太阳能电池材料和工艺

ch4太阳能电池的材料和工艺太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带不能太宽要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定按照材料分：一.太阳电池的分类按照发展状况分：硅太阳能电池可分为：单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的热加工处理工艺基础上。二.各类太阳能电池的制造方法及研究状况生产工艺：导电玻璃膜切割清洗检测镀铝电极沉积PN结老化检测封装成品检测德国费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平电池转化效率超过23%，最大值可达23.3％。Kyocera公司(日本京瓷公司)制备的大面积单电晶太阳能电池转换效率19.44%。北京太阳能研究所研制的平面高效单晶硅电池（2cm×2cm）转换效率达19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm×5cm）转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率最高，由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅电池成本价格较高，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。2.多晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样,是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。常用制备方法：低压化学气相沉积法（LPCVD）等离子增强化学气相沉积（PECVD）液相外延法（LPPE）溅射沉积法化学气相沉积法反应气体SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4↓（一定保护气氛下）硅原子沉积在加热的衬底上（衬底材料为Si、SiO2、Si3N4等）存在问题：非硅衬底上很难形成较大的晶粒，容易在晶粒间形成空隙解决方法：先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19％。日本三菱公司用上述方法制备的电池，效率达16.42%。美国Astropower公司采用LPPE制备的电池效率达12.2%。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池在太阳能电地市场上占很大的份额。3.非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池所采用的硅为a-Si。其基本结构不是pn结而是pin结。掺硼形成p区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层。突出特点：材料和制造工艺成本低。制作工艺为低温工艺（100-300℃），耗能较低。易于形成大规模生产能力，生产可全流程自动化。品种多，用途广。存在问题：光学带隙为1.7eV→对长波区域不敏感→转换效率低光致衰退效应:光电效率随着光照时间的延续而衰减解决途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的p-i-n单结太阳能，电池上再沉一个或多个p-i-n子电池制得。生产方法：反应溅射法、PECVD法、LPCVD法。反应气体：H2稀释的SiH4衬底材料：玻璃、不锈钢等美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13％(在小面积上0.5cm×0.5cm)。日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为13.2％。国内关于非晶硅薄膜电池，尤其叠层太阳能电池的研究并不多，南开大学用工业用材料，以铝电极制备出面积为20cm×20cm、转换效率为8.28％的叠层太阳能电池。由于具有相对较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但其稳定性不高，直接影响实际应用。若进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，非晶硅大阳能电池将是太阳能电池的主要发展产品之一。三种硅基太阳能电池性能分析种类优势劣势转换效率单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂16%-20%多晶硅太阳能电池转化效率较高多晶硅生产工艺复杂，供应受限制14%-16%非晶硅薄膜太阳能电池成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效率9%-13%非晶硅太阳能电池最终将取代单晶硅太阳能电池太阳能发电宗旨：降低成本和提高效率多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓III-V化合物电池的转换效率可达30%以上，砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是砷化镓材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。多元化合物薄膜太阳能电池铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退效应的问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。金属栅状电极减反射膜窗口层(ZnO)过渡层(CdS)光吸收层(CIS)金属背电极(MO)玻璃衬底有机化合物太阳能电池有机太阳能电池以有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、pn异质结结构和染料敏化纳米晶结构。根据有关调查数据，有机太阳能电池的成本平均只有硅太阳能电池的10%--20%；然而，目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10%，这是制约其全面推广的主要问题。因此，如何提高光电转换率是今后应该解决的重点问题。有机化合物太阳能电池2009年4月26日《naturephotonics》上的高效单结电池敏化纳米晶太阳能电池染料敏化TiO2太阳电池实际上是一种光电化学电池。1991年，瑞士洛桑高等工业学院(EPFL)的MichaelGrätzel教授领导的研究小组用廉价的宽带隙氧化物半导体TiO2制备成纳米晶薄膜,薄膜上吸附大量羧酸-联吡啶Ru(II)的配合物的敏化染料，并选用含氧化还原电对的低挥发性盐作为电解质，研制成一种称为染料敏化纳米晶太阳能电池。纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上。但此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。基本原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。敏化纳米晶太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。各类太能能性能比较010203040单晶硅多晶硅非晶硅砷化镓碲化镉硒化铜铟纳米晶硅微晶硅聚合硅几种材料能源转换效率能源转换效率（%）各类太阳能性能比较种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅15~24%13~20%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐成本高多晶硅10~17%10~15%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅8~13%5~10%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低转换效率较高稳定性不高各类太阳能性能比较种类材料单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓19~32%23~30%MOVPE和LPPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉有剧毒碲化镉10~15%7~10%铜铟硒10~12%8~10%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池8~11%5~8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定聚合物多层修饰电极型太阳能电池3~5%处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短各类太阳能市场份额