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, 生長溫度在500℃等特點。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高，并且隨著熱處理時間的增長, 速率會降低。有人采用MILC和光脈沖輻射相結合的方法，實現(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，還有超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)、電子束蒸發(fā)等。用UHV/CVD生長多晶硅，當生長溫度低于550℃時能生成高質量細顆粒多晶硅薄膜，不用再結晶處理，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)，多晶硅技術的發(fā)展必將跨上一個新的臺階，從而推動整個半導體產業(yè)和相關行業(yè)的發(fā)展。

　　總的來說,高溫技術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.其缺點是能耗高、工藝復雜,襯底材料成本高. 低溫晶化技術制備的薄膜晶粒尺寸小, 電池效率也低, 但其最大的優(yōu)點是便于采用玻璃等廉價材料作襯底,工藝較簡單,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構, 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疊層結構代替a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結疊層結構,可將太陽電池光譜響應的長波限從目前的0.9μm擴展到 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12%. 理論上a-Si/poly-Si疊層電池的效率可達28%. Kaneka公司設計的STAR結構的多晶硅薄膜電池, 效率已達10.7%, 且無光致衰退現(xiàn)象; 另一種SOI結構的多晶硅薄膜電池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. 理論和實驗均表明多晶硅太陽電池很可能成為21世紀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)化設計,將使硅基薄膜太陽電池性質躍上新的臺階.

　　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族化合物半導體,具有黃銅礦閃鋅礦兩個同素異形的晶體結構.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方法兩種. 經過多年的研究和開發(fā), CdS/CuInSe2電池組件的效率已達11%, CdS/CuInGaSe2 電池組件的效率已達18%, 並已建立起了工業(yè)化生產線. 該電池的主要優(yōu)點是: 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, 其光學帶隙可從1.02eV變至1.68eV, 這點對于制造多結疊層太陽電池極為有利; 電池的光電轉換效率比較高. 主要問題是: 制造過程比較復雜; 關鍵原料如銦的供應, 其天然儲量相當有限; 太陽電池中的緩沖層材料 CdS是必不可少的, 其毒性對環(huán)境的危害, 極大地影響了它的廣泛應用. 美國的Shell Solar公司正在進行這種電池的商業(yè)化生產, 建立了世界上第一條CIS薄膜太陽電池生產線，組件效率達11%。2001年銷售CIS組件0。4MWp，生產能力達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以類似油墨的制造過程, 制備層狀結構, 已獲成功, 能否發(fā)展成規(guī)模化的制造過程, 還有待時間. 另外美國的NREL公司亦成功地開發(fā)了一種三級制造過程, 在實驗室獲得了19.2% 的光電轉換效率. 不過其制造過程太復雜,花費亦大,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族化合物通過相對簡單且成本低的工藝沉積在襯底上經干燥和燒結而成,其研究歷史悠久.1982年Kodak公司做出了轉換效率超過10%的電池,目前實驗室的效率達到16.5%, 中試線的效率達到10%, 已由實驗室的研究階段走向規(guī)?；I(yè)生產. 典型的CdTe太陽電池結構是由約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, 光的吸收系數大于105cm-1, 因此數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、 化學氣相反應法、原子層外延法、 網印法、 電流沉積法、 化學噴塗法、 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)生產的主要方法. 沉積時溫度較低,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的原因是:鎘的毒性會對環(huán)境造成的危害; 組件和襯底材料成本太高, 占總成本的53%, 而半導體材料只占5.5%; 碲的天然儲量有限.

　　6．染料敏化太陽電池(DSSC)

　　此類太陽電池源自19世紀照相技術的概念. 直到1991年瑞士科學家Gratzel采用納米結構的電極材料, 以及配以適當的染料, 做出了光電轉換效率大于7%的太陽電池. 此后該領域的開發(fā)研究才引起人們的關注. 這種概念的太陽電池完全不同于傳統(tǒng)的半導體光伏發(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, 染料中的價電子受光激發(fā)躍遷到高能態(tài), 進而傳導到納米多孔二氧化鈦半導體電極上, 經由電路引至外部, 失去電子的染料則經由電池中的電解質獲得電子, 電解質是含碘的有機溶劑.

　　這類電池的結構一般有兩種, 實驗室制備的通常為三明治結構, 上下均為玻璃, 玻璃內側涂有TCO, 當中包括含有染料的二氧化鈦以及電解質. 為利用已較成熟的薄膜太陽電池制造技術, Gratzel等于1996年研究出三層式的單片電池結構, 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的制造工藝亦可應用于此. 德國的 ISE公司已開發(fā)出絲網印刷方式的生產工藝, 制造過程非常簡單.

　　染料敏化太陽電池如要成為具有商業(yè)競爭力,甚至達到具有高的市場占有率, 如下幾點是必需考慮:

　　1)太陽電池本身的長期穩(wěn)定性,盡管有一些測試,*估推算出使用十年沒問題, 但畢竟缺乏長期使用的實測數據.

　　2)對于大面積的制造技術仍有待開發(fā).

　　3)對整體電池組件的研究開發(fā)仍有許多工作要做.

　　用光穩(wěn)定性更好的半導體材料代替多孔的二氧化鈦理論上應較易獲得更耐久的染料太陽電池, 有關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的最佳染料有機釕金屬亦是一項熱門研究課題, 如獲成功則可免除使用貴金屬釕, 染料成本可大幅降低.

　　7．有機薄膜太陽電池

　　有機薄膜太陽電池是把兩層有機半導體薄膜結合在一起, 其光電轉換效率約為1% .近期日本產業(yè)技術綜合研究所宣布已開發(fā)出一種新型的有機薄膜太陽電池, 即在原有的二層構造中間加入一種混合薄膜變成三層結構 ,這樣就增加了產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換效率, 達到4%, 比原來二層結構的提高了4倍.

　　有機薄膜太陽電池使用塑料等質輕柔軟的材料為基板,有機小分子光電轉換材料本身具有低成本，可以加工成大面積，合成、表征相對簡單，化學結構容易修飾，可根據需要增減功能基團，可通過不同的方式互相組合，以達到不同的目的。 因此對它的實用化期待很高, 研究人員表示, 通過進一步研究有望開發(fā)出光電轉換效率達20% 的可投入實用的有機薄膜太陽電池, 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.

　　與無機光伏材料相比，有機光伏材料的激子結合能大，不容易自然分離成正負電荷，這樣吸收光就不一定產生光電流；電子不是通過能帶，而是通過能級間的躍遷而傳輸，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；溫度變化對光電流的產生有很大影響。這些問題限制了有機太陽電池的發(fā)展。 最近有人提出充分利用有機材料和無機材料的優(yōu)點制備有機/無機材料的復合器件，成為當前研究的一個新熱點。

　　8．結語

　　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. 當前太陽電池產業(yè)呈現(xiàn)35% 的年增長率. 薄膜太陽電池亦發(fā)展很快, 但傳統(tǒng)硅太陽電池的技術發(fā)展