2009-硅薄膜太阳能电池的原理及其应用.pdf

硅薄膜太阳能电池的原理及其应用邹红叶( 河北大学物理与科学技术学院 河北 保定 071002)太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源和清洁能源 ,在太阳能的有效利用中 ,太阳能光电利用是近些年来发展最快 、 最具活力的研究领域 . 20世纪 60 年代辉光放电法 (glow discharge) 薄膜制备技术取得一系列重大进展 ,使人们认识到可以将同样具有光伏效应的非结晶状态的硅以薄膜形式镀制在廉价的玻璃基板上 . 在美国 RCA 实验室 Carlson和 Wronski 的共同努力下 ,第一块硅薄膜太阳能电池于 1976 年问世 ,从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕 . 硅薄膜电池的原料组分与晶体硅片电池一样 ,是无毒无害 、 储量丰富的硅 ,不存在资源与环境方面的限制和压力 ,并且作为无机半导体可以充分满足太阳能电池长寿命的设计对于原材料的要求 ,因而始终被认为是薄膜光伏技术发展的主流 . 因此 ,硅薄膜太阳能电池目前正在进入显著的技术进步和规模化的应用阶段 .1 硅太阳能电池的原理太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件 . 能产生光伏效应的材料有许多种 ,如 :硅系材料 (单晶硅 、 多晶硅 、 非晶硅 ) ,化合物半导体 (砷化镓 、 硒铟铜 ) 等 . 它们的发电原理基本相同 . 此类太阳能电池的工作原理是基于 P- N 结的光生伏打效应 :当 N 型半导体与 P 型半导体通过适当的方法组合到一起时 ,在二者的交界处就形成了P - N 结 ;由于多数载流子的扩散 ,形成了空间电荷区 ,并形成一个不断增强的从 N 型半导体指向 P 型半导体的内建电场 ,导致多数载流子反向漂移 ;达到平衡后 ,扩散产生的电流和漂移产生的电流相等 . 如果光照在 P - N 结上 ,而且光能大于 P - N 结的禁带宽度 ,则在 P - N 结附近将产生电子 - 空穴对 . 由于内建电场的存在 ,产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移 ,产生光生电势 ,破坏了原来的平衡 . 若在电池两侧引出电极并接上负载 ,负载中就有“ 光生电流” 通过 ,得到可利用的电能 ,这就是太阳能电池发电的基本原理 . 若把几十个 、 数百个太阳能电池单体串联 、 并联起来 ,组成太阳能电池组件 ,在太阳光的照射下 ,便可获得输出功率相当可观的电能 [1 ] .图 1 太阳能电池的结构图2 硅薄膜太阳能电池技术硅薄膜太阳能电池依据材料微结构的不同 ,可分为单晶硅 (mono - Si) 、 多晶硅 (poly - Si) 、 非晶硅(a - Si :H) 和微晶硅 (μ c - Si :H) 薄膜电池 . 单晶硅薄膜太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池 ,它的构造和生产工艺已定型 ,产品已广泛应用于空间和地面 . 这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料 . 为了降低生产成本 ,现在地面应用的太阳能电池采用太阳能级的单晶硅棒 ,材料性能指标有所放宽 .有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料 ,经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒 . 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15 % 左右 ;实验室成果也有 20 % 以上的 [2 ] ,缺点是造价昂贵 ,难以大面积制做在非硅衬底上 . 多晶硅薄膜电池性能稳定且转换效率较高 ,但通常需要采用长时间热处理工艺 ,需要能够耐受高温的硼硅玻璃—65—2009 年第 5 期 物理通报 知识介绍或陶瓷材料作为衬底 ,同时还面临材料性能改善的技术挑战 . 尽管由澳大利亚新南威尔士大学和太平太阳电力有限公司联合开发的玻璃基底多晶硅薄膜太阳能电池在制备技术上获得了难能可贵的成功 ,并已在德国 CSG2I 公司实施了产业化 ,但基于制造成本等多方面的考虑 ,多晶硅薄膜电池现阶段尚不足以作为商业化薄膜太阳电池的最佳选择 . 非晶硅太阳能电池工艺成熟 、 成本低 ,且无原料瓶颈 . 非晶硅薄膜太阳能电池是薄膜太阳能电池中最成熟的产品 ,其加工原理为使用硅烷 (SiH4) 等离子体分解法 ,通过在硅烷掺杂乙硼烷 (B2H6) 和磷化氢 (PH3) 等气体 ,在低成本基板上 (玻璃 、 不锈钢 ) 低温成膜 . 其主要优点是成本低 、 制备方便 .非晶硅薄膜太阳能电池由 Carlson和 Wronski 在20世纪 70年代中期开发成功 ,80年代其生产曾达到高潮 ,约占全球太阳能电池总量的 20 % 左右 ,但非晶硅太阳能电池转化效率低于晶体硅太阳能电池 ,而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点 :光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减 ,其发展速度逐步放缓 [3 ] . 目前非晶硅薄膜太阳能电池产量占全球太阳能电池总量的 10 % 左右 . 但我们认为 ,晶体硅的短缺及价格上涨将是长期存在的事实 ,即使晶体硅瓶颈突破 ,能源节省优势仍然能保障非晶硅太阳能电池的生存空间 .目前 ,高效硅薄膜电池技术的一种很好的解决方案是 :以宽带隙的非晶硅作为顶电池 、 窄带隙的微晶硅作为底电池 ,形成 a - Si :H/μ c - Si :H 双结叠层结构 . 采用叠层结构不仅有效地拓宽了电池的光谱响应 ,而且可以适度减薄非晶硅顶电池本征吸收层的厚度 ,这样在确保获得较高初始转换效率的同时 ,光电稳定性获得很大的改善 [3 ] . 为了充分吸收和转换太阳光谱的长波部分能量 ,还可以采用在薄膜制备过程中掺入适量锗 ( Ge) 的办法 ,由此制得的非晶硅锗 (a - SiGe :H) 薄膜光学带隙在 1. 0 ～ 1. 7 eV 范围内可调 ,藉此形成 a - Si :H/ a - SiGe:H 异质结构是非晶硅基叠层结构薄膜电池的另一种高效设计方案 .3 硅太阳能电池的应用前景目前 ,太阳能电池的应用已从军事领域 、 航天领域进入工业 、 商业 、 农业 、 通信 、 家用电器以及公用设施等部门 ,尤其可以分散在边远地区 、 高山 、 沙漠 、 海岛和农村使用 ,以节省造价很贵的输电线路 .但是在目前阶段 ,它的成本还很高 ,发出 1 kW 电需要投资上万美元 ,因此大规模使用仍然受到经济上的限制 [4 ] .但是 ,从长远来看 ,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光 - 电转换装置的发明 ,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求 ,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法 ,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景 .薄膜光伏玻璃组件结构完整 、 美观 ,弱光发电效果好 ,除用于大型光伏电站外 ,还可安装于建筑物任何部位并与建筑融为一体 ,完美演绎建筑光伏一体化 (BIPV) 的绿色建筑理念 . 建筑能源占世界各国总能耗的 50 % 左右 ,发展硅薄膜电池技术 ,以硅薄膜电池代替普通的建筑玻璃作为玻璃幕墙 、 光伏屋顶 ,实现建筑物本身的能源自给 、 零污染 、 零能耗 ,对于今天广泛提倡的开发和利用新能源 ,实现节能减排 ,建设资源节约型 、 环境友好型的自然生态及和谐社会具有十分重要的意义 .参 考 文 献1 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 ( 第一版 ) . 北京 :工业大学出版社 ,2001. 101 ～ 1102 王育伟 . 薄膜太阳能电池的最新进展 . 半导体光电 ,20083 张锐 . 薄膜太阳能电池的研究现状与应用 . 介绍广州建筑 ,2007( 2)4 冯垛生 . 太阳能发电原理与应用 . 北京 : 人民邮电出版社 ,2007—75—2009 年第 5 期 物理通报 知识介绍