太阳能的利用—薄膜太阳电池

硅太阳电池的应用日趋广泛, 但昂贵的原材料成为发展的瓶颈. 薄膜太阳电池由于只需使用一层极薄的光电材料，材料使用非常少。并可使用软性衬底，应用弹性大，如果技术发展成熟，其市场面将相当宽阔。本文就迄今被人们广为关注的薄膜太阳电池, 即非晶硅薄膜太阳电池，微（多）晶硅薄膜太阳电池，铜铟硒薄膜太阳电池，碲化镉薄膜太阳电池，染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池的发展概况,技术难点和优缺点进行论述.

　　1 引言

　　新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源,既可作为独立能源, 亦可实现并网发电, 而且是零污染排放。硅太阳电池由于成本原因, 最初只能用于空间, 随着技术发展和生产工艺成熟, 其成本日趋下降, 应用也逐步扩大. 面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染, 以至危及人类自身生存的现实, 开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受. 发电能力超过100兆瓦的超大型光伏发电站相继在世界各处建造, 发电能力为几十兆瓦的大型光伏发电站更不在少数(在建的和已建成的). 大规模的发展使得上游原材料的生产供不应求, 问题日益突出, 许多太阳电池芯片生产厂家和组件生产厂家因原材料问题而不得不经常处于停产状态, 原材料的供应和价格成了制约当前太阳电池生产的瓶颈.

　　大力发展薄膜型太阳电池不失为当前最为明智的选择, 薄膜电池的厚度一般大约为0.5至数微米, 不到晶体硅太阳电池的1/100, 大大降低了原材料的消耗, 因而也降低了成本. 薄膜电池可沉积在玻璃、不锈钢片或聚脂薄膜等廉价的衬底上, 可以弯曲甚至可以卷起来, 便于携带.

　　薄膜太阳电池的研究始于20世纪60年代, 目前从国际上的发展趋势看主要是非晶硅 (a-Si:H) 薄膜太阳电池, 微(多)晶硅薄膜太阳电池, 铜铟硒 (CuInSe,CIS) 薄膜太阳电池, 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池, 染料敏化薄膜太阳电池(DSSC), 有机薄膜太阳电池. 以下分别概述各类薄膜太阳电池的研发情况.

　　2非晶硅薄膜太阳电池

　　2．1 主要进展

　　非晶硅薄膜太阳电池在20世纪70年代世界能源危机时获得了迅速发展, 它在降低成本方面的巨大潜力, 引起了世界各国研究单位、企业和政府的普遍重视, 其主要特点是

　　（1） 重量轻,比功率高

　　在不锈钢衬底和聚脂薄膜衬底上制备的非晶硅薄膜电池, 重量轻、柔软,具有很高的比功率.在不锈钢衬底上的比功率可达1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率最高可达2000W/Kg. 而晶体硅的比功率一般仅40-100W/Kg. 由于衬底很薄,可以卷曲、裁剪, 便于携带, 这对于降低运输成本特别是对于空间应用十分有利.

　　（2） 抗辐照性能好

　　由于晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池在受到宇宙射线粒子辐照时, 少子寿命明显下降. 如在1Mev电子辐射通量1×1016e/cm2时, 其输出功率下降60%, 这对于空间应用来说是个严重问题. 而非晶硅太阳电池则表现出良好的抗辐射能力, 因宇宙射线粒子的辐射不会(或很小)影响非晶硅太阳电池中载流子的迁移率, 但却能大大减少晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池中少子的扩散长度, 使电池的内量子效率下降. 在相同的粒子辐照通量下, 非晶硅太阳电池的抗辐射能力 (效率10%, AM0条件下) 远大于单晶硅太阳电池的50倍, 具有良好的稳定性. 多结的非晶硅太阳电池比单结的具有更高的抗辐照能力.

　　（3） 耐高温

　　单晶硅材料的能带宽度为1.1eV, 砷化镓的能带宽度为1.35eV, 而非晶硅材料的光学带隙大于1.65 eV, 有相对较宽的带隙, 所以非晶硅材料比单晶硅和砷化镓材料有更好的温度特性. 在同样的工作温度下, 非晶硅太阳电池的饱和电流远小于单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池, 而短路电流的温度系数却高于晶体硅电池的1倍, 这十分有利在较高温下保持较高的开路电压(Voc)和曲线因子(FF). 在盛夏,太阳电池表面温度达到60-70度是常有的, 良好的温度特性是十分重要的.

　　据报导在空间应用时, 由于辐照和高温的原因,初始稳定效率为9%的非晶硅太阳电池, 其性能优于初始效率为14%的单晶硅太阳电池.

非晶硅太阳电池经过30多年的发展, 在技术上已取得很大进展, 主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜来替代非晶硅薄膜做窗口材料, 以改善电池的短波方向光谱响应; 采用梯度界面层, 以改善异质界面的输运特性; 采用微晶硅薄膜做n型层, 以减少电池的串联电阻; 用绒面二氧化锡代替平面氧化铟锡; 采用多层背反射电极, 以减少光的反射和透射损失, 提高短路电流; 采用激光刻蚀技术, 实现电池的集成化加工; 采用叠层的电池结构, 以扩展电池的光谱响应范围, 提高光电转换