是基于光伏效应，即由太阳光子与半导体相互作而产生电势从而输出电流对外做功。p/n结型太阳能电池的基本工作原理是：P型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结，由于多数载流子的扩散形成空间电荷区，同时形成一个不断增强的从n型到P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向飘移。当这一过程达到平衡，扩散电流和飘移电流相等。当有光照射p-n结，且光子能量大于P-n结的禁带宽度时。吸收层的电子获得能量跃迁到导带，同时在价带中产生空穴。在P-n结附近会产生电子．空穴对。产生的非平衡载流子由于内建电场作用向空间电荷区两端漂移从而产生光生电势。将p-n结与外电路导通，电路中会出现电流。这一现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。2.碲化镉太阳能电池原理光光光光背电极聚酰亚胺衬底结构结构背电极金属衬底superstrate结构是在玻璃衬底上依次长上透明氧化层（TCO）、CdS、CdTe薄膜，而太阳光是由玻璃衬底上方照射进入，先透过TCO层，再进入CdS/CdTe结。而在substrate结构，是先在适当的衬底上长上CdTe薄膜，再接着长CdS及TCO薄膜。其中以superstrate的效率最高。2.碲化镉太阳能电池原理——结构透明导电氧化层n型半导体p型半导体降低CdTe与金属电极接触势垒2.碲化镉太阳能电池原理——结构CdTe薄膜太阳能电池能带图2.碲化镉太阳能电池原理2.碲化镉太阳能电池原理主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光的作用。玻璃衬底2.碲化镉太阳能电池原理TCO层透明导电氧化层。它主要的作用是透光和导电的作用。用于CdTe／CdS薄膜太阳能电池的TCO必须具备下列的特性：在波长400～860nm的可见光的透过率超过85％：低的电阻率，大约2×10^-4Ωcm数量级；在后续高温沉积其它薄膜层时的良好的热稳定性。CdS窗口层2.碲化镉太阳能电池原理n型半导体，与P型CdTe组成p/n结。CdS的吸收边大约是521nm，可见几乎所有的可见光都可以透过。因此CdS薄膜常用于薄膜太阳能电池中的窗口层。2.碲化镉太阳能电池原理CdTe吸收层电池的主体吸光层，它与n型的CdS窗口层形成的p-n结是整个电池最核心的部分。多晶CdTe薄膜具有制备太阳能电池的理想的禁带宽度(Eg=1．45eV)和高的光吸收率(大约10^4/cm)。CdTe的光谱响应与太阳光谱几乎相同。2.碲化镉太阳能电池原理背接触层和背电极降低CdTe和金属电极的接触势垒，引出电流，使金属电极与CdTe形成欧姆接触。3.碲化镉太阳能电池制作工艺近空间升华法CdCl2处理工艺流程关键技术背接触层3.碲化镉太阳能电池制作工艺工艺流程电沉积、化学浴沉积等低温沉积技术制备的薄膜致密，晶粒细小。经过后处理，晶粒长大。丝网印刷、近空间升华、元素气相化合等高温沉积技术，制备的薄膜，晶粒尺寸在2～3um以上，仍需在含氯化合物+氧气氛下进行后处理，才能制备出较高转换效率的电池，可能的原因是氯不仅促进了晶粒的长大，而在CdTe中作为受主杂质，钝化了晶界缺陷。3.碲化镉太阳能电池制作工艺3.碲化镉太阳能电池制作工艺CdTe薄膜制备技术3.碲化镉太阳能电池制作工艺3.碲化镉太阳能电池制作工艺近空间升华法特点厚度均匀、晶粒大小适当、高效率、设备简单、沉积速度高、Cd污染小、易于控制近空间升华法沉积设备示意图3.碲化镉太阳能电池制作工艺CdTe在高于450度时升华并分解，当它们沉积在较低温度的衬底上时，再化合形成多晶薄膜。为了制取厚度均匀、化学组份均匀、晶粒尺寸均匀的薄膜，不希望镉离子和碲离子直接蒸发到衬底上。因此，反应室要用保护性气体维持一定的气压。这样，源和衬底间的距离必须很小。显然，保护气体的种类和气压、源的温度、衬底的温度等，是这种方法的最关键的制备条件。保护气体以惰性气体为佳，也可以用氮气和空气。其中，氦气最好，被国外大多数研究组采用。3.碲化镉太阳能电池制作工艺生长薄膜CdTe源材料衬底加热器源材料加热器衬底生长薄膜CdTe源材料衬底加热器源材料加热器衬底近空间升华法是目前被用来生产高效率CdTe薄膜电池最主要的方法------蒸发源是被置于一与衬底同面积的容器内，衬底与源材料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到化学计量准确的CdTe薄膜。一般衬底的温度可以控制在450～600℃之间，而高品质的薄膜可以在大约1um/min的速率沉积下得到。3.碲化镉太阳能电池制作工艺3.碲化镉太阳能电池制作工艺CdTe吸收层的CdCl2处理几乎所有沉积技术所得到的CdTe薄膜，都必须再经过CdCl2处理。CdCl2处理能够进一步提高CdTe/CdS异质结太阳电池的转换效率，原因是：①能够在CdTe和CdS之间形成界面层，降低界面缺陷态浓度；②导致CdTe膜的再次结晶化和晶粒的长大，减少晶界缺陷；③热处理能够钝化缺陷、提高吸收层的载流子寿命。将CdTe薄膜置于约400℃的CdCl2环境之下，它将会发生以下的反应因此，藉着区域性气相的传输作用，CdCl2的存在促进了CdTe的再结晶过程。不仅比较小的晶粒消失了，连带着CdTe与CdS的界面结构也比较有次序。222()()2()()()()()CdTesCdClsCdgTegClgCdTesCdCls1xxCdSTe3.碲化镉太阳能电池制作工艺处理前处理后经CdCl2处理后CdTe和CdS的平均晶粒尺寸都大约从0.1um增加到0.5um。3.碲化镉太阳能电池制作工艺——背接触层CdTe具有很高的功函数(～5．5eV)，与大多数的金属都难以形成欧姆接触。一种可行的方法是先对CdTe薄膜表面进行化学刻蚀，再沉积高掺杂的背接触材料。几种结构的CdTe太阳电池的性能比较3.碲化镉太阳能电池制作工艺——背接触层硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的沉积和后处理是获得高效率的技术关键3.碲化镉太阳能电池制作工艺——关键技术激光刻划CdTe薄膜激光刻划刻痕形貌图中分別用1064nm激光和532nm的激光刻划CdS/CdTe薄膜后，用探针式表面轮廓分析仪测量的刻痕形貌。1064nm激光刻划的刻槽边缘有高达4微米的“脊状峰”，这不利于后续沉积的背电极接触层及金属背电极与透明导电薄膜之间形成连续的具有良好欧姆特性的连接。3.碲化镉太阳能电池制作工艺——关键技术★使用磷酸-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，室温下腐蚀时间為为1分钟。降低硝酸浓度和温度可以进一步延长腐蚀。磷硝酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严重，容易在沉积背电极后形成局部的短路漏电通道。使用硝酸-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。3.碲化镉太阳能电池制作工艺——关键技术表面腐蚀技术4.碲化镉太阳能电池成本估算注：成本计算依据①电池结构为玻璃/SnO2：F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni②碲化镉薄膜的厚度为5微米③转换效率7%，1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本4.碲化镉太阳能电池成本估算可见，碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体，分別占到消耗材料总成本的45.4%和38.2%。如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米，则碲化镉材料的消耗将降低20%，从而使材料总成本降低9.1%，即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如使用99.999%纯度的碲化镉，效率依然能达到7%，材料成本还将进一步降低。5.碲化镉太阳能电池优势与缺陷1碲化镉薄膜太阳能电池在工业规模上成本大大优于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，生产成本仅为0.87美元/W。2其次它和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。3工艺相对简单，标准工艺，低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。优势镉排放量太阳能电池组件与其他能源的镉排放量的比较图5.碲化镉太阳能电池优势与缺陷缺点第一，碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求。第二，镉作为重金属是有毒的。碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染，会影响环境5.碲化镉太阳能电池优势与缺陷前景展望碲化镉薄膜太阳能电池正日益受到国内外的关注。全球最大的碲化镉太阳能电池制造商——美国FirstSolar公司正加速扩大产能，该公司正在德国建设年产量100MW的工厂，该工厂得到欧盟4000万欧元的投资。同时，FirstSolar还计划在美国本土和亚洲分別建设一个100MW的工厂。鉴于碲化镉薄膜太阳能电池的发展前景，日本计划再启动碲化镉薄膜太阳能电池的工业化生产技术研究，意大利和德国也在进行类似的工作。国内四川大学的碲化镉薄膜太阳能电池工业化生产技术研究进展顺利，将推动我国碲化镉薄膜太阳能电池的规模生产。参考文献【l】冯垛生，张淼，赵慧，林珊．2009．太阳能发电技术与应用[M】，北京：人民邮电出版社．【2】杨德仁．2006．太阳电池材料【M】，北京：化学工业出版社．【3】刘柏谦，洪慧，王立刚．2009．能源工程概论【M】，北京：化学工业出版社．【4】张辉，马向阳，杨德仁，阙端麟．2003．化学沉积法制备CdS薄膜及性质研究叨．太阳能学报．24：1．4．【5】Morales—AcevedoArturo．2006．CanweimprovetherecordefficiencyofCdS／CdTesolarcells【J】．SolarEnergyMaterials&SolarCells，90：2213—2220．【6】MorrisGC，DasSK．1992．somefabricationproceduresforelectrodepositionCdTesolarcells[J]．Int．J．SolarEnergy,12：95-108.【7】黎兵,蔡亚平,朱居木,等.CdS多晶薄膜的制备及其性能研究[J].四川大学学报(自然科学版),1999,36:450-452.