非晶硅薄膜電池

簡介

非晶硅（amorphous silicon α-Si）又稱無定形硅。單質(zhì)硅的一種形態(tài)。棕黑色或灰黑色的微晶體。硅不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點、密度和硬度也明顯低于晶體硅。 非晶硅的化學(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑?？捎苫顫娊饘伲ㄈ玮c、鉀等） 在加熱下還原四鹵化硅，或用碳等還原劑還原二氧化硅制得。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長程無序的α-硅。純α-硅因缺陷密度高而無法使用。采用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶硅薄膜，氫在其中補償懸掛鏈，并進行摻雜和制作pn結(jié)。非晶硅在太陽輻射峰附近的光吸收系數(shù)比晶體硅大一個數(shù)量級。禁帶寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠比晶體硅低?，F(xiàn)已工業(yè)應(yīng)用，主要用于提煉純硅，制造太陽電池、薄膜晶體管、復(fù)印鼓、光電傳感器等。 非晶硅薄膜電池的起源 非晶硅薄膜太陽能電池由Carlson和Wronski在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)成功，80年代其生產(chǎn)曾達到高潮，約占全球太陽能電池總量的20％左右，但由于非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率低于晶體硅太陽能電池，而且非晶硅太陽能電池存在光致衰減效應(yīng)的缺點：光電轉(zhuǎn)換效率會在頭1000個光照時間內(nèi)逐漸衰減到穩(wěn)定狀態(tài)，對薄膜電池的應(yīng)用存在影響。

? ? ? ?非晶硅薄膜電池的優(yōu)點

1. 低成本

單結(jié)非晶硅太陽電池的厚度0.2um。主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng)，且十分便宜。目前晶體硅太陽電池的基本厚度多為200um以下，相差1000倍，大規(guī)模生產(chǎn)需極大量的半導(dǎo)體級硅，僅硅片的成本就占整個太陽電池成本的65-70%，目前在中國晶體硅太陽電池的硅材料成本大概為0.2USD/W左右。幾年前，從原材料供應(yīng)角度考慮，人類大規(guī)模使用太陽光發(fā)電，非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池是比較好的選擇。但是在最近兩年，硅材料的成本快速下跌，從成本的角度來說，除個別廠家外，非晶硅太陽能電池已經(jīng)不具備之前的競爭力。

2. 能量返回期短

轉(zhuǎn)換效率為6%的非晶硅太陽電池，其生產(chǎn)用電約1.9度電/瓦，由它發(fā)電后返回的時間約為1.5-2年，這是晶硅太陽電池?zé)o法比擬的。

3. 大面積自動化生產(chǎn)

目前，世界上最大的非晶硅太陽電池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 設(shè)備生產(chǎn)的1100mm*1250mm單結(jié)晶非晶硅太陽電池，其初始效率高于9%。其穩(wěn)定輸出功率接近80W/片。 商品晶體硅太陽電池還是以156mm*156mm和125mm*125mm為主。 4.高溫性能好

當(dāng)太陽能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測試溫度25℃時，其最佳輸出功率會有所下降；非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多。

5.短波響應(yīng)優(yōu)于晶體硅太陽能電池

上海尤力卡公司曾在中國甘肅省酒泉市安裝一套6500瓦非晶硅太陽能電站，其每千瓦發(fā)電量為1300KWh，而晶體硅太陽電池每千瓦的年發(fā)電量約為1100-1200KWh。非晶硅太陽電池顯示出其極大的使用優(yōu)勢。下圖為該電站的現(xiàn)場照片，第一代非晶硅太陽電池的以上優(yōu)點已被人們所接受。2003年以來全世界太陽能市場需求量急劇上升，非晶硅太陽電池也出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。

目前存在的問題

（1）效率較低 單晶硅太陽能電池，單體效率為14%-17%（AMO），而柔性基體非晶硅太陽電池組件（約1000平方厘米）的效率為10-12%，還存在一定差距。 相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加，對于對太陽能電池占地面積要求不高的場合尤其適用，如農(nóng)村和西部地區(qū)。 我國目前尚有約28000個村莊、700萬戶、大約3000萬農(nóng)村人口還沒有用上電， 60%的有電縣嚴(yán)重缺電；光致衰減效應(yīng)也可在電量輸出中加以考慮，我們認(rèn)為以上缺點已不成為其發(fā)展的障礙，非晶硅太陽能電池已迎來新的發(fā)展機遇。

（2）穩(wěn)定性問題 非晶硅太陽能電池的光致衰減，所謂的W-S效應(yīng)，是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前，柔性基體非晶硅太陽能電池穩(wěn)定效率已超過10%，已具備作為空間能源的基本條件。

（3）成本問題 非晶硅太陽能電池投資額是晶體硅太陽能電池的5倍左右，因此項目投資有一定的資金壁壘。且，成本回收周期較長，昂貴的設(shè)備折舊率是大額回報率的一大瓶頸。

非晶硅薄膜電池的市場應(yīng)用

（1）大規(guī)模發(fā)電站

（2）與建筑相結(jié)合，建造太陽能房 非晶硅太陽能電池可以制成半透明的，如作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過玻璃進入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明（紫外線被濾掉）能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電;美國，歐洲和日本的太陽能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅組件。

（3）太陽能照明光源

（4）弱光下使用

碲化鎘薄膜電池

簡介

（1）碲化鎘 CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率（28%），性能很穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽電池通常以CdS／CdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良，制成的太陽電池的填充因子高達FF=0.75。

（2）制備工藝 制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe、CdS漿料進行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜，然后在600～700℃可控氣氛下進行熱處理1h得大晶粒薄膜。近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500～600℃，沉積速率10μm/min.真空蒸發(fā)法：將CdTe從約700℃加熱鉗堝中升華，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1nm/s.以CdTe吸收層，CdS作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背電極。 碲化鎘電池現(xiàn)狀 （1）轉(zhuǎn)換效率 碲化鎘薄膜太陽能電池的發(fā)展受到國內(nèi)外的關(guān)注，其小面積電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了16.5%，商業(yè)組件的轉(zhuǎn)換效率約9%，組件的最高轉(zhuǎn)換效率達到11%。國內(nèi)四川大學(xué)制備出轉(zhuǎn)換效率為13.38%的小面積單元太陽能電池，54cm2集成組件轉(zhuǎn)換效率達到7％，正在進行0.1m2組件生產(chǎn)線的建設(shè)和大面積電池生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。

前景展望

目前，碲化鎘薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本正在逐步接近、甚至低于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的，這種廉價的清潔能源在全世界范圍內(nèi)引起了關(guān)注，各國均在大力研究解決制約碲化鎘薄膜太陽能電池發(fā)展的因素，相信存在的問題不久將會逐個解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會的主導(dǎo)新能源之一。

砷化鎵（GaAs）薄膜電池

砷化鎵簡介

砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無線通信、光纖通信、移動通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在IC產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達到所對應(yīng)的光波波長，制作成光電元件。還可與太陽能結(jié)合制備砷化鎵太陽能電池。

砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想

在薄膜光伏電池中，非晶硅電池效率低下，且穩(wěn)定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，硒和銦是儲量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基電池，以進一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于砷化鎵基材料價格昂貴，砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運行還有很大距離。

為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出功率情況下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚光率超過10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分發(fā)揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢是，在低聚光率時，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時，則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的散熱設(shè)備?？紤]到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性，可以通過主動制冷方式，在對光伏電池快速散熱的同時，充分利用熱能生產(chǎn)熱水，最終實現(xiàn)實現(xiàn)太陽能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。