太阳电池研究进展

3 国家自然科学基金 (50376067 )郭志球 :男 ,硕士生 Tel :020287057592 E2mail :zhiqiuguo @126. com太阳电池研究进展 3郭志球 1 , 沈 辉 2 , 刘正义 1 , 闻立时 1( 1 广州华南理工大学机械工程学院 , 510640 ;2 中山大学物理科学与工程技术学院 ,广州 510275 )摘要 晶体硅太阳电池主要朝高效方向发展 ,薄膜太阳电池特别是多晶硅薄膜太阳电池 ,由于其廉价 ,高效 ,是当前太阳电池研究的热点 ,也是未来太阳电池发展的方向 。 分别介绍了第一代 、 二代太阳电池的发展历程 ,着重介绍了第三代太阳电池的最新研究进展 。关键词 太阳电池 晶体硅 薄膜太阳电池 第三代太阳电池The Progress of Solar Cell StudyingGUO Zhiqiu 1 , SH EN Hui 2 , L IU Zhengyi 1 , WEN Lishi 1(1 College of Mechanical Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640 ;2 College of Physic Science 再加上 Sanyo 的 HIT 太阳电池 [3 ] 和 Sunpower 的 A300 太阳电池 [4 ] 等一系列具有新颖结构的高效太阳电池的大规模生产 ,2004 年单晶硅太阳电池的市场份额反而较以往有所增加 [1 ] 。典型的高效单晶硅太阳电池是新南威尔士大学研制的钝化发射区背面局部扩散 ( PERL ) 太阳电池 [5 ] (图 1) ,这种电池表面具有倒金字塔织构 、 双层减反膜以及背反射结构 ,使电池拥有优异的陷光性能 ;利用氧化层钝化电池的正 、 背两面 ,增加了电池少子寿命 ;并且采用点接触代替原来的全覆盖式的背面铝合金接触 ,使 PERL 电 池 的 转 换 效 率 高 达 24. 7 % ,接 近 理 论 值 。PERL 太阳电池是迄今为止转换效率最高的晶体硅太阳电池 。图 1 PERL 太阳电池由 SAN YO 公司开发的 HIT 太阳电池 (图 2) 是近年来太阳电池的一个创新 ,这种电池利用 PECVD 技术在已织构化的 n型单晶硅两侧分别沉积 i + p 层和 i + n 层非晶硅 ,利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电膜 ,制作 Ag 电极 。 由于非晶硅具有优异的钝化能力 ,能很好地钝化电池前后两个异质界面 ,使整个 HIT 电池制备过程都在低温下 ( 1000 ℃ ) 对电池少子寿命的影响 ,因此这种电池的最高效率可达 21. 3 % 。 作为一种高效率的太阳电池 ,HIT 电池在光伏建筑一体化方面具有很大优势 ,而且由于其对称结构 ,这种电池还能作为双面电池使用 [6 ] 。?14?太阳电池研究进展 / 郭志球等我国北京市太阳能研究所从 20 世纪 90 年代起开始进行高效电池研究 ,采用倒金字塔表面织构化 、 发射区钝化 、 背场等技术 ,使单晶硅太阳电池的效率达到了 19. 8 %[7 ] 。图 2 HIT 太阳电池1. 2 多晶硅太阳电池随着长晶技术和多晶硅太阳电池制备技术的不断改进 ,近年来多晶硅太阳电池的转换效率得到了大幅度提高 ,商业化多晶硅太阳电池的效率约为 12 %～ 15 % ,多晶硅太阳电池已经占据了光伏市场的大部分份额 。德国 Fraunhofer 太阳能研究所制备的 多 晶 硅 太 阳 电 池 ( 图 3) 的 光 电 转 换 效 率 已 经 达 到2013 % [8 ] ,刷新了多晶硅太阳电池转换效率的记录 。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的表面织构 ,光学和电学性能良好 ,而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的热氧化钝化电池后表面 ,在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡点 ,既保证了钝化效果 ,又减少了温度对少子寿命的影响 ,使电池的性能得到最优化 。图 3 多晶硅太阳电池 (η max = 20. 3 %)2 第二代太阳电池第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池 。 薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多 ,且易于实现大面积电池的生产 ,是一种有效降低成本的方法 。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池 、 多晶硅薄膜电池 、 碲化镉以及铜铟硒薄膜电池 。2. 1 非晶硅薄膜太阳电池非晶硅属于直接带系材料 ,对阳光吸收系数高 ,只需要 1μ m厚的薄膜就可以吸收 80 %的阳光 ,但是由于非晶硅缺陷较多 ,制备的太阳电池效率偏低 ,且其效率还会随着光照而衰减 ( ST效应 ) [9 ] ,导致非晶硅薄膜太阳电池的应用受到限制 。 目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合 ,生成非晶硅 / 微晶硅异质结太阳电池 [10 ] ,这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点 ,而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度 [11 ] 。 目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为 16. 6 % [12 ] 。2. 2 多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池是近几年来太阳电池研究的热点 。 虽然多晶硅属于间接带隙材料 ,不是理想的薄膜太阳电池材料 ,但是随着陷光技术 、 钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展 ,人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳电池 。 目前主要用 2 种技术路线来制备多晶硅薄膜 :一种是采用非硅衬底 ;另一种是采用低品质的硅衬底 。(1) 非硅衬底多晶硅薄膜太阳电池非硅衬底 ( 如玻璃 、 陶瓷等 ) 可以大幅度降低成本 ,但是所获得的多晶硅薄膜晶粒较小 ,为了获得器件级的多晶硅薄膜 ,需要复杂的工艺 。 日本 Kaneka 公司的 STAR 太阳电池 ( 图 4) 就属于这类电池 [13 ] 。它利用 CVD 技术在玻璃衬底上生长 2nm 厚的非晶硅薄膜 ,然后在氢原子气氛中进行重结晶 ,不断重复上述过程 ,直到底层完全晶化 ,再在已晶化的底层上沉积多晶硅薄膜 。 这种多晶硅薄膜呈柱状晶结构 ,具有 (110 ) 择优取向 。 凭借其优异的陷光技术和结构设计 , STAR 太阳电池的效率达到10. 1 %。 这种薄膜电池的光谱响应和效率对温度的依赖关系等特征与多晶硅太阳电池完全一致 。图 4 STAR 太阳电池(2) 低品质硅衬底多晶硅薄膜电池采用低品质硅带如 EF G、 SR 等为衬底 [14 ] ,可以直接外延生长多晶硅薄膜 ,并且可得到具有较大颗粒尺寸的多晶硅薄膜 ,工艺简单 ,效率较高 ,易于实现大规模工业化 。 我国中科院广州能源研究所和德国 Fraunhofer 太阳能研究所合作 ,在颗粒硅带衬底上利用快热 CVD 法沉积多晶硅薄膜 ,并以此为基础制备太阳电池 (图 5) 。 在不使用钝化和陷光技术的前提下 ,电池的转换效率达到了 8. 25 % [15 ,16 ] 。 德国 Fraunhofer 太阳能研究所在此基础上 ,通过在颗粒硅带上预先沉积一层穿孔隔离层并对沉积的多晶硅薄膜进行重结晶 ,制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到 11. 2 % [17 ] 。图 5 SSP 衬底上的多晶硅薄膜?24? 材料导报 2006 年 3 月第 20 卷第 3 期2. 3 碲化镉和铜铟硒薄膜太阳电池碲化镉 ( CdTe ) 和铜铟硒 (CIS ) 的禁带宽度与太阳光谱匹配较好 ,且属于直接带隙材料 ,性能稳定 ,是很有希望的高效薄膜太阳电池 [18 ,19 ] 。目前碲化镉薄膜电池的最高转换效率达到1615 % ,铜铟硒薄膜电池的最高效率为 18. 4 % [12 ] 。但是 ,碲化镉薄膜电池中镉是一种对人体有害的物质 ,而铜铟硒薄膜电池中的铟在地壳中的含量非常稀少 ,这都不利于规模化生产 ,而且对元素含量进行大面积精确控制的工艺也非常复杂 。 目前这类电池还处于研究和中试阶段 ,尚无大规模生产应用 [20 ] 。我国南开大学于 20 世纪 80 年代末开始研究铜铟硒薄膜电池 ,目前在该研究领域处于国内领先 、 国际先进地位 。 其制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过 12 % [21 ] ,铜铟硒薄膜太阳电池的中试生产线亦已建成 。 我国是继德 、 日 、 美后第 4 个建立铜铟硒薄膜太阳电池中试生产线的国家 。2. 4 其他薄膜太阳电池染料敏化 TiO 2 电池实际上是一种电化学电池 ,其导电机理是基于多子输运 ,与通常基于少子运输的半导体电池不同 ,因而对原材料纯度要求不高 ,加工工艺也较简单 ,但是目前这种电池的最高效率只有 10. 5 % [22 ] ,而且由于液态电解液的存在 ,其稳定性能不好 。 现在研究的热点是采用固体电解液代替液态电解液 。柔性塑料太阳电池工艺简单 ,价格低廉 。 多伦多大学研究人员将纳米级 PbS 半导体晶体均匀分散到有机溶剂中 ,然后调节纳米晶粒 ,使其具有吸收红外光谱的能力 。 利用这种材料制备的柔性塑料太阳电池效率有望达到 30 %[23 ] ,并且在晚上也可以产生电能 。3 第三代太阳电池薄膜太阳电池的研究任务还没有结束 ,第三代太阳电池的概念已经提出 。 Martin Green 认为第三代太阳电池必须具有如下几个条件 :薄膜化 ,转换效率高 ,原料丰富且无毒 [24 ] 。 目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究 。 已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池 、 多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等 。叠层电池采用多层电池结构设计 ,每层电池的能带均不相同 ,顶层电池的能带最高 ,往下依次减少 ,这样能量高的光子被上面能带高的电池吸收 ,而能量低的光子则能透过上面的电池而被下面能带低的电池吸收 ,从而有效地提高了太阳电池的效率 。 在理想的状态下 ,无限增加电池层的数目 ,电池的理论效率可以达到 86. 8 % [25 ] 。 目前广泛研究的非晶硅 / 微晶硅电池可以说是这种太阳电池的雏形 。但是随着电池层数的增加 ,层间的点阵匹配问题变得越来越复杂 ,工艺和技术要求也越来越严 ,而且为了优化能带结构 ,势必要用到一些有毒或稀有元素 ,这些都不符合第三代太阳电池的要求 。通过适当地掺杂可以在能带中引入中间能级 ,使太阳光入射到这种材料内部时 ,不同能量的光子可以将电子激发到不同能带 ,从而有效利用太阳光 。 理想情况下 ,通过在单结电池中引入 1 个或 2 个合适的中间能级 , 电池的转换率分别可以达到62 %和 71. 2 %。 美国伯克利国家实验室的研究人员在锌锰碲合金中注入氧 ,使合金具有 0. 73eV 、 1. 83eV 、 2. 56eV 等 3 个能级 。 这种合金几乎能对整个太阳光谱作出响应 ,而且原料丰富 ,是一种比较理想的太阳电池材料 [26 ] ,用这种材料制备的太阳电池的效率有望达到 56 %。4 结语太阳能的光伏利用是解决能源危机的一种有效方法 。 太阳电池经过半个多世纪的发展 ,转换效率提高了 5 倍 ,生产成本也较过去降低了 2 个数量级 。但是作为大规模的地面应用 ,还有很多问题亟待解决 。 当前太阳电池的价格对于地面应用来说还是过高 ;原材料的缺乏也正在制约太阳电池的发展 ;最终太阳电池的核心问题还是材料问题 ,提高现有硅材料产量以及寻找新的廉价高效的电池材料都是发展太阳电池需要解决的问题 。 未来太阳电池应该朝薄膜化 、 大面积化和高效化的方向发展 。参考文献1 http :/ / www. solarbuzz. com/ marketbuzz2004 2into. htm2 Fraunhofer ISE. 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