太陽能的利用—薄膜太陽電池

　　該法制備多晶硅薄膜具有均勻性高、成本低, 生長(zhǎng)溫度在500℃等特點(diǎn)。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高，并且隨著熱處理時(shí)間的增長(zhǎng), 速率會(huì)降低。有人采用MILC和光脈沖輻射相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了 a-Si薄膜在低溫環(huán)境下快速橫向晶化，得到高遷移率、低金屬污染的多晶硅帶。

　　（7）其他方法

　　除了上述幾種制備多晶硅薄膜的主要方法外，還有超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD)、電子束蒸發(fā)等。用UHV/CVD生長(zhǎng)多晶硅，當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于550℃時(shí)能生成高質(zhì)量細(xì)顆粒多晶硅薄膜，不用再結(jié)晶處理，這是傳統(tǒng)CVD做不到的，因此該法很適用于低溫多晶硅薄膜晶體管制備。另外，日立公司研究指出，多晶硅還可用電子束蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)，溫度低于 530℃。因此，我們相信隨著上述幾種多晶硅制備方法的日益成熟和新的制備方法的出現(xiàn)，多晶硅技術(shù)的發(fā)展必將跨上一個(gè)新的臺(tái)階，從而推動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

　　總的來說,高溫技術(shù)晶化的材料具有較大的晶粒尺寸,用這種材料制備的電池效率在10%以上.其缺點(diǎn)是能耗高、工藝復(fù)雜,襯底材料成本高. 低溫晶化技術(shù)制備的薄膜晶粒尺寸小, 電池效率也低, 但其最大的優(yōu)點(diǎn)是便于采用玻璃等廉價(jià)材料作襯底,工藝較簡(jiǎn)單,能耗低. 如將微晶硅薄膜或多晶硅薄膜作為窄帶隙材料與非晶硅薄膜組成疊層電池結(jié)構(gòu), 則可更充分地利用太陽光譜. 因微晶硅薄膜和多晶硅薄膜比非晶硅鍺(a-SiGe)具有更窄的帶隙(1.12eV),用a-Si/μc-Si和a-Si/poly-Si疊層結(jié)構(gòu)代替a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)疊層結(jié)構(gòu),可將太陽電池光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限從目前的0.9μm擴(kuò)展到 1.1μm, 這樣可提高10% 的太陽能的利用率. 目前非晶硅和微晶硅疊層太陽電池的穩(wěn)定效率已達(dá)12%. 理論上a-Si/poly-Si疊層電池的效率可達(dá)28%. Kaneka公司設(shè)計(jì)的STAR結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池, 效率已達(dá)10.7%, 且無光致衰退現(xiàn)象; 另一種SOI結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池10cmχ10cm, 獲得了14.22%的效率, H.Morikawa 等制出了效率為16% 的多晶硅太陽電池. 理論和實(shí)驗(yàn)均表明多晶硅太陽電池很可能成為21世紀(jì)最有前途的一種薄膜太陽電池.大面積多(微)晶硅薄膜的獲得及與非晶硅的最佳優(yōu)化設(shè)計(jì),將使硅基薄膜太陽電池性質(zhì)躍上新的臺(tái)階.

　　4．銅銦硒(CIS)薄膜和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池

　　銅銦硒薄膜是一種Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體,具有黃銅礦閃鋅礦兩個(gè)同素異形的晶體結(jié)構(gòu).摻入鎵即形成四元化合物.

　　銅銦硒薄膜和銅銦鎵硒薄膜的制備方法很多,大致有物理方法和化學(xué)方法兩種. 經(jīng)過多年的研究和開發(fā), CdS/CuInSe2電池組件的效率已達(dá)11%, CdS/CuInGaSe2 電池組件的效率已達(dá)18%, 並已建立起了工業(yè)化生產(chǎn)線. 該電池的主要優(yōu)點(diǎn)是: 材料具有較高的光吸收(∝>105cm-1), 所需材料厚度小于1μm, 90% 以上的光子可被吸收; 生產(chǎn)成本低, 僅為硅太陽電池的1/3-1/2, CIGS材料隨著銦鎵含量不同, 其光學(xué)帶隙可從1.02eV變至1.68eV, 這點(diǎn)對(duì)于制造多結(jié)疊層太陽電池極為有利; 電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較高. 主要問題是: 制造過程比較復(fù)雜; 關(guān)鍵原料如銦的供應(yīng), 其天然儲(chǔ)量相當(dāng)有限; 太陽電池中的緩沖層材料 CdS是必不可少的, 其毒性對(duì)環(huán)境的危害, 極大地影響了它的廣泛應(yīng)用. 美國(guó)的Shell Solar公司正在進(jìn)行這種電池的商業(yè)化生產(chǎn), 建立了世界上第一條CIS薄膜太陽電池生產(chǎn)線，組件效率達(dá)11%。2001年銷售CIS組件0。4MWp，生產(chǎn)能力達(dá)25MW/年，2002年出口15MWp，2003年增加到40MWp。 ISET公司提出了利用納米技術(shù)以類似油墨的制造過程, 制備層狀結(jié)構(gòu), 已獲成功, 能否發(fā)展成規(guī)?；闹圃爝^程, 還有待時(shí)間. 另外美國(guó)的NREL公司亦成功地開發(fā)了一種三級(jí)制造過程, 在實(shí)驗(yàn)室獲得了19.2% 的光電轉(zhuǎn)換效率. 不過其制造過程太復(fù)雜,花費(fèi)亦大,放大亦不易.

　　5．碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池

　　這種太陽電池系由CdTe、CdS和Ⅱ-Ⅵ族化合物通過相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低的工藝沉積在襯底上經(jīng)干燥和燒結(jié)而成,其研究歷史悠久.1982年Kodak公司做出了轉(zhuǎn)換效率超過10%的電池,目前實(shí)驗(yàn)室的效率達(dá)到16.5%, 中試線的效率達(dá)到10%, 已由實(shí)驗(yàn)室的研究階段走向規(guī)?；I(yè)生產(chǎn). 典型的CdTe太陽電池結(jié)構(gòu)是由約2μm層的p型碲化鎘層和0.1μm厚的n型硫化鎘形成, 光子吸收發(fā)生在碲化鎘層, 光的吸收系數(shù)大于105cm-1, 因此數(shù)微米厚的材料可吸收大于90%的光子.

　　目前已開發(fā)了多種CeTe薄膜的制造工藝, 如濺射法、 化學(xué)氣相反應(yīng)法、原子層外延法、 網(wǎng)印法、 電流沉積法、 化學(xué)噴塗法、 密堆積升華法等. 其中電流沉積法是最便宜的, 也是目前工業(yè)生產(chǎn)的主要方法. 沉積時(shí)溫度較低,所消耗的碲元素也最少.

　　這種薄膜太陽電池難以大批量生產(chǎn)的原因是:鎘的毒性會(huì)對(duì)環(huán)境造成的危害; 組件和襯底材料成本太高, 占總成本的53%, 而半導(dǎo)體材料只占5.5%; 碲的天然儲(chǔ)量有限.

　　6．染料敏化太陽電池(DSSC)

　　此類太陽電池源自19世紀(jì)照相技術(shù)的概念. 直到1991年瑞士科學(xué)家Gratzel采用納米結(jié)構(gòu)的電極材料, 以及配以適當(dāng)?shù)娜玖? 做出了光電轉(zhuǎn)換效率大于7%的太陽電池. 此后該領(lǐng)域的開發(fā)研究才引起人們的關(guān)注. 這種概念的太陽電池完全不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光伏發(fā)電原理, 可說是第三代太陽電池。 其原理是借助于染料作為吸光材料, 染料中的價(jià)電子受光激發(fā)躍遷到高能態(tài), 進(jìn)而傳導(dǎo)到納米多孔二氧化鈦半導(dǎo)體電極上, 經(jīng)由電路引至外部, 失去電子的染料則經(jīng)由電池中的電解質(zhì)獲得電子, 電解質(zhì)是含碘的有機(jī)溶劑.

　　這類電池的結(jié)構(gòu)一般有兩種, 實(shí)驗(yàn)室制備的通常為三明治結(jié)構(gòu), 上下均為玻璃, 玻璃內(nèi)側(cè)涂有TCO, 當(dāng)中包括含有染料的二氧化鈦以及電解質(zhì). 為利用已較成熟的薄膜太陽電池制造技術(shù), Gratzel等于1996年研究出三層式的單片電池結(jié)構(gòu), 用碳電極取代一層TCO薄膜, 各層的制備可直接沉積在另一層的TCO薄膜上. 玻璃並非為必然的基材, 其他可撓性透明材料均可使用, 因此roll-to-roll的制造工藝亦可應(yīng)用于此. 德國(guó)的 ISE公司已開發(fā)出絲網(wǎng)印刷方式的生產(chǎn)工藝, 制造過程非常簡(jiǎn)單.

　　染料敏化太陽電池如要成為具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,甚至達(dá)到具有高的市場(chǎng)占有率, 如下幾點(diǎn)是必需考慮:

　　1)太陽電池本身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,盡管有一些測(cè)試,*估推算出使用十年沒問題, 但畢竟缺乏長(zhǎng)期使用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

　　2)對(duì)于大面積的制造技術(shù)仍有待開發(fā).

　　3)對(duì)整體電池組件的研究開發(fā)仍有許多工作要做.

　　用光穩(wěn)定性更好的半導(dǎo)體材料代替多孔的二氧化鈦理論上應(yīng)較易獲得更耐久的染料太陽電池, 有關(guān)這方面的研究有部分研究單位正在積極投入. 此外開發(fā)新式染料來取代迄今公認(rèn)的最佳染料有機(jī)釕金屬亦是一項(xiàng)熱門研究課題, 如獲成功則可免除使用貴金屬釕, 染料成本可大幅降低.

　　7．有機(jī)薄膜太陽電池

　　有機(jī)薄膜太陽電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)合在一起, 其光電轉(zhuǎn)換效率約為1% .近期日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所宣布已開發(fā)出一種新型的有機(jī)薄膜太陽電池, 即在原有的二層構(gòu)造中間加入一種混合薄膜變成三層結(jié)構(gòu) ,這樣就增加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積, 從而大大提高了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率, 達(dá)到4%, 比原來二層結(jié)構(gòu)的提高了4倍.

　　有機(jī)薄膜太陽電池使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板,有機(jī)小分子光電轉(zhuǎn)換材料本身具有低成本，可以加工成大面積，合成、表征相對(duì)簡(jiǎn)單，化學(xué)結(jié)構(gòu)容易修飾，可根據(jù)需要增減功能基團(tuán)，可通過不同的方式互相組合，以達(dá)到不同的目的。 因此對(duì)它的實(shí)用化期待很高, 研究人員表示, 通過進(jìn)一步研究有望開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)20% 的可投入實(shí)用的有機(jī)薄膜太陽電池, 也許在不久的將來, 塑料材料的太陽電池將出現(xiàn)在人們的日常生活中.

　　與無機(jī)光伏材料相比，有機(jī)光伏材料的激子結(jié)合能大，不容易自然分離成正負(fù)電荷，這樣吸收光就不一定產(chǎn)生光電流；電子不是通過能帶，而是通過能級(jí)間的躍遷而傳輸，電子遷移率明顯較低；許多材料在氧和水的環(huán)境下不穩(wěn)定；溫度變化對(duì)光電流的產(chǎn)生有很大影響。這些問題限制了有機(jī)太陽電池的發(fā)展。 最近有人提出充分利用有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)制備有機(jī)/無機(jī)材料的復(fù)合器件，成為當(dāng)前研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。

　　8．結(jié)語

　　從以上所述的各類薄膜太陽電池的發(fā)展情況, 不難發(fā)現(xiàn)努力提高光電轉(zhuǎn)換效率和大幅降低太陽電池的成本是各類薄膜太陽電池的共同課題. 當(dāng)前太陽電池產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)35% 的年增長(zhǎng)率. 薄膜太陽電池亦發(fā)展很快, 但傳統(tǒng)硅太陽電池的技術(shù)發(fā)展