为了节省高质量材料 , 薄膜太阳能电池就成 了单晶硅电池的替代产品 , 其中多晶硅薄膜太阳 能电池和非晶体硅薄膜太阳 能电池就是典型代 表 。 实验室的最高转换效率为 18 %, 工业规模生 产的转换效率为 10 %。
通常的晶 体硅 太阳能 电池是 在厚度 350 ～ 450 μm 的高质量硅片上制成的 , 这种硅片从提拉 或浇铸的硅锭上锯割而成 , 因此实际消耗的硅材 料更多 。为了节省材料 , 从 20 世纪 70 年代中期 就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜 , 但由于生 长的硅膜晶粒太小 , 未能制成有价值的太阳能电 池 。 目前制备多晶硅薄膜电池多采 用化学气相 沉积法 , 包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离 子增强化学气相沉积(P ECVD)工艺 。此外 , 液相 外延法(LP PE)和溅射沉积法也可用来制备多晶 硅薄膜电 池 。 化学气相沉积主要 是以 Si H2 Cl2 、 Si HCl3 、SiCl4 或 Si H4 为反应 气体 , 在 一定的保 护气氛下反应生成硅原子 , 并沉积在加热的衬底 上 , 衬底材料 一般选用 Si 、SiO 2 或 Si3 N 4 等 。 但 研究发现 , 在非 硅衬底上很难形成较 大的晶粒 , 并且容易在晶粒间形成空隙 , 解决这一问题的办 法是先用 LP CVD 在衬底上沉积一层较薄的非晶 硅层 , 再将这层非晶硅层退火 , 得到较大的晶粒 , 然后再在这层 籽晶 上沉积 厚的 多晶硅 薄膜 , 因 此 , 再结晶技术无疑 是很重要的一个环 节 , 目前 采用的技术主要有固相结晶 法和中区熔再结晶 法 。 多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外 , 另 外采用了几乎所有制备单晶 硅太阳能电池的技 术 , 这样制得的 太阳能电池转换效率 明显提高 。 德国费莱堡太阳能系统研究 所采用区域再结晶
摘 要 :介绍太阳能电池的原理和种类 , 分析了各 类太阳 能电池的 优缺点 , 比 较了各 类太阳 能电池的 转 换效率 、制造难易程度和发展前景 。
关键词 :太阳能电池 ;原理 ;种类 ;光电转换效率 中图分类号 :TM 615 文献标识码 :A 文章编号 :1671-086X(2011)02-0137-04
Hangzhou 310027 , Chin a)
Abstract:An intr oduct ion is being prese nted to wor king princ iples and categor y of solar cells , together with an analysis to adva ntages and disadvanta ges of e ach type and a c ompar ison of photoelectr ic conversion eff iciency, manufacturing complexity and de velopmen t pr ospe ct among various cells .
转换成电能 , 光 电转换的基本装置就是太阳能 电池 。太阳能电池是一种由于光生 伏特效应而 将太阳光能直接转化为电能的器件 , 太阳能电池 工作原理见图 1 。
1 太阳能发电方式
1 .1 光 热 电转换方式 利用太阳辐射产生的热能发电 , 一般是由太 阳能集热器将所吸收的热能转换成工质(蒸汽)的 势能和动能 , 再驱动汽轮机发电 。 前一个过程是 光 热转换过程 ;后一个过程是热 电转换过程 , 与 普通的火力发电一样 。太阳能热发电的缺点是效 率很低而成本很高 , 其投资估计至少要比普通火 电站高 5 ～ 10 倍 。一座1 000 M W 的太阳能热电 站需要投资 20 ～ 25 亿美元 , 平均每千瓦的投资为 2 000 ～ 2 500 美元 。因此 , 目前只能小规模地应 用于特殊的场合 , 而大规模利用在经济上很不合 算 , 还不能与普通的火电站或核电站相竞争 。 1 .2 光 电直接转换方式 该方式是利用光电效应 , 将太阳辐射能直接
叠层太阳能电池能提高转换效率 、解决单结 电池的不稳定性 , 其关键在于 :
(1)把不同禁带宽度的材料组合在一起 , 提 高了光谱的响应范围 ;
(2)顶电池的 i 层较薄 , 光照产生的电场强 度变化不大 , 保证 i 层中的光生载流子抽出 ;
(3)底电池 产生的载流子 约为单电 池的一 半 , 光致衰退效应减小 ;
图 1 太阳能电池工作原理
当许多个电池串联或并联起来 , 就可以成为 较大输出功率的太阳能电池方阵[ 1 2] 。 太阳能电 池是一种大有前途的新型电 源 , 具有永 久性 、清 洁性和灵活性三大优点 。 太阳能电池寿命长 , 只 要太阳存在 , 太阳能电池就可以一次投资而长期
收稿日期 :2010-08-24 作者简介 :许伟民(1981 ), 男 , 工程师 , 主要从事工业工程设计 。
目前非晶体硅太 阳能电池的研 究取得两大 进展 :
(1)三叠层结构非晶体硅太阳能电池转换效 率达到 13 %, 创下新的记录 ;
(2)三叠层太阳能电池生产能力达5 M W 。 美国 联合 太阳 能公 司(V S S C )制 得 的 单结 太 阳能电池最高转换 效率为9 .3 %, 三 带隙三叠层 电池最高转换效率为 13 %, 上述最高转换效率是 在小面积(0 .25 cm2)电池上取 得的 。 曾有文献 报道 , 单结 非晶体 硅太阳 能电 池转换 效率 超过 12 .5 %, 日本中央研究院 采用一系列新 措施 , 制 得的非晶体硅电池的转换效率为 13 .2 %。 国内 关于非晶体硅薄膜电池特别 是叠层太阳能电池 的研究并不多 , 南开大学的耿新华等采用工业用 材料 , 以铝背电极制备出面积为 20 cm ×20 cm 、 转换效率为8 .28 %的 a-Si/ a-Si 叠层太阳能电池 。 非晶硅太 阳能电 池由 于具 有 成本 低 、重量 轻 、转换效率较高和便于大规模生产等而有极大 的发展潜力 。 但受制于其材料引发 的光电效率 衰退效应 , 稳定性不 高 , 直接影响了 它的实际应 用 。 如果能进一步解决其稳定性问 题和提高转 换率问题 , 那么 , 非晶体硅大阳能电 池无疑是太 阳能电池的主要发展产品之一 。 3 .2 多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐 , 主要有砷化镓 III-V 族化合物电池 、硫化镉 、碲化 镉多晶薄膜电池和铜铟硒薄膜电池 。 3 .2 .1 硫化镉 、碲化镉多晶薄膜电池 硫化镉 、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶 体硅薄膜太阳能电池效率高 , 成本较单晶硅电池 低 , 也易于大 规模生产 。 但由于镉有剧 毒 , 会对 环境造成严重的污染 , 因此并不是晶体硅太阳能 电池最理想的替代产品 。 3 .2 .2 砷化镓(G aA s)III-V 化合物电池 GaAs 属于 III-V 族化合物半导体材料 , 其能 降为1 .4 eV , 正好为高吸 收率太阳光的 值 , 具有 十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 , 抗辐 照能力强 , 对热不敏感 , 转换效率可达 28 %, 适合 于制造高效单结电池 。但是 GaA s 材料的价格不 菲 , 因而在很大程度上限制了 GaAs 电池的普及 。 GaAs 等 III-V 化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE 和 LPE 技术 , 其 中 MOVPE 方 法制备 GaAs 薄膜电池受 衬底位错 、反应压力 、III-V 比 率 、总流量等诸多参数的影响 。除 GaAs 外 , 其他 III-V 族化合物 , 如 GaSb 、GaInP 等电池材料也得 到了开发 。1998 年德国费莱堡太阳能系统研究 所制得的 GaAs 太阳能电池转换效率为24 .2 %,
Keywords:solar cell ;pr inciple ;type ;photoele ctric conversion eff iciency
太阳能是人类取之不 尽 、用之不 竭的能源 。 在目前创导节能减排 、保护环境的形势下应大力 提倡太阳能利用 。 本文对太阳能电 池的原理及 种类作一概括的介绍 。
3 太阳能电池分类
根据所用材料的不同 , 太阳能电 池可分为 : 硅太阳能电池 、多元化 合物薄膜太阳能 电池 、聚 合物多层修饰电极型太阳能电池 、纳米晶太阳能 电池和有机太阳能电池等 , 其中硅太阳能电池是 目前发展最成熟的 , 在应用中居主导地位[ 2 3] 。 3 .1 硅太阳能电池 硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池 、多 晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅 薄膜太阳能电池 三种 。 3 .1 .1 单晶硅太阳能电池
(4)叠层太 阳能电池各子 电池是串 联在一 起的 。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多 , 其中包括反应溅射法 、PECVD 法 、L PCVD 法等 , 反应原料气体为 H 2 稀释的 SiH 4 , 衬底主要为玻 璃及不锈钢片 , 制成的非晶体硅薄膜经过不同的 电池工艺过程可分别制得单结 电池和叠层太阳 能电池 。
所也积极进行高效晶体硅太 阳能电池的研究和 开发 , 研制的平面高效单晶硅电池(2 cm ×2 cm) 转换效率 达到19 .79 %, 刻槽埋栅电极晶体硅电 池(5 cm ×5 cm)转换效率达8 .6 %。单晶硅太阳 能电池转换效率无疑是最高的 , 在实验室里最高 的转 换 效 率 为 24 .7 %, 规 模 生 产 时 的 效 率 为 15 %。在大规模应 用和工业生产中 单晶硅太阳 能电池仍占据主导地位 , 但由于受单晶硅材料价 格及繁琐的电池工艺影响 , 致使单晶硅太阳能电 池成本价格居高不下 , 要想大幅度降低其成本是 非常困难的 。 3 .1 .2 多晶硅薄膜太阳能电池
由于非晶体硅薄膜太阳能电池的成本低 , 便 于大规模生产 , 普遍受到人们的重视并得到迅速 发展 。早在 20 世纪 70 年代初 , Carlso n 等就已经 开始了对非晶体硅电池的研制工作 , 目前世界上 己有许多公司生产这种产品 。非晶体硅作为太阳 能电池材料尽管是一种很好的材料 , 但由于其光 学带隙为1 .7 eV , 使得材料本身对太阳辐射光谱 的长波区域不敏感 , 这就限制了非晶体硅太阳能 电池的转换效率 。 此外 , 其光电效率会随着光照 时间的延续而衰减 , 即所谓的光致衰退S-W效应 , 使得电池性能不稳 定 。 解决这些问 题的途径就 是制备叠层太阳能电池 , 叠层太阳能电池是在制 备的 p-i-n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多 个 p-i-n 子电池制得的 。