薄膜硅太阳能电池概述
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摘要 本文主要阐述了多晶硅、非晶硅和微晶硅等薄膜硅太阳能电池的特点、制备方法、应用和发展现状。并根据当前国际形势和社会需求,提出了太阳能电池材料的发展方向以及应用前景。
关键词 太阳能电池;多晶硅;非晶硅;微晶硅
中图分类号TM914.4+文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)18-0106-01
0 引言
目前,世界范围内的能源消耗急剧增加和自然资源匮乏现状日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,所以人们迫切需要寻找可再生清洁新能源来满足社会的需求。太阳能作为地球可再生的无污染能源引起了科研工作者的普遍关注,太阳能电池的研究与应用得到了迅猛发展。全球太阳能电池最大的生产企业日本夏普电器公司董事长片山干雄指出[1]:“2013 年之前是薄膜硅和结晶硅齐头并进,2013 年以后薄膜硅将成主流。”可见,薄膜太阳能电池在技术开发上已超越传统的太阳能电池,成为太阳能电池研发的重点方向和主流。已研发成功的产品主要有多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池。下面分别加以阐述。
1 多晶硅薄膜太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池[2]是在单晶硅太阳能电池的基础上发展起来的。单晶硅太阳能电池属于结晶硅电池,是转换效率最高、技术最成熟的太阳能电池,尤其在工业生产和大规模应用中,单晶硅太阳能电池占据主导地位。但是单晶硅材料价格昂贵,制备工艺相当繁琐,所以科研工作者从70年代就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,希望能够降低成本,但当时科技水平实验条件有限,导致生长的硅膜晶粒太小,没有能够取得成效。随着科技的发展,多晶硅薄膜太阳能电池的制备和应用都有了很大进展。目前,制备多晶硅薄膜太阳能电池多采用各种化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺。此外半导体液相外延生长法、固相结晶法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜太阳能电池。
多晶硅薄膜太阳能电池的转化效率也大大提高,有些已经接近单晶硅太阳能电池。如日本三菱公司在二氧化硅衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池,其光电效率可达16.5%。德国太阳能研究人员采用区熔再结晶技术所制备的多晶硅电池,其转化效率高达19%[3]。多晶硅薄膜电池所使用的硅比单晶硅少,没有效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,成本远远低于单晶硅电池而效率也较高,所以多晶硅薄膜太阳能电池已成为薄膜硅电池开发的热点之一,具有良好的发展前景。
2 非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅又称无定形硅(简称a- Si),是硅的一种同素异形体。非晶硅薄膜太阳能电池其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得到发展,是目前公认的最具环保性能的太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法[4]有反应溅射法、低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等。其中PECVD法最为成熟,在低温下就可以制备非晶硅太阳能电池。
非晶硅薄膜太阳能电池具有节能环保、高温性能好、能量回收周期短等特点,但非晶硅薄膜[5]的光学带隙(1.7eV)与太阳光光谱不匹配,限制了电池的转化效率,而且其光电效率会随光照时间增加而衰减。因此,非晶硅薄膜太阳能电池的研究方向主要集中在提高效率和稳定性方面,具体方案[6]有:通过有不同带隙的多结迭层提高效率和稳定性;降低表面光反射和改进电池结构;使用更薄的i层;以增强内电场,降低光诱导衰减。通过对以上4方面工作的研究与发展,相信在不远的将来,非晶硅薄膜太阳能电池的各项性能将会有很大提高,从而更好地为人类服务。
3 微晶硅薄膜太阳能电池
为了研制出转换效率高和性能更稳定的太阳能电池,近年来微晶硅太阳能电池成了人们研究的又一热点。微晶硅作为窄带隙材料与非晶硅组成叠层薄膜电池结构,可充分利用太阳光谱,并且能够解决非晶硅薄膜电池中稳定性的问题。
目前,制备微晶硅材料的主要技术方法包括3种化学气相沉积法[7]。最早用于沉积微晶硅的技术的是射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD),但此法制备的材料性能较差,后来人们通过改进,提高沉积气压、增大辉光功率,使薄膜质量和沉积速率有了较大提高。第二种方法是甚高频等离子体增强化学气相沉积方法(VHF-PECVD),是将等离子的激发频率提高,从而能够有效地实现优质微晶硅的高速生长。但这种技术存在驻波效应和损耗波效应,很难实现工业化的大面积生产。还有一种新兴的薄膜制备方法―热丝化学气相沉积(HW-CVD),此方法成本虽低但易造成环境污染,材料中缺陷态密度也比较高,因此在一定程度上限制了微晶硅材料在太阳能电池中的应用和发展。
4结论
太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展[8],我国已经成功超越欧洲、日本成为世界太阳能电池生产第一大国,电池性能大大提高,应用领域日益广泛。目前,开发研制的新型硅基薄膜太阳能电池效率高,并部分实现了商品化,但还存在不少缺陷,因此改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。
参考文献
[1] 郭浩,丁丽,等.太阳能电池的研究现状及发展趋势 [J].许昌学院学报,2006,25,2:38-41.
[2] 郑春蕊.太阳能电池吸收层和窗口层材料的制备研究[D].硕士学位论文,2005,3:1-2.
[3] 徐立珍,李彦,秦锋,等.薄膜太阳能电池的研究进展及应用前景[J].可再生能源,2006,127(3):9-12.
[4] 邱永华,史伟民,魏光谱,等.硫化锡多晶薄膜太阳能电池研究进展[J].人工晶体学报,2006,35(1):159-163.
[5] 徐知之,夏文建,等.铜铟硒(CIS)薄膜太阳能电池研究进展[J].真空,2006,43(2):13-17.
[6] 卢景霄,张宇翔,等.硅太阳能电池稳步走向薄膜化[J].太阳能学报,2006,27(5):444-449.
[7] 俞远高,侯国付,王锐,等.微晶硅材料及其在太阳能电池中的应用[J].激光与光电子学进展,2006,43(8):48-55.
[8] 马胜红,陆虎俞.光伏发电与光伏发电系统[J].大众用电,2006,1:38-40.
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