太阳能的利用—薄膜太阳电池

因微晶硅薄膜和多晶硅薄膜比非晶硅锗(a-SiGe)具有更窄的带隙(1.12eV),用a-Si/μc-Si和a-Si/poly-Si叠层结构代替a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构,可将太阳电池光谱响应的长波限从目前的0.9μm扩展到 1.1μm, 这样可提高10% 的太阳能的利用率. 目前非晶硅和微晶硅叠层太阳电池的稳定效率已达12%. 理论上a-Si/poly-Si叠层电池的效率可达28%. Kaneka公司设计的STAR结构的多晶硅薄膜电池, 效率已达10.7%, 且无光致衰退现象; 另一种SOI结构的多晶硅薄膜电池10cmχ10cm, 获得了14.22%的效率, H.Morikawa 等制出了效率为16% 的多晶硅太阳电池. 理论和实验均表明多晶硅太阳电池很可能成为21世纪最有前途的一种薄膜太阳电池.大面积多(微)晶硅薄膜的获得及与非晶硅的最佳优化设计,将使硅基薄膜太阳电池性质跃上新的台阶.

　　4．铜铟硒(CIS)薄膜和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池

　　铜铟硒薄膜是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体,具有黄铜矿闪锌矿两个同素异形的晶体结构.掺入镓即形成四元化合物.

　　铜铟硒薄膜和铜铟镓硒薄膜的制备方法很多,大致有物理方法和化学方法两种. 经过多年的研究和开发, CdS/CuInSe2电池组件的效率已达11%, CdS/CuInGaSe2 电池组件的效率已达18%, 並已建立起了工业化生产线. 该电池的主要优点是: 材料具有较高的光吸收(∝>105cm-1), 所需材料厚度小于1μm, 90% 以上的光子可被吸收; 生产成本低, 仅为硅太阳电池的1/3-1/2, CIGS材料随着铟镓含量不同, 其光学带隙可从1.02eV变至1.68eV, 这点对于制造多结叠层太阳电池极为有利; 电池的光电转换效率比较高. 主要问题是: 制造过程比较复杂; 关键原料如铟的供应, 其天然储量相当有限; 太阳电池中的缓冲层材料 CdS是必不可少的, 其毒性对环境的危害, 极大地影响了它的广泛应用. 美国的Shell Solar公司正在进行这种电池的商业化生产, 建立了世界上第一条CIS薄膜太阳电池生产线，组件效率达11%。2001年销售CIS组件0。4MWp，生产能力达25MW/年，2002年出口15MWp，2003年增加到40MWp。 ISET公司提出了利用纳米技术以类似油墨的制造过程, 制备层状结构, 已获成功, 能否发展成规模化的制造过程, 还有待时间. 另外美国的NREL公司亦成功地开发了一种三级制造过程, 在实验室获得了19.2% 的光电转换效率. 不过其制造过程太复杂,花费亦大,放大亦不易.

　　5．碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池

　　这种太阳电池系由CdTe、CdS和Ⅱ-Ⅵ族化合物通过相对简单且成本低的工艺沉积在衬底上经干燥和烧结而成,其研究历史悠久.1982年Kodak公司做出了转换效率超过10%的电池,目前实验室的效率达到16.5%, 中试线的效率达到10%, 已由实验室的研究阶段走向规模化工业生产. 典型的CdTe太阳电池结构是由约2μm层的p型碲化镉层和0.1μm厚的n型硫化镉形成, 光子吸收发生在碲化镉层, 光的吸收系数大于105cm-1, 因此数微米厚的材料可吸收大于90%的光子.

　　目前已开发了多种CeTe薄膜的制造工艺, 如溅射法、 化学气相反应法、原子层外延法、 网印法、 电流沉积法、 化学喷塗法、 密堆积升华法等. 其中电流沉积法是最便宜的, 也是目前工业生产的主要方法. 沉积时温度较低,所消耗的碲元素也最少.

　　这种薄膜太阳电池难以大批量生产的原因是:鎘的毒性会对环境造成的危害; 组件和衬底材料成本太高, 占总成本的53%, 而半导体材料只占5.5%; 碲的天然储量有限.

　　6．染料敏化太阳电池(DSSC)

　　此类太阳电池源自19世纪照相技术的概念. 直到1991年瑞士科学家Gratzel采用纳米结构的电极材料, 以及配以适当的染料, 做出了光电转换效率大于7%的太阳电池. 此后该领域的开发研究才引起人们的关注. 这种概念的太阳电池完全不同于传统的半导体光伏发电原理, 可说是第三代太阳电池。 其原理是借助于染料作为吸光材料, 染料中的价电子受光激发跃迁到高能态, 进而传导到纳米多孔二氧化钛半导体电极上, 经由电路引至外部, 失去电子的染料则经由电池中的电解质获得电子, 电解质是含碘的有机溶剂.

　　这类电池的结构一般有两种, 实验室制备的通常为三明治结构, 上下均为玻璃, 玻璃内侧涂有TCO, 当中包括含有染料的二氧化钛以及电解质. 为利用已较成熟的薄膜太阳电池制造技术, Gratzel等于1996年研究出三层式的单片电池结构, 用碳电极取代一层TCO薄膜, 各层的制备可直接沉积在另一层的TCO薄膜上. 玻璃並非为必然的基材, 其他可挠性透明材料均可使用, 因此roll-to-roll的制造工艺亦可应用于此. 德国的 ISE公司已开发出丝网印刷方式的生产工艺, 制造过程非常简单.

染料敏化太阳电池如要成为具有商业竞争力,甚至达到