1、太阳能电池器件的问题及优化,组员：李宇航 张啸天 陈 策,发展,就太阳能电池的发展时间而言，可区分为四个世代： 第一代衬底硅晶（Silicon Based） 第二代为薄膜（Thin Film） 第三代新观念研发（New Concept) 第四代复合薄膜材料。,世代,第一代太阳能电池发展最长久，技术也最成熟。种类可分为单晶硅（Monocrystalline Silicon）、多晶硅（Polycrystalline Silicon）、非晶硅（Amorphous Silicon）。以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗，也因应不同设计的需求需要用到不同材料（例：对光波长的吸收、成本、面积等等）。第
2、二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池。种类可分为碲化镉（Cadmium Telluride CdTe）、铜铟硒化物（Copper Indium Selenide CIS）、铜铟镓硒化物（Copper Indium Gallium Selenide CIGS）、砷化镓（Gallium arsenide GaAs）第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。第四代则针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。,材料分类,单晶硅太阳能电池,制作流程复杂，成本高，需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂
3、，电耗很大。以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用,单晶硅太阳能电池,工艺要求高，容易出现缺陷点缺陷（空位、间隙原子、微缺陷）线缺陷（位错：螺位错、刃位错）面缺陷（同种晶体内的晶界，小角晶界，层错;异种晶体间的相界）体缺陷（包裹体、气泡、空洞、微沉淀）条 纹（一系列同心环状或螺旋状的腐蚀图形）,缺陷,优化方向,提升制取单晶硅技术，减少成本 选择长载流子寿命的高性能衬底硅晶体太阳能电池芯片表面制造绒面或倒金字塔多坑表面结构。电池芯片背面制作背面镜，以降低表面反射和构成良好的隔光机制，减少太阳能电池薄膜光反射的损失 PN结的空间电荷区宽度减少，幷减少空间电荷区的复合中心。 采用高性能表面钝化膜，以降
4、低表面复合速率。提高硅晶体中少数载流子寿命，即减少重金属杂质含量和其他可作为复合中心的杂质，晶体结构缺陷等。采用深结结构，并在金属接触处加强钝化,多晶硅太阳能电池,材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低。产量、规模较单晶硅易扩大，没有明显效率衰退问题。 效率比单晶硅电池低，而高于非晶硅薄膜电池。寿命要比单晶硅太阳能电池短。,多晶硅太阳能电池,原料来源为头尾料，杂质较多间隙氧替位碳过渡金属杂质（Fe,Cu,Ni,Cr）,杂质,多晶硅太阳能电池,制作工艺复杂，仍可能存在缺陷微缺陷位错晶界,位错,晶界,多晶硅太阳能电池,（1）杂质的释放 吸杂 （2）杂质的快速扩散（3）杂质在预定的吸杂位置被捕获通
5、过磷吸杂，铝吸杂，磷-铝共吸杂，多孔硅吸杂 等工艺可以减少材料中杂质的含量。从而提升电池性能。,多晶硅太阳能电池,钝化工艺 多晶硅中位错、晶界等这些扩展缺陷存在的悬挂键和金属杂质是少数载流子的复合中心，采用钝化的手段来中和这些复合中心就成为提高材料性能的有效途径。 目前通常采用两种钝化方式氢钝化和氧化钝化。 最佳的钝化工艺是顶部进行的氧钝化结合底部进行的氢钝化。,多晶硅太阳能电池,热处理 如果在铸造多晶硅中的氧形成了热施主或氧沉淀，这些热施主和氧沉淀将成为复合中心或引入成为复合中心的二次缺陷，导致硅材料少子寿命降低，直接影响太阳能电池的光电转换效率。 通过热处理，结合碳和氮对氧生成原生氧沉淀的
6、作用，能够降低氧对太阳能电池光电性质的影响。,多晶硅太阳能电池,采用耐紫外功能较强EVA和背板材料，可以有效降低组件的功率衰减程度 采用双面McSi电池结构，使正面光照产生的但位于背面附近的光生少子可由背电极有效吸收。背电极作为对正面电极的有效补充。 对于减反方面，可以通过激光刻槽、化学刻槽、反应离子腐蚀（RIE）、制作减反射膜层等工艺实现，从而提高效率。,薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池,简介： 非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。,非晶硅薄膜太阳能电池,(1) 重量轻,比功率高 在不锈钢衬底和聚脂薄膜衬底上制备的非晶硅薄膜电池, 重量轻、柔软,具有很高的
7、比功率.在不锈钢衬底上的比功率可达1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率最高可达2000W/Kg. 而晶体硅的比功率一般仅40-100W/Kg. 由于衬底很薄,可以卷曲、裁剪, 便于携带, 这对于降低运输成本特别是对于空间应用十分有利. (2) 抗辐照性能好 由于晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池在受到宇宙射线粒子辐照时, 少子寿命明显下降. 如在1Mev电子辐射通量11016e/cm2时, 其输出功率下降60%, 这对于空间应用来说是个严重问题. 而非晶硅太阳电池则表现出良好的抗辐射能力, 因宇宙射线粒子的辐射不会(或很小)影响非晶硅太阳电池中载流子的迁移率, 但却能大大减少晶体硅太阳电池和砷化镓
8、太阳电池中少子的扩散长度, 使电池的内量子效率下降. 在相同的粒子辐照通量下, 非晶硅太阳电池的抗辐射能力 (效率10%, AM0条件下) 远大于单晶硅太阳电池的50倍, 具有良好的稳定性. 多结的非晶硅太阳电池比单结的具有更高的抗辐照能力.,非晶硅薄膜太阳能电池,（3) 耐高温 单晶硅材料的能带宽度为1.1eV, 砷化镓的能带宽度为1.35eV, 而非晶硅材料的光学带隙大于1.65 eV, 有相对较宽的带隙, 所以非晶硅材料比单晶硅和砷化镓材料有更好的温度特性. 在同样的工作温度下, 非晶硅太阳电池的饱和电流远小于单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池, 而短路电流的温度系数却高于晶体硅电池的1倍,
9、 这十分有利在较高温下保持较高的开路电压(Voc)和曲线因子(FF). 在盛夏,太阳电池表面温度达到60-70度是常有的, 良好的温度特性是十分重要的,非晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低电池的光电转换效率在强光作用下呈逐渐衰退的态势 （本征非晶硅材料的S-W效应）初期产品的光电转换效率本来就低(仅4-5%), 再加上30%左右的衰退率, 使非晶硅薄膜太阳电池的低成本的优势被较低的效率所抵消沉积薄膜的过程中用氢气稀释反应气体多带隙叠层电池结构, 即多个不同带隙的 p-i-n结叠加的结构, 这样可减薄每个子 电池的i层厚度, 使每个电池的内 电场增 强, 从而增加
10、了每个子电池的载流子收集 效率,解决方案：,效率优化,主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜来替代非晶硅薄膜做窗口材料, 以改善电池的短波方向光谱响应; 采用梯度界面层, 以改善异质界面的输运特性; 采用微晶硅薄膜做n型层, 以减少电池的串联电阻; 用绒面二氧化锡代替平面氧化铟锡; 采用多层背反射电极, 以减少光的反射和透射损失, 提高短路电流; 采用激光刻蚀技术, 实现电池的集成化加工; 采用叠层的电池结构, 以扩展电池的光谱响应范围, 提高光电转换效率; 采用分室连续沉积技术, 以消除反应气体的交叉污染, 提高电池的性能,铜铟镓硒薄膜太阳能电池,简介 铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污
11、染小、不衰退、弱光性能好等特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近晶体硅太阳电池，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。此外，该电池具有柔和、均匀的黑色外观，是对外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等，在现代化高层建筑等领域有很大市场。,铜铟镓硒薄膜太阳能电池,结构图,铜铟镓硒薄膜太阳能电池,制作流程复杂，投资成本高 宏观缺点 关键原料产量低缓冲层CdS具有潜在的毒性,加快研发，简化流程，降低设备成本薄膜技术应用原料较少寻找无毒性的缓冲层材料,解决方案,铜铟镓硒薄膜太阳能电池,生产问题： 本征缺陷、杂质、错配等均可影响CI
12、GS材料的性能 由于CIGS吸收层优异的光电特性，其短路电流一般可达3040mA/cm2 器件的短路现象(漏电),铜铟镓硒薄膜太阳能电池,解决方案： 提高电池器件短路电流、开路电压、包括填充因子等 优化Mo电极、低阻ZnO的制备工艺，包括各层之间的匹配 控制CIGS吸收层化学成分比，制备晶粒大、排列紧密、表面平整的吸收层；优化过渡层CdS、缓冲层高阻ZnO的制备工艺；避免杂质、缺陷引起的复合,铜铟镓硒薄膜太阳能电池,展望： 最近几年，原子层沉积技术(ALD)快速发展，它是一种类似CVD的化学沉积制备薄膜的方法。主要优点是制备的薄膜更加致密，缺陷更少，对衬底表面没有任何要求。 如果用这种方法制备
13、CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层ZnS，不仅可以实现电池的无镉化，避免废水处理等不利因素，还可以实现电池制备工艺的流水化。整个工艺过程可以实现全真空化，提高电池转化效率，同时提高电池的生产效率。 按照这一技术路线，电池组件的效率有希望达到15%到18%的水平。 随着技术的发展和研究的深入，CIGS电池的性能将会快速提高，即将成为未来薄膜太阳能组件的主流产品。,碲化镉太阳能电池,简介： 碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池，是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。具有理想的禁带宽度、高光吸收率、转换效率高、电池性能
14、稳定、制造成本低等优点。,碲化镉太阳能电池,问题： 镉的毒性会对环境造成的危害 组件和衬底材料成本太高, 占总成本的53%, 而半导体材料只占5.5%; 碲的天然储量有限。 工业化大面积组件生产要求工艺条件重复性高，薄膜性质均匀性好，需要发展新的技术。,碲化镉太阳能电池,为此，美国布鲁克文国家实验室的科学家们专门研究了这个问题。他们系统研究了晶体硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位发电量的重金属排放量。,太阳能电池组件与其他能源的镉排放量的比较图,碲化镉太阳能电池,他们还研究了硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池生产与使用中其他重金属的排放。研究结果表明（见图2），
15、碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。,硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的重金属排放量的比较图,碲化镉太阳能电池,虽然实验表明碲化镉薄膜太阳能电池组件的使用是安全的，但是建立寿命末期电池组件和损毁组件的回收机制可以增强公众的信心。分离出的Cd、Te及其他有用材料，还可用于制造生产太阳能电池组件所需的相关材料，进行循环生产。美国、欧洲的研究表明，技术上是可行的，回收材料的效益高于回收成本。事实上，美国First Solar公司的碲化镉太阳能电池组件在销售时就与用户签订了由工厂支付回收费用的回收合同。,碲化镉太阳能电池,消耗材料的成本可以进一步降低，如将碲化镉
16、薄膜的厚度减薄1微米，则碲化镉材料的消耗将降低20%，材料总成本降低9.1%。因此，材料成本达到或低于每峰瓦5元人民币是可能的。 考虑工资、管理、电力和设备折旧等其他成本，碲化镉薄膜太阳能电池的成本大约是每峰瓦13.64元人民币或更低。 因此，即使销售价格为每峰瓦2022元人民币，约为晶体硅太阳能电池现在价格的60%，也能保证制造商有相当的利润空间。,1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本,碲化镉太阳能电池,碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到
17、。据相关报道，地球上有碲14.9万吨，其中中国有2.2万吨，美国有2.5万吨。 在美国碲化镉薄膜太阳能电池制造商First Solar年产量25MW的工厂中，300340公斤碲化镉即可以满足1MW太阳能电池的生产需要。考虑到碲的密度为6.25g/cm3，镉的密度为8.64g/cm3，则130140公斤碲即可以满足1MW碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要。 由以上数据可以知道，按现已探明储量，地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用100年。,碲化镉太阳能电池,碲化镉太阳能电池,激光刻划技术 实现集成的刻划技术有机械刻划、激光刻划两种。机械刻划的刻划慢得多，保证刻槽的平直无渣工艺
18、难度较大。激光刻划能够获得较窄的刻槽，宽度最低可到100微米。 刻痕形貌对串联集成的电子学特性有极大影响。激光刻划的刻槽边缘有 “脊状峰”不利于后续沉积的背电极接触层及金属背电极与透明导电薄膜之间形成连续的具有良好欧姆特性的连接。,碲化镉太阳能电池,表面腐蚀技术 小面积电池化学腐蚀方法中，常用体积浓度为0.1%的溴甲醇溶液作为腐蚀液，转换效率高达16.5%。但是溴甲醇溶液在空气中容易氧化，不适合工业化生产使用。,大面积电池使用磷酸-硝酸混合溶液可以获得较好的腐蚀效果。磷硝酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严重，容易在沉积背电极后形成局部的短路漏电通道。 使用硝酸-冰乙酸溶液可以进一步减轻晶体择优腐蚀程
19、度，获得更好的膜面腐蚀效果。,不同温度下使用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的XRD谱图,染料敏化太阳能电池,简介： 染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。,染料敏化太阳能电池,存在的问题： 光电转换效率低于平均水平（11%） 大面积、具有实用化意义的光电转化效率更低（5%） 液态有机小分子化合物溶剂，会造成电极腐蚀、电解液泄露、寿命短等一系列问题。,染料敏化太阳能电池,解决方案： 高
20、效电极(光阳极和对电极)的低温制备和柔性化 设计和开发廉价、稳定的全光谱染料 加强液体电解质和高效固态电解质的制备,染料敏化太阳能电池,全固态敏化太阳能电池主要由透明导电基片、致密二氧化钛层、染料敏化的多相结和金属电极组成。引入致密二氧化钛层是为了防止导电基片与空穴传输材料直接接触而造成短路。 全固态敏化太阳能电池的工作原理是，多相结中的染料的电子受到能量低于二氧化钛禁带宽度的光激发跃迁至激发态，然后注入到二氧化钛的导带内，而染料分子自身转变为氧化态。注入到二氧化钛中的电子富集于导电基底，并通过外电路流向金属电极。处于氧化态的染料分子通过空穴传输层得到电子（或者说染料分子中的空穴注入空穴传输层
21、，并最终到达金属电极而得到还原。,染料敏化太阳能电池,总结： 目前，染料敏化太阳能电池已经发展到向产业化过渡的阶段。在现有技术的基础下，进一步降低成本、提高效率和稳定性、推进工业化的进程是必然的发展趋势。 染料敏化太阳能电池相对其它类型太阳能电池具有巨大的价格优势，虽然现在还存在一些问题，但我们相信在不久的将来，随着技术的进一步发展，这种太阳能电池将具有十分广阔的应用前景。,有机薄膜太阳能电池,简介： 凝聚态稳定的有机薄膜太阳能电池有着低成本、轻质量、柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强的竞争力。,有机薄膜太阳能电池,三种结构：,有机薄膜太阳能电池,缺点： 光电转换效率较低 寿命短,有机薄膜太阳能电池,解决方案： 优化电极材料，对电极的表面修饰，形成良好的欧姆接触，最大限度地减少电子和空穴在传输过程中的损耗。 寻找合适的电子和空穴传输材料，保证电子空穴对能够有效地分离和传导，降低电子空穴对传输过程中的复合和耗散几率。 合成具有更广光谱吸收率，更长激子迁移长度的材料。 改进体异质结薄膜的成膜技术、器件制作工艺和结构设计，控制形成双向连续，相互贯通的体异质结网络结构。 采用光敏小分子对掺杂，提高载流子的收集效率。 寻找叠层结构最优的层数，继续探索修饰层的优化方式。,总结,
