硅太阳能电池
硅太阳能电池
1 引言
能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题,据专家估算,以现在的能源消耗速度,可开采的石油资源将在几十年后耗尽,煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源,能很好地同时解决能源和环境两大难题,具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大,大约40min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求[1]。因此,制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景,而且也是时代所需。 2 太阳能电池的种类
太阳能电池种类繁多,主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类。
2.1 硅太阳能电池
目前,硅太阳能电池占太阳能电池的绝大部分(94%)[2],根据硅片厚度的不同,可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。
2.1.1 晶体硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池有单晶硅(c-Si)和多晶硅(p-Si)太阳能电池两类,最早出现的是利用切片技术(硅片厚度约0.5mm)制备的c-Si太阳能电池,而后带状硅技术的出现,避免了切片的操作,随着丝网印刷和机械刻槽技术的出现,c-Si太阳能电池的性能得到了进一步提高。而后用p-Si代替c-Si并应用c-Si太阳能电池的一些技术,如选择腐蚀发射结、金属吸杂、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极等等,制备了p-Si太阳能电池。与c-Si太阳能电池相比,p-Si太阳能电池成本低,但存在明显的晶粒界面和晶格错位等缺陷而导致光电转化效率相对较低。目前c-Si和p-Si太阳能电池的应用已经进入大规模发展阶段,然而,c-Si和p-Si太阳能电池的成本因需高纯Si原材料而居高不下,其发展受到了一定的限制。据报道c-Si太阳能电池最高光电转化效率已达24.7%(理论最高光电转化效率为25%)[3];Geogia采用磷吸杂和双层减反射膜技术,制备了光电转化效率为18.6%的p-Si太阳能电池[4];新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术,制备了光电转化效率为
19.8%的p-Si太阳能电池[5];中国能源网报道,德国弗劳恩霍夫协会科研人员于2004年采用新技术,在世界上率先使p-Si太阳能电池的光电转换效率突破20%大关,达到20.3%。
2.1.2 薄膜硅太阳能电池
薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现,相对晶体硅太阳能电池,所用的硅材料大幅度减少,很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池,前两者有光致衰退效应,其中μc-Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2nm/s)[6],光致衰退效应致使其性能不稳定,发展受到一定的限制,而后者则无光致衰退效应问题,因此是硅系太阳能电池的发展方向[7]。日本三菱公司在石英(SiO2)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转化效率达到16.5%,德国Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅(SiC)衬底上制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转化效率分别为11%和9.3%,日本SONY公司用多孔硅分离技术制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率达到12.5%[8];a-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达14.5%[9];μc-Si薄膜太阳能电池的光电转换效率已达9.8%[10]。
2.2 聚光太阳能电池
聚光是降低太阳能电池总成本的一种方法,通过聚光器(倍率一般大于几十倍,有反射式和透镜式两种)将较大面积的阳光聚在一个较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”,并将太阳能电池置于“焦斑”或“焦带”上,以增加光强,克服太阳辐射能流密度低的缺陷,从而获得更多的电能输出[11]。与普通太阳能电池相比,聚光太阳能电池因需耐高倍率的太阳辐射,所以要求在较高温度下光电转换性能良好的半导体材料,最理想的半导体材料是单晶硅和砷化镓(GaAs)。聚光太阳能电池通常采用垂直结构,以减少串联电阻,同时栅线较密,约占电池面积的10%,以适应大电流密度的需要。Speetrolab于2003年开发的Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge电池的光电转换效率高达35.2%(66个太阳强度)[12],Speetrolab又于同年7月25日公布了地面聚光电池的光电转化效率可达36.9%[13]。目前投产的三结Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge聚光太阳能电池光电转化效率为28%(AM1.5,100~300个太阳强度)。聚光太阳能电池虽然
有很高的光电转化效率,但光学聚光系统比较复杂,并且需要跟踪太阳,散热也非常困难。目前所用的聚光太阳能电池较少,聚光倍数均较低,成本相应较高。
2.3 无机化合物薄膜太阳能电池
选用的无机化合物主要有CdTe,CdS,GaAs,CuInSe2(CIS)等,其中CdTe的禁带宽度为1.45eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1.5eV),是一个理想的半导体材料,截止2004年,CdTe电池光电转化效率最高为16.5%[14];CdS的禁带宽度约为2.42eV,是一种良好的太阳能电池窗口层材料,可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池[15~18];GaAs的禁带宽度为1.43eV,光吸收系数很高,GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27%,目前GaAs/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20%,生产水平的光电转换效率已经达到19~20%,其与GaInP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景[19];CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19.5%[20],在聚光条件下(14个太阳光强),光电转化效率达到21.5%[21],组件产品的光电转化效率已经超过13%[22];CIS薄膜用Ga部分取代In,就形成CuIn1-xGaxSe2(简称CIGS)四元化合物,其薄膜的禁带宽度在1.04~1.7eV范围内可调,这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会,同时开发了两种新的材料,用Ga完全取代In形成CuGaSe2,用S完全取代Se形成CuInS2,以备In、Se资源不足时可以采用。但是,Cd和As是有毒元素,In和Se是稀有元素,严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生产[23]。
2.4 有机薄膜太阳能电池
有机薄膜太阳能电池与硅太阳能电池相比具有质量轻、柔韧易加工性、低成本及可大面积制备等优点,有很大的发展潜力,但正处于研发初期,激子结合能大,电子迁移率低,导致光电转化效率低且寿命短等缺点[24]。目前,在实验室特定研究条件下,有机薄膜太阳能电池光电转换率可达9.5%[25]。
2.5 纳米晶薄膜太阳能电池
目前半导体纳米晶薄膜太阳能电池电极所广泛使用半导体是锐钛矿型二氧化钛(TiO2),TiO2虽然具有无毒、稳定、制备工艺简单且抗腐蚀性能好等特点,但是禁带宽度为3.2eV,只能吸收波长小于380nm的紫外光,因此光电转化
效率低。研究纳米晶薄膜太阳能电池最成功的是瑞士科学家Gratzel等人,他们于1991年提出的染料Ru(dcbpy)2[(μ-CN)Ru(CN)(bpy)2]2敏化纳米TiO2薄膜作为阳极的太阳能电池,以较低的成本制备了光电转化效率为7.1~7.9%的太阳能电池[26],在这一领域取得了突破性进展。随后这种电池以其原料低廉和制作工艺简单等优点而引起人们的广泛关注,Gratzel等人又于2006年对工艺改进后将光电转化效率提高到11.3%[27]。
2.6 叠层太阳能电池
鉴于单结电池只能将太阳光谱中一定波长的光能有效地吸收并转换成电能,由此将不同带隙宽度的半导体材料叠加起来,分别吸收不同波长范围的入射光,从而提高太阳能电池的光电转化效率,因此出现了双结、三结和多结叠层太阳能电池。
2.6.1 GaAs叠层太阳能电池
GaAs叠层太阳能电池主要有双结和三结两种,CHUNG等人于1988年采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)生长制备Al0.37Ga0.63As/GaAs双结叠层太阳能电池,其光电转化效率达到23%,此后该太阳能电池的研究未取得新的进展;黄子乾等[28]用金属有机化合物气相淀积法(MOVPE)生长制备GalnP/GaAs双结叠层太阳能电池,通过对掺杂剂、生长技术及条件的调整与改进,极大地提高了GalnP/GaAs双结叠层太阳能电池的性能,最高光电转换效率达到23.8%,国际上已经达到25.7%[29];三结Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge叠层太阳能电池在2000年最高光电转化效率达到29%,2002年大批量生产平均光电转化效率达到26.5%[30]。
2.6.2 CdTe叠层太阳能电池
化合物半导体CdTe的禁带宽度为1.45eV,很接近太阳能电池需要的最优化禁带宽度(1.5eV),是一种制备太阳能电池极佳的半导体材料,CdTe太阳能电池的理论光电转换效率在29%左右[31]。由于禁带宽度的变化,CdTe/CdS界面上的互扩散会显著影响材料的光学性质,同时CdS是六方结构而CdTe是立方结构以及约9%的失配度从而导致在界面上产生高密度的面缺陷和线缺陷[32],致使距其理论光电转换效率还有很大的差距。目前,实验室CdTe/CdS太阳能电池的最高光电转换效率为16.5%[33]。李愿杰等[34]研制的 CdS/CdTe太阳能电池为国内先进水平,其光电转换效率已达国内最高
(13.38%,0.5cm2)。该科研组又于2007年研制了CdS/CdTe叠层太阳能电池,其开路电压最高达到了852mV,短路电流密度最大为13mA/cm,填充因子最高为55.2%,这种叠层电池的光电转化效率达到了8.16%(0.071cm2)。
2.6.3 非晶硅(a-Si)叠层太阳能电池
多晶硅(p-Si)的禁带宽度为1.12eV,比非晶硅(a-Si)小(1.7eV),作为a-Si/p-Si叠层太阳能电池底电池的光吸收体,能有效地吸收从顶电池透射下来能量小于a-Si禁带宽度的太阳光,从而提高太阳能电池的光电转换效率,已制备出光电转换效率为12%的a-Si/p-Si叠层太阳能电池[35];CulnSe2的禁带宽度为1.04eV,光吸收系数很高,是一种理想的叠层太阳能电池底电池材料,已制备出光电转换效率为13%的a-Si/CIS叠层太阳能电池[36];薛俊明等[37]采用射频等离子体增强化学气相沉积法(RF-PECVD)制备a-Si顶电池,采用甚高频等离子体增强化学气相沉积法(VHF-PECVD)制备微晶硅(μc-Si)底电池,并优化了a-Si/μc-Si叠层太阳能电池顶电池与底电池的本征吸收层厚度匹配与电池电流匹配,以及氧化锌/金属复合背反射电极对电池的作用,研制出了光电转化效率为9.83%的薄膜a-Si/μc-Si叠层太阳能电池(1.0cm2);朱锋等[38]通过调整a-Si顶电池N层和μc-Si底电池P层的厚度,降低NP隧穿结的影响,获得光电转化效率为11.73%的a-Si/μc-Si叠层太阳能电池(0.25cm2)。a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构的出现,大大提高了太阳能电池在太阳光谱中的长波吸收,较小面积(0.25cm2)的转换效率达15%[39],由于Ge材料昂贵,现在开始研究a-Si/a-Si/a-Si三结叠层太阳能电池[40]。