非晶硅電池的優(yōu)點(diǎn)有哪些?
非晶硅電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)制造成本低。這是因?yàn)椋孩?a target="_blank">半導(dǎo)體層光吸收系數(shù)比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級，電池厚度只需1μｍ左右，約為晶體硅電池的１／３００，可節(jié)省大量硅材料。②可直接沉積出薄膜，沒有切片損失。③可采用集成技術(shù)在電池制備過程中一次完成組件，工藝過程簡單。④電池的ｐｉｎ結(jié)是在２００℃左右的溫度下制造的，比晶體硅電池的８００～１０００℃的高溫低得多，能源消耗小。⑤電池的單片面積可大到
０．７～１．０ｍ２，組裝方便，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
?２ 能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅電池的生產(chǎn)能耗僅為１００ｋＷ·ｈ左右，能源回收期僅為ｌ～１．５ａ，比晶體硅低得多。
?３ 發(fā)電量多。據(jù)測試，在相同條件下，非晶硅電池的發(fā)電量較單晶硅電池高８％左右，較多晶硅電池高１３％左右。
?４ 售價(jià)低。目前約比晶體硅電池的售價(jià)約低１／４～１／３。
影響非晶硅電池作為地面電源應(yīng)用的最主要問題，是效率低、穩(wěn)定性差。目前實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)１５％，但生產(chǎn)中電池組件的穩(wěn)定效率僅為５．５％～７．５％。引起效率低、穩(wěn)定性差的主要原因是光誘導(dǎo)衰變，即所謂的Ｓ－Ｗ效應(yīng)。用氫稀釋硅烷方法生長的ａ－Ｓｉ和ａ－ＳｉＧｅ薄膜可以抑制光誘導(dǎo)衰變，提高效率。使用雙疊層、三疊層或多疊層結(jié)構(gòu)可以增加光譜響應(yīng)，提高效率。但從工業(yè)化生產(chǎn)和地面電源應(yīng)用的要求來看，問題還遠(yuǎn)未得到令人滿意的解決，仍有許多工作要做。關(guān)于非晶硅電池的衰降問題，許多科研人員已進(jìn)行多年的研究實(shí)驗(yàn)，并還在繼續(xù)進(jìn)行著，主要內(nèi)容有：①高質(zhì)量本征非晶硅材料的研究?包括晶化技術(shù) ，減少光生亞穩(wěn)態(tài)密度，提高穩(wěn)定性。②高質(zhì)量ｎ型和ｐ型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高摻雜效率，增強(qiáng)內(nèi)建電場，提高電池的穩(wěn)定性。③改善非晶硅電池內(nèi)部界面，降低界面態(tài)，減小界面復(fù)合，提高輸運(yùn)效率、轉(zhuǎn)換效率和電池的穩(wěn)定性。④優(yōu)質(zhì)ａ－Ｓｉ：Ｇｅ合金材料的研究，進(jìn)一步完善雙結(jié)、三結(jié)、多帶隙非晶硅電池，提高效率和電池的穩(wěn)定性。
?二 碲化鎘(ＣｄＴｅ)系薄膜大陽能電池
這種電池系由ＣｄＴｅ、ＣｄＳ和其他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(jīng)干燥和燒結(jié)而成。目前實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到１６．５％，中試線效率達(dá)到１０％，已由實(shí)驗(yàn)室研究階段走向規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。下一步的研發(fā)重點(diǎn)，是進(jìn)一步降低成本、提高效率并改進(jìn)與完善生產(chǎn)工藝。該電池如果作為大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用的光伏器件，最值得關(guān)注的是環(huán)境污染問題。Ｃｄ是重金屬，有劇毒，Ｃｄ的化合物與Ｃｄ一樣，也是有毒的。其主要影響，一是含有Ｃｄ的塵埃通過呼吸道對人類和其他動(dòng)物造成的危害；二是生產(chǎn)廢水廢物排放所造成的污染。因此，對破損的玻璃片上的Ｃｄ和Ｔｅ應(yīng)去除并回收，對損壞和廢棄的組件應(yīng)進(jìn)行妥善處理，對生產(chǎn)中排放的廢水、廢物應(yīng)進(jìn)行符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的處理。
?三 硒銦銅(ＣＩＳ)系薄膜太陽能電池
ＣＩＳ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?Ｇａ 即形成為四元化合物。ＣＩＳ?硒銦銅 和ＣＩＧＳ?硒銦鎵銅 的制備方法很多，歸納起來大致有物理方法和化學(xué)方法兩種。經(jīng)過多年的研發(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％，并已建立起了工業(yè)化生產(chǎn)線。該電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：具有較高的光吸收率，比非晶硅電池效率高，可達(dá)２０％左右；生產(chǎn)成本低，僅為晶體硅電池的１／３～１／２。今后應(yīng)在提高電池的穩(wěn)定性和改進(jìn)與完善工業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù)等方面進(jìn)一步開展研究。這種電池能否成為可以廣泛生產(chǎn)應(yīng)用的光伏器件，最為關(guān)鍵的問題是銦的資源保證問題，因?yàn)槭澜玢煹馁Y源十分有限。同時(shí)，鎘的污染問題也是應(yīng)加關(guān)注的問題。
?四 多晶硅薄膜太陽能電池
多晶硅(ｐｏｌｙ－Ｓｉ)薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百ｎｍ級，大顆粒尺寸可達(dá)μｍ級。高質(zhì)量的半導(dǎo)體多晶硅薄膜的許多性能參數(shù)，都可用單晶硅?Ｃ－Ｓｉ 薄膜和非晶硅氫合金?ａ－Ｓｉ：Ｈ 薄膜的參數(shù)來代替。多晶硅薄膜在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被公認(rèn)為是高效、低耗的理想光伏器件材料。
近年來制備ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜材料的工藝技術(shù)有很大發(fā)展。用ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜代替ａ－ＳｉＧｅ作為底部電池在進(jìn)一步提高硅基薄膜太陽能電池性能方面顯示出許多優(yōu)勢：①其帶隙可做到１．１２ｅＶ，與ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ／ａ－ＳｉＧｅ薄膜電池相比，ａ－Ｓｉ／ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜電池能吸收更小能量的太陽光子，具有更高的轉(zhuǎn)換效率極限；②ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜沒有光致衰退效應(yīng)。理論計(jì)算表明，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％?＜５μｍ ，且無光致衰降現(xiàn)象；另一種ＳＯＩ結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池?１０ｃｍ×ｌ０ｃｍ ，獲得了高達(dá)１４．２２％的效率。Ｈ．Ｍｏｒｉｋａｗａ等更制備出了效率高達(dá)１６％的多晶硅薄膜電池。理論和實(shí)踐均表明，多晶硅薄膜太陽能電池很有可能成為２１世紀(jì)最有前途的一種薄膜太陽能電池。
多晶硅薄膜電池既具有節(jié)省硅原料用量和簡化硅片制造工藝的特點(diǎn)，又具有晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率高和穩(wěn)定性能好的優(yōu)點(diǎn)。它只有晶體硅電池厚度的３％左右。因此，要得到同樣的轉(zhuǎn)換效率，對薄膜材料的質(zhì)量?少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度 要求僅是對硅片要求的１／３０。在制造工藝上，多晶硅薄膜電池集電池和組件于一體，從而大大降低了生產(chǎn)成本。
多晶硅薄膜可在６００℃以下的低溫沉積，隨后用激光加熱晶化或固相結(jié)晶等方法形成。電池襯底可采用玻璃甚至塑料類的柔性材料。也可以直接在高溫下生長形成多晶硅薄膜，生長溫度大于１０００℃，硅的沉積速率約為５ｎｍ／ｍｉｎ。生長溫度高就需要選擇耐高溫襯底材料，目前通常采用低質(zhì)量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高溫下生長薄膜，獲得的多晶硅薄膜具有較好的結(jié)晶性，晶粒尺寸較大。低溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用ＣＶＤ方法。由低溫沉積的薄膜，晶粒尺寸較小，獲得的電池效率不高。要獲得１０％～１５％的效率，晶粒尺寸須大于１００ｎｍ。高溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用液相外延、區(qū)熔再結(jié)晶?ＺＭＲ 及ＬＰＣＶＤ，ＡＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ等方法。先在耐高溫襯底材料上生長厚度為１０～２０ｎｍ的多晶硅薄膜，再利用晶體硅電池常規(guī)制備工藝進(jìn)行ｐ－ｎ結(jié)及電極制備。美國Ａｓｔｒｏ Ｐｏｗｅｒ公司在耐高溫襯底上制備的多晶硅薄膜電池效率已達(dá)１６％，而且認(rèn)為通過降低多層減反射膜中氧化層的厚度到１００Ａ，并增加基體材料擴(kuò)散長度，電池效率可達(dá)１８％。
澳大利亞ＢＰ Ｓｏｌａｒ公司是世界著名的從事多晶硅薄膜電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的公司，目前中試線生產(chǎn)的電池組件效率已達(dá)８．５％，生產(chǎn)成本約在１．９５美元／Ｗｐ，并正在生產(chǎn)ｌｍ２面積的組件。
多晶硅薄膜電池具有上述的效率高、性能穩(wěn)定及成本低的優(yōu)點(diǎn)，是降低太陽能電池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下問題：①多晶硅薄膜低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低。②多晶硅薄膜高溫沉積，能耗高，尚缺少適于生長優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的廉價(jià)而優(yōu)良的襯底材料。因而今后應(yīng)著重研發(fā)如下問題：①大面積、大晶粒薄膜的生長技術(shù)；②進(jìn)一步提高薄膜的生長速率；③薄膜缺陷的控制技術(shù)；④優(yōu)質(zhì)、價(jià)廉襯底材料的研發(fā)；⑤電池優(yōu)良設(shè)計(jì)、表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)等的研究。
三、關(guān)于超高效太陽能電池的研究探索
太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能的卡諾循效率可達(dá)９５％，而目前太陽能電池理論效率的上限僅為３３％，這說明太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還有很大潛力。研究表明，造成太陽能電池能量損失的主要因素有：①第一位的損失是熱損失，光生載流子對能很快地將能帶多余的能量以熱的形式損失掉。②另一主要損失是電子－空穴對引起的。③還有一部分能量是由ｐ－ｎ結(jié)和接觸電壓損失引起的。為減少熱損失，可設(shè)法讓通過電池的光子能量恰好大于能帶能量，使光子的能量激發(fā)出的光生載流子無多余的能量可損失。為減少電子－空穴結(jié)合所造成的損失，可設(shè)法延長光生載流子壽命，這可通過消除不必要的缺陷來實(shí)現(xiàn)。減少ｐ－ｎ結(jié)的接觸電壓損失，可通過聚集太陽光以加大光子密度的方法來實(shí)現(xiàn)。
基于以上分析，為進(jìn)一步提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，澳大利亞和美國分別提出了第三代太陽能電池的概念進(jìn)行研究探索。目前由馬丁·格林教授領(lǐng)導(dǎo)的新南威爾士大學(xué)第三代太陽能電池研究中心，正積極開展超高效?＞５０％ 太陽能電池的理論研究工作和科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作。研究的重點(diǎn)是如何充分收集由價(jià)帶躍遷到高層導(dǎo)帶的載流子。目前研究實(shí)驗(yàn)的電池主要有超晶格電池、“熱載流子”電池、新型“疊層”電池和“熱光伏”電池等。
此外，將納米等新材料應(yīng)用于新型光伏器件的研究開發(fā)，近年來引起科研人員的關(guān)注，開展了一些研究探索，認(rèn)為是很有希望的研發(fā)方向。
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