无机化合物电池资料

无机化合物电池发展概述第二组太阳光辐射主要是以可见光为中心，分布于0.3微米至几微米光谱范围，对应光子能量0.4eV~4eV之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备：能带在1.1eV~1.7eV之间(对应光波长范围0.73~1.13μm)直接能带半导体组成材料无毒性可利用薄膜沉积技术且可大面积制备有良好的光电转换效率具有长期稳定性砷化镓（GaAs）太阳能电池砷化镓（GaAs）电池GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能。优点1.光吸收系数高。2.带隙宽度与太阳光谱匹配。3.耐高温性能好。4.抗辐照性能强。1.砷化镓基单结太阳能电池1.1GaAs/GaAs同质结太阳能电池60年代初A.Gbat等人首次采用扩散法制备出原理与硅太阳能电池类似的GaAs太阳能电池，其转化效率不到10%。到了70-80年代，采用液相外延技术（LPE）制备的GaAs/GaAs太阳能电池最高效率达到21%。LPE技术存在GaAs表面复合速率高，多层结构复杂的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等问题，限制了GaAs太阳能电池性能的进一步提高，而GaAs同质结材料密度大，机械性能差，价格贵等缺点，也限制了电池的应用空间。这些问题促使人们寻找新的方法研究GaAs太阳能电池。1.2GaAs/Ge异质结太阳能电池结构：上电极，AlGaAs窗口层，GaAs发射结构，GaAs基区，GaAs缓冲区，Ge衬底，下电极。20世纪80年代，美国的ASEC公司开始采用有机物化学气相外延淀积（MOCVD）技术，并采用Ge代替GaAs做衬底，研制出GaAs/Ge异质结太阳能电池。保持了高效率，抗辐射和耐高温的优点，同时Ge机械强度高，价格是GaAs的30%，MOCVD技术使太阳能电池表面更加平整,各层厚度均匀，浓度准确可控，GaAs电池性能有很大改善，效率也进一步提高。到了20世纪90年代，很快替代了同质结电池。2.砷化镓基多结太阳能电池采用不同禁带宽带的Ⅲ-Ⅴ族材料制备的多结叠层GaAs太阳能电池，通过禁带宽带由大到小组合，使这些材料可以分别吸收和转换太阳光谱中不同波长的光，大幅提高电池的转换效率。双结叠层电池由两种不同禁带宽度的材料制成，通过隧穿结串接而成，研究比较成熟，主要有AlGaAs/GaAs，GaInP/GaAs,GaInAs/InP等。在GaInP/GaAs基础上研制出了三结太阳能电池，主要是GaInP/GaAs/Ge，有很好的高温特性，聚光显著提高电流输出，特别实现高倍聚光后，可获得更高的功率输出。研究发现，结数越多，效率越高，因此四结五结的研制将是太阳能电池研究的热点。3.GaAs基量子点太阳能电池量子点是第三代太阳能电池。（第一代是硅非晶硅，第二代是薄膜）量子点(quantumdots，QDs)又可称为纳米晶，是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由IIB～ⅥB或IIIB～VB元素组成)制成的、稳定直径在2～20nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由II．VI族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或III．V族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。产业发展现状及展望砷化镓电池主要还是应用在宇宙空间探测利用等方面，在地面使用较少。存在的问题制备费用高；砷有毒，对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁；目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制，一般制成带衬底的薄膜电池，需要构造隧道和防止形成寄生的p/n结，这增加了技术的难度一种比较有前途的光伏发电装置，对促进未来人类新能源利用，创造洁净生存环境是一个好的备选项.碲化镉（CdTe）太阳能电池一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池，是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。第一个碲化镉薄膜太阳能电池是由RCA实验室于1976年在CdTe单晶上镀上In的合金制得的，其光电转换效率为2.1%。20世纪90年代初，碲化镉薄膜太阳能电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在1%左右。目前碲化镉薄膜太阳能电池在实验室中获得的最高光电转换效率已达到17.3%。其商用模块的转换效率也达到了10%左右。碲化镉薄膜电池的结构一般标准的碲化镉薄膜太阳能电池由五层结构组成:玻璃衬底起支架、防止污染和入射太阳光的作用。TCO层即透明导电氧化层。透光和导电的作用。CdS窗口层n型半导体，与p型CdTe组成p-n结。CdTe吸收层主体吸光层，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。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。碲化镉薄膜电池优点理想的禁带宽度CdTe的禁带宽度一般为1.45eV，CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配。高光吸收率吸收系数在可见光范围高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。转换效率高理论光电转换效率约为28%。电池性能稳定一般设计使用时间为20年。电池结构简单制造成本低，容易实现规模化生产。碲化镉电池发展趋势及展望问题：地球上碲的储藏量是否能满足工业化规模生产及应用；含有重金属元素镉等目前，碲化镉薄膜太阳能电池的生产成本正在逐步接近、甚至低于传统发电系统的，这种廉价的清洁能源在全世界范围内引起了关注，各国均在大力研究解决制约碲化镉薄膜太阳能电池发展的因素。铜铟硒(CIS)太阳能薄膜电池CIS太阳电池的典型结构金属栅状电极减反射膜窗口层(ZnO)缓冲层(CdS或ZnS)吸收层(CIS)金属背电极(Mo)衬底CIS（CuInSe2、CuInS2的缩写）电池是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物半导体薄膜，薄膜总厚度大约为2－3微米，直接带隙半导体。CIS薄膜太阳能电池CIS材料的光吸收系数是现有太阳能电池材料中最高的，可使薄膜做得很薄，减低成本。CIS具有本征缺陷自掺杂特性，不需要其他元素的掺杂，仅通过调整自身元素的成分就可以获得不同的导电类型。通过控制Cu/In与S(Se)/(Cu+In)之比来控制导电类型。目前，CuInSe2和CuInS2薄膜太阳能电池的光电转换效率分别达到了17.1%和13%，虽比不上多晶硅电池，但其成本低，且发展潜力大。进一步掺入Ga元素还可以提高CIS电池的整体性能CIS薄膜太阳能电池的制备CIS薄膜的制备方法多种多样,大致可以归为三类:CuIn的合金过程和Se化分离；Cu、In、Se一起合金化；CuInSe2化合物的直接喷涂。主要的制备技术包括:真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷射热解等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效率最高。电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到了广泛研究,有相当的应用前景CIS量子点太阳能电池CuInSe2量子点的制备以TOPSe为硒源的热注入法，以油胺作活化剂液相合成CuInSe2量子点。CuInS2量子点制备金属有机化合物热注射，油胺活化，单源前躯物热解法。基本流程：清洗ITO玻璃基板—镀背电极（Mo）—在背电极上镀CIS—用化学水浴法在CIS上沉积缓冲层（CdS或ZnS）—镀减反射层（ZnO）—蒸镀栅状前电极（Al）CIS量子点太阳能电池典型结构铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜：增加入射率AZO：低阻，高透，欧姆接触i-ZnO：高阻，与CdS构成n区CdS：降低带隙的不连续性，缓冲晶格不匹配问题CIGS：吸收区，弱p型，其空间电荷区为主要工作区CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法1.衬底温度保持在约350℃左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。2.将衬底温度提高到550一580℃，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的ＣＩＧＳ薄膜。3.保持第二步的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到ＣｕＩｎ１－ｘＧａｘＳｅ２的薄膜。三步共蒸发法CIGS薄膜太阳能电池的优点材料吸收率高,吸收系数高达105量级,直接带隙,适合薄膜化,电池厚度可做到2~3微米,降低昂贵的材料成本光学带隙可调.调制Ga/In比,可使带隙在1.0~1.7eV间变化,可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配抗辐射能力强.通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验,光电转换效率几乎不变.在空间电源方面有很强的竞争力稳定性好,不存在很多电池都有的光致衰退效应电池效率高.小面积可达19.9%,大面积组件可达14.2%弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能.CIGS电池分析1.工业制造方面：优化产量、提高生产能力、降低投资成本和材料损耗；控制CIGS吸收层的沉积时间；减少投入的原料（膜厚度、纯度）；可替代缓冲层的制备、大面积柔性组件制备；低成本的封装工艺和延长组件寿命。2.基础研究方面：老化模型定量及长期稳定性的了解；定性和定量了解缺陷、杂质和亚稳态；了解沉积参数对所有的膜层、电池质量和衬底的影响；CIGSS外延掺杂；材料筛选，以减少昂贵材料的使用（高效及低成本）等等。3.技术问题包括：CIGS吸收层的低成本制备方法、组分研究、真空沉积制备技术、光吸收层发展趋势、衬底选择的发展趋势、缓冲层的发展趋势、刻蚀技术、电池模块组件以及叠层技术等等。谢谢！