第三代太阳能电池简介-solarbe文库

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1 第三代太阳能电池简介何宇亮 1， 2， 3， 4 王树娟 1 高全荣 1 沈文忠 3 丁建宁 2 施毅 41，无锡新长江纳米电子科技有限公司（无锡长江路 7 号， 2 1 4 0 2 8 7 ）2，江苏大学微纳米科技中心（镇江学府路 3 0 1 号， 2 1 2 0 1 3 ）3，上海交通大学太阳能研究所（上海闵行区东川路 8 0 0 号， 2 0 0 2 4 0 ）4，南京大学物理学（南京汉路 3 7 号， 2 1 0 0 9 3 ）摘要在当前迅速发展的绿色能源中，硅片状太阳能电池占有很大的优势（又被称做第一代太阳能电池），然而为了大幅度降低成本扩大产量，以非晶硅薄膜太阳能电池（又被称为第二代太阳能电池）为代表的薄膜型太阳电池正在赶上，专家估计不久将会占有市场。为了进一步克服前二者存在着的不可克服的弱点，不断提高电池的光电性能及转换效率，近些年叠层式薄膜太阳能电池的研究已受到各国科学界重视。由于它已表现出比前二者具有更强的优势和应用前景，因此已被国内外学术界命名为第三代太阳能电池。作者结合自己在这方面的工作和一些设想对它做一些简要的介绍。1、第三代太阳能电池指的是什么在全球绿色能源大幅度蓬勃发展中，对太阳能的利用已被各个先进国家列为非常重要的地位。一般称目前正在大量生产且在市场上占主要地位的单晶硅、多晶硅片状电池为第一代太阳能电池，它从上世界 50 年代发展到今天其工艺技术已成熟且光电转换效率已达 15～ 25％（其理论上极限值为 29％）。正是由于它使用的是体硅材料，不仅对硅材料消耗量很大，以至成本高，而且其转换效率已接近于理论极限值，进一步发展的空间有限。近十多年来属于第二代的薄膜型太阳能电池发展迅速，且已有大量投产，具有与第一代太阳能电池抗衡的苗头。据了解，日本 Sharp公司将于今年在大阪市建立一座年产量达 1GW 的非晶硅薄膜太阳能电池厂。我国已计划将在无锡建造一条全自动化非晶硅太阳能电池生产线，每年可生产光电 155MW。大家知道，非晶硅薄膜对可见光的吸收能力比晶体硅高 500 倍，电池厚度仅为晶体硅电池的百分之几（ μ m 量级），它可以以廉价玻璃、柔性塑料以及不锈钢薄片为衬底材料。这不仅大大降低了制作成本，节省硅材料，还能根据需要制成大面积的电池板，这些都是它的优势。虽然它的光电转化效率还较低，仅为（ 6～ 10）％，但提高的空间较大。随着科学技术的不断提高以及人们对低温成膜技术的不断改进，几年之后很有可能超过目前多晶硅电池的转变效率。2 在第二代薄膜型太阳能电池中近十多年来还发展了一种有机薄膜太阳能电池，又称染料敏化电池。它是在导电玻璃基板上使用电化学方法由多孔纳米 TiO2薄膜组成，以后又发展成采用高度有序的 TiO2 纳米管阵列结构取代 TiO2 胶体，从而大大改进了 TiO2 染料太阳能电池的光电性能。据报导，目前其最高光电转换效率已达 11％。为了改进第一代、第二代太阳能电池存在着的问题，不断降低成本和提高光电转换效率，学术界一直在对电池的转换机制和电池结构进行着大量的研究。因此，在进入 21 世纪以来，国内外逐渐有人提出了 “ 第三代太阳能电池 ” 。所谓第三代太阳能电池主要是针对提高电池性能、转换效率以及简化工艺流程降低成本为目的的一些新型电池结构。如过去曾有过的叠层太阳能电池 GaInP/GaAs/Ge以及 Si， Ge 合金电池等。由于在太阳能电池结构中加入不同材料，其禁带宽度Eg 不同，使它对太阳光吸收的频谱范围拉宽，从而扩大了对光的吸收能力被认为是提高电池效率的最直接办法。2、太阳能电池转换效率的极限每天从太阳上辐射到地球表面的太阳能是巨大的，然而其利用率很微小。同样，照射到太阳能电池板上的光能转换成电能的比例也是小的，为什么入射到电池板上的太阳能耗散到哪里去了热力学原理指出任何物体所吸收的能量都不可能 100％的转化为功，太阳能电池板所吸收的光能也不可能摆脱热力学定律的束缚。因此，任何一种太阳能电池的光电转换效率都存在一个极限值，在热力学上称为 “卡诺极限 ” 。曾有人计算过，单晶硅太阳能电池的转换效率最高理论值为 29％，而纳米硅电池的最高理论值为 31.7％。对此，我们必须首先认清，被太阳能电池板吸收的光能大部分到哪里去了。从半导体能带结构看，被吸收的太阳光光子能量只有 hv≥ Eg 的那些才可能将价带边缘的价电子激发到导带底形成光生电子－空穴对，这些光生截流子漂移到P-N 结两端形成光生电压 Voc，这是太阳能电池的基本工作原理。对于 hvEg的光子，除了激发出一对电子－空穴外尚具有一些多余的能量 hv’ ,使被激发的电子－空穴对的能量高于晶格的热平衡能量，而这部分能量 hv’ 也逐渐的同晶格原子碰撞而消失。因此使我们认识到，选用单一材料制成的太阳能电池，如单晶硅或非晶硅，因为它只有一种 Eg 值，3 对太阳能的吸收能力是有限的，要想提高太阳能电池板对入射光的吸收能力应该选用具有不同 Eg 值的多种薄膜材料组成叠层太阳能电池结构才行。如上世纪 90年代研制成的 GaInP/GaAs/Ge叠层太阳电池的转换效率能提高到 40％。3、提高和改善薄膜材料的质量是首要问题一切材料都是由晶格原子按一定规则有序或无序排列组成的。而自由电子或光生电子－空穴对在材料中运动时必然要同这些晶格原子发生碰撞而交换能量。另外，材料中还具有各种不同类型的缺陷，对光生截流子的运动造成阻力。因此，我们要想进一步提高光电转换效率首先要做的事是使太阳能电池板所吸收的光能尽可能多的进入光电转换过程，同时尽量减少光热过程的发生。要做到这一点应该从事两方面的研究 1）不断提高生成膜的质量。尤其在使用低温等离子体沉积技术中（如 PECVD、 MWCVD 等）如何通过人为的控制等离子密度以及成膜的细微过程（表面反应、脱氢过程等）是至关重要的学术研究。近些年来国内外已有不少研究单位使用甚高频率（ VHF）等离子体技术成膜，在提高薄膜生长速率及改善有效掺杂方面已取得明显成效。陈光华等在 MW-CVD 成膜过程中在衬底板下面附加一块磁铁能使等离子在衬底片附近更加均匀和集中，并有效的改善了膜的质量。我们在沉积纳米硅薄膜过程中与RF 射频电源并联附加一直流（ D.C）偏压能有效的控制晶粒的成核密度（ XC 值）。显然，射频频率、电场和磁场对等离子体的性质是起作用的，并直接影响到生成膜的品质。无疑，这是一值得进行深入研究的学术问题。2）自组织生长技术的引用近些年来，在太阳能电池结构中，极薄层薄膜的生长（几－几十 nm）引起重视，例如，在电池的 PIN 结构中有时为了提高光的吸收率及增强薄层内的量子过程需要把 P 层或 N 层做的极薄（～ 20nm），这就给工艺生长增加了一定难度。另一方面，在新型太阳能电池结构中正在把带有纳米晶粒的新结构引进来，如μ c－ Si H 和 nc－ Si H 等。在这些新颖结构中如何能人为的控制晶粒的有序排列及其大小是非常需要的事。已知，晶粒尺寸的大小是直接决定薄膜禁带宽度Eg 的。在能够控制晶粒（量子点）密度，大小及及有序排列方面，一种叫做自组织生长技术近些年来受到了很大的重视。它是以固体表面上具有一定能量的价键状态作为反应活性位置或优先成核中心为前提的。例如，由于晶格失配造成的应变4 能， Si-H ， Si-OH 非饱和键形成的范德瓦尔力等。实验给出，这种“ 有限的成核中心 ” 可以通过适当的选择晶面通过一定的化学处理而形成的低位能区。例如Miyayaki 等采用浓度为 0.1的 HF对热生长的 SiO2 表面进行化学腐蚀以形成由Si-OH 键终端的 SiO2 活性表面，然后在 LPCVD工艺中自组织生长出具有表面密度为 1011/cm2，大小仅～ 2nm的 Si 纳米小晶粒（量子点）。使用这种方法依靠 SiH4气体分子的热分解反应，在其 Si-O-Si 键终端 SiO2表面上能自组织生长成单层，双层以至多层的硅纳米量子点并呈现出双势垒结构中的共振隧穿输运特性。使用自组织生长技术沉积薄膜的主要优点是，适宜在大面积基片上生长量子点，只要合理的控制生长温度、反应气压以及沉积时间便可实现在基片上的超薄薄膜的生长。作者认为，一旦把该项技术应用到太阳能电池结构中来定会有惊人的效果。（ 3）不同材料组成叠层薄膜太阳能电池不同类型的薄膜材料对光波的吸收范围不同。因此选用多种具有不同 Eg值的材料构成叠层式薄膜太阳能电池就可以将不同波段的太阳光尽可能多的吸收并直接激发出光生电子 - 空穴对，尽可能多的造成光电流，这是提高电池转换效率的最直接的办法。这种属于第三代太阳能电池的叠层式薄膜电池的光电转换效率将能达到（ 40-60），或接近于卡诺极限值。 2006 年美国 Los Alamos 国家实验室曾报导，在纳米太阳能电池中观察到了一个高能量的光子（ hv）具有同时激发出多个电子 - 空穴对的多重激发现象，这将会使纳米太阳能电池的输出电流大大增大。这是在其他太阳能电池中尚未观察到的。4 实现第三代叠层式薄膜太阳能电池的途径利用硅薄膜材料的结构不同，从 a-SiH → mc-SiH → nc-SiH ，能使它具有不同的禁带宽度 Eg 值。大量的实验和理论工作总结出，从非晶硅薄膜 → 微晶硅薄膜 → 纳米硅薄膜，通过工艺条件可以使硅薄膜的有效禁带从 1.5eV→ 2.4eV 范围内的变化。在 P-I-N 太阳能电池的结构中，如果我们有意识的将 I 层薄膜厚度拉宽，并在薄膜沉积过程中通过控制各工艺参数使它分成具有不同 Eg 值得三个子层 N1,N2, 和 N3，如图 1 所示。这样就形成了具有同质结构的多层膜太阳能电池。这种电池结构是在 PECVD成膜过程中一气呵成，在现有工艺中可以实现的。5 上海交大太阳能研究所曾设计过这种结构并在工艺中实现过。利用电池结构的各种参数，对上述 P-I-N 型变能隙太阳能电池进行了 AMPS软件模拟，得出电池的各基本参数是 Jsc24.06ma/cm2， Voc1.05V, FF87.9 以及转换效率h 22.13。模拟结果表明纳米硅变能隙太阳能电池的各种参数与单一的非晶硅太阳能电池相比，电池的性能确实有了明显的改善。这不仅是由于纳米硅薄膜对太阳光谱的吸收范围扩大了，更是由于该薄膜呈现出量子尺寸效应。通过人为改变工艺参数使 I 层分成具有不同 Eg 值的子层 N1， N2和 N3，从而实现了太阳能光谱分区域被吸收让入射的光子更多的直接转变成光生电子 - 空穴对，达到提高太阳能电池转换效率的目的。5 小结第三代太阳能电池是对已存在的叠层太阳能电池的一种新的称呼。这是由于在太阳能电池中引进新的结构后其各种电池参数，尤其是转换效率及稳定性方面有了较大幅度的改进。并且转换效率的理论值已超过第一代和第二代。然而并不是电池结构的层数越多越好。因为任何事情都有一个极限，层数多了无疑增多了工艺流程，提高了成本。所以应该全面考虑。另外，作者还认为，在第三代太阳能电池的进展中硅材料仍然具有它的优势。第三代太阳能电池简介作者何宇亮，王树娟，高全荣，沈文忠，丁建宁，施毅作者单位何宇亮无锡新长江纳米电子科技有限公司 ,无锡长江路 7号 ,2140287;江苏大学微纳米科技中心 ,镇江学府路301号 ,212013;上海交通大学太阳能研究所上海闵行区东川路 800号 ,200240;南京大学物理学南京汉路 37号,210093 ，王树娟 ,高全荣无锡新长江纳米电子科技有限公司 ,无锡长江路 7号 ,2140287 ，沈文忠上海交通大学太阳能研究所 ,上海闵行区东川路 800号 ,200240 ，丁建宁江苏大学微纳米科技中心 ,镇江学府路301号 ,212013 ，施毅南京大学物理学 ,南京汉路 37号 ,210093本文链接 http//d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_WFHYXW204388.aspx