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一、薄膜太阳电池基础
(一) 定义与发电原理
1、什么是薄膜太阳电池
薄膜太阳能电池,指在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜。这种薄膜厚度仅需数μm,在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量。
2、发电原理
薄膜电池发电原理与晶硅相似,当太阳光照射到电池上时,电池吸收光能产生光生电子—空穴对,在电池内建电场的作用下,光生电子和空穴被分离,空穴漂移到P 侧,电子漂移到N 侧,形成光生电动势,外电路接通时,产生电流。
(二) 电池分类
太阳电池有以下几种分类方法。
按结构分类
按基本材料分类
按用途分类
薄膜光伏技术的拓展呈现出多样化的特点,现已形成包括硅薄膜电池、碲化镉(CdTe) 、铜铟镓锡(CuInGaSe) 以及染料敏化(DSC) 电池、有机薄膜电池等在内的多种类型。常见包括CdTe(碲化镉)、 CIS(铜铟硒)/CIGS(铜铟硒镓)、硅基薄膜三类。硅薄膜电池依据材料微结构的不同,可分为单晶硅(mono2Si) 、多晶硅(poly2Si) 、非晶硅( a2Si : H) 和微晶硅(μc2Si : H) 薄膜电池。
1、砷化镓薄膜太阳电池
砷化镓是硅材料之外的另一种重要的半导体材料,它是直接能带结构材料,其禁带宽度为Eg=1.43eV,光谱相应特性好,因此,太阳能光电转换理论相对较高。而且,砷化镓的耐温特性、抗辐射特性都比硅太阳电池要好。但是,相对于硅太阳电池,其生产设备复杂,耗能大,生产生命周期长,生产成本高,之前电池仅在空间应用。自2007年8月开始,砷化镓电池从卫星上的使用转变为聚光的太阳能发电站的规模应用。
一般而言,砷化镓薄膜电池制备采用液相外延(LPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等生长技术,在砷化镓单晶衬底上,生长n型和p型GaAs薄膜,构成单结、双结和多杰薄膜太阳电池结构。
图 1 单结GaSa薄膜太阳电池结构示意图
图 2双结GaInP/GaAs薄膜电池结构示意图
2、非晶硅薄膜太阳电池
非晶硅薄膜电池与晶体硅太阳电池相比,具有重量轻、工艺简单、成本低和耗能少等特点,主要应用于电子计算器、手表、路灯等消费产品。
由于非晶硅材料具有独特性质,其太阳电池结构不同与晶体硅中的简单的p-n结结构,而是pin结构。
非晶硅薄膜电池结构分为单结和多结叠层。对于单结电池,基本是在玻璃、不锈钢、陶瓷和塑料等柔性衬底上,制备Pin结构的非晶硅层。下图为制备在玻璃衬底上的非晶硅薄膜电池结构示意图。典型的工艺大致是:清洗和烘干玻璃衬底,在上面生长透明导电膜(TCO)后激光切割,然后在不同的生长室内生长pin非晶硅结构,经激光切割后,通过蒸发或溅射Al膜再切割制成电极,或者直接掩膜政法AL电极。
图 3 非晶硅薄膜电池结构示意图4 多晶硅薄膜电池
与非晶硅薄膜电池一样,多晶硅薄膜电池制备在具有一定机械强度的低成本的衬底材料上,衬底为玻璃、晶体硅、底村度的多晶硅、SiC等。在此基础上。利用等离子化学气相沉积法、等离子体溅射沉积法、液相外延法和化学沉积法,来制备掺硼的p型多晶硅薄膜,其中化学沉积法得到了广泛应用。
在形成p型多晶硅薄膜后,与晶体硅太阳电池工艺一样,可以通过扩散磷原子在多晶硅薄膜上形成n型半导体层,形成p-n结,再制备减反射膜和金属电极,形成多晶硅薄膜电池。
图 5 多晶硅薄膜电池结构示意图
减反射层 n p 衬底
4、CdTe薄膜太阳电池
CdTe的禁带宽度为1.45eV,生产成本低,相对光电转换效率高,可以大面积生产,是一种具有重要应用前景的薄膜太阳电池。也常被称作CdS/CdTe电池。
下图为结构示意图。一般制备在玻璃衬底上,首先沉积一层SnO2薄膜,作为透明导电薄膜,再沉积一层n型CdS薄膜,作为窗口层,然后沉积高掺杂p型CdTe薄膜,最后制备金属接触层,形成完整的CdTe薄膜太阳电池。
图 6 CdTe薄膜电池结构示意图
玻璃 SnO2 CdS CaTe 背面接触
除了SnO2以外,ZnO和In2O3薄膜也常常被用作导电膜。
5、CIS薄膜电池
铜铟硒太阳电池(简称CIS或CIGS太阳电池)是在玻璃等廉价材料衬底上沉积6-7层半导体薄膜和金属薄膜,属于技术集成度很高的化合物半导体光伏器件,CuInSe2(CIS)具有黄铜矿结构,其禁带宽度为1.02eV。如果用Ga代替1%-3%的In,就会形成与CIS薄膜材料同系列的CuInxGa1-xSe2(CIGS)薄膜,具有更适合的禁带宽度,是目前制备该系列电池主要实际应用材料。
CIGS电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结构,工艺和设备要求十分严格,目前世界上只有少数几个发达国家能够制备出这种电池。
CuInSe2(CIS)和CuInxGa1-xSe2(CIGS)薄膜太阳电池
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