薄膜材料与技术

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优点： ① 资源丰富，环境安全； ② 光的吸收系数高，活性层只需要1m
厚，省材料；
③ 沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、 不锈钢和塑料膜上等。 ④ 电池/组件一次完成，生产程序简单。 缺点： ①效率低 ②不稳定－ 光衰减(S-W效应)。
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实验室效率： 初始 单结： 12％ 双结： 13％ 三结： 15.2% 商业化电池效率： 单结： 双结： 三结：
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1) CdTe电池 CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV, 理论 效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。
工艺和技术－近空间升华(CSS),电沉积，溅 射、真空蒸发，丝网印刷等；
实验室电池效率16.4%；
商业化电池效率平均8～10％；
CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，
2002年市场份额为0.3％。
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分类
1.技术成熟程度： 1) 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅， 2) 薄膜电池： a-Si，CIGS，CdTe，球形电池， 多晶硅薄膜， Grātzel，有机电池，。 3) 新型概念电池：量子点、量子阱电池， 迭层(带隙递变)电池，中间带电池， 杂质带电池，上、下转换器电池， a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)， 偶极子天线电池，热载流子电池， (也有人称第三代电池)
池。早期的TiO2 光电化学电池稳定性差、
效率低。1991年瑞士Grä tzel 将染料敏化引
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2) 多晶硅薄膜电池 ① 高温技术路线－以RTCVD为代表－ 优点；薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易 作出高效率电池， 缺点：工艺温度高～1000℃，衬底难解决。 衬底材料：陶瓷，石墨，硅片。。。
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Fraunhofer研究所－SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包
覆石墨为衬底，RTCVD－ZMR，效率分别达到
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3. 薄膜太阳电池
3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池) 3.4 有机电池
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3.1 硅基薄膜太阳电池
1)非晶硅(a-Si)太阳电池
a-Si 是Si-H(约10％)的一种合金。
1976年－RCA实验室－D.Carlson和
C.Wronski
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2) 带硅技术
直接拉制硅片－免去切片损失
(内园切割，刀锋损失300～400 m。 线锯切割，刀锋损失～200 m)。 过去几十年里开发过多种生长 带硅 或片状硅技术
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① EFG带硅技术
采用石墨模具－电池效率13％－15％。该 技术于90年代初实现了商业化生产，目前属 于RWE (ASE)公司所有。
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3.2化合物半导体薄膜电池 GaAs, CdTe, CuInGaSe等的禁带宽度在1～ 1.5eV,与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体 是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只 要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，因 此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。 GaAs电池主要用于空间，CdTe 和CIS电池 被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的 典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课 题。
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纽约时报把这一突破性的成果称为“ 最 终导 致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代
的开始。” －现代太阳电池的先驱；
◆1958年硅太阳电池第一次在空间应用； ◆ 20世纪60年代初，空间电池的设计趋于稳定， ◆70年代在空间开始大量应用，地面应用开始， 70年代末地面用太阳电池的生产量已经大大 超过空间电池。
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2.材料；硅基电池：单晶硅，多晶硅，
微晶(纳晶)，非晶硅，
化合物半导体电池：CdTe, CIGS,,
GaAs ，InP.。。
有机电池，
Grātzel 电池(光化学电池) 3. 波段范围：太阳光伏电池 热光伏电池
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4.光子吸收带隙理论： ◆单带隙电池(常规电池) ◆中间带隙(或亚带隙，或杂质带)电池， ◆带隙递变迭层电池， ◆上、下转换器电池 ◆偶极子天线电池， 第 三 代 电 池
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②蹼状带硅技术。 在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝 蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片, 所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中 间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种
硅带中质量最好,但其生长速度相对较慢。
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③Astropower的多晶带硅制造技术。 该技术基于液相外延工艺，衬底为可以重 复使用的廉价陶瓷。实验室太阳电池效率 达到 15.6％，该技术实现了小规模的商业 化生产。
太阳电池发展趋势
赵玉文
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提纲
1. 引言：原理，简史，分类 2. 晶硅电池的技术发展 2.1 晶硅电池的各种新技术 2.2 向高效化方向发展 2.3 向薄片化方向发展 3. 薄膜太阳电池 3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池) 3.4 有机电池 4. 太阳电池的未来发展趋势
(1)玻璃衬底，(2)多层薄膜，(3)第一次电极刻槽 (4)第二次电极刻槽，(5)金属化 47
③硅球太阳电池。 这种电池是由在铝箔上形成连续排列的 硅球所组成的，硅球的平均直径为1.2mm， 每个小球均有p-n结，小球在铝箔上形成并 联结构。实验室效率达到10%。 硅球电池在技术上有一定的特色，但规 模化生产仍存在许多技术障碍。
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（我国)
◆ 1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生 ◆ 1971年3月太阳电池首次应用于我国第二颗 人造卫星—实践1号上； ◆ 1973年太阳电池首次应用于浮标灯上； ◆ 1979年开始用半导体工业废次单晶、半导体 器件工艺生产单晶硅电池；
◆ 80“年代中后期引进国外关键设备或成套生 产 线我国太阳电池制造产业初步形成。
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我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。
◆内蒙古大学－蒸发技术
◆北太所－电沉积技术，1983年效率5.8%。
◆ 90年代后期四川大学－近空间升华，
“ 十五 ”期间，列入国家“ 863”重点 项目， 并要求建立0.5兆瓦/年的中试生产线。 电池效率达到 13.38％。
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2) CIGS电池 CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体， 带隙1.04eV。 ◆ 70年代中后期波音公司－真空蒸发， 电池效率达到9％； ◆80年代开始，ARCO Solar 公司处领先地位； ◆ 90年代后期，NREL保持世界记录，19.5%； ◆90年代初起，许多公司致力实现商业化生产 该电池目前处在兆瓦级中试生产阶段， ARCO Solar －Simens －Shell公司。 52
◆能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方
型硅锭，240kg, 400kg,
◆制造过程简单、省电、节约硅材料，
因此具有更大降低成本的潜力。
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但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多 晶界存在，电池效率比单晶硅低； 晶向不一致，表面织构化困难。
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◆乔治亚(Geogia)工大－ 采用磷吸杂和双层减
反射膜技术，使电池的效率达到18.6％；
7). MINP电池－
8). 聚光电池 －
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2.2 向高效化方向发展
1)单晶硅高效电池： ◆斯坦福大学的背面点接触电池： ＝22％ 特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失
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◆新新南威尔士大学的PERL电池 ＝24.7%
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Fraunhofer研究所LBSC电池： ＝23%
15பைடு நூலகம்
◆北京太阳能研究所高效电池 ＝19.8%
电池的效率提高起到了关键性的作用。
目前商业化多晶硅电池的效率13％－16％
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2.3 晶硅太阳电池向薄片化方向发展
1) 硅片减薄
硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。
硅－间接半导体，理论上100m可以吸收
全部太阳光。电池制造工艺－硅片厚度下
限150 m。
降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要
技术方向之一。
◆ a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)电池，
◆量子点、量子阱电池，
◆热载流子电池，。。
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2. 晶硅电池的技术发展
2.1 晶硅电池的各种技术发展 2.2 向高效化方向发展
2.3 向薄片化方向发展
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2.1 晶硅电池的技术发展
单晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油 危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时 期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且 引入许多新技术－
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1. 引言：
基本原理
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简史(世界) ◆ 1839年-法国Becquerel报道在光照电极插入电 解质的系统中产生光伏效应－光电化学系统；
◆ 1876年英国W. G. Adams发现晶体硒在光照下 能产生电流－固体光伏现象； ◆ 1884年，美国人Charles Fritts 制造成第一个 1％硒电池； ◆ 1954年贝尔实验室G. Pearson 和D. Charpin研 制成功6％ 的第一个有实用价值的硅太阳电池；
9.3％和11％。
RTCVD－ZMR
non-active Si substrate =15.12% (北太所)
modelling ceramic substrate =10.21% (北太所)
Particle ribbon Si =8.25% (广州能源所＋北
太所)
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② 低温技术路线－以PECVD为代表
稳定 6－8％ ～10％ ～13％
3％～4％ ～6％ 7％ ～8％
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◆我国非晶硅电池研究在上世纪80年代中期 形成了高潮，30多个研究组从事研究。实验室 初始效率8％～10％； ◆80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国 Chrona公司引进了1MW生产能力的单结非晶硅生 产线，稳定效率3％－4％之间。 ◆自90年代后有较大收缩。 ◆2000年，以双结非晶硅电池为重点的硅基 薄膜太阳电池研究被列入国家“973”项目，我 国非晶硅电池的又进入一个新的研究阶段。目 前双结初始实验室效率8％～10％，稳定效率 ～8％?
优点：工艺温度低，200～300℃， 衬底容易获得：玻璃，不锈钢等； 缺点：薄膜质量低，晶粒小，纳米极。
日本Kaneka公司－PECVD－玻璃衬底 pin结构的多晶硅薄膜电池，效率10％； 南开大学结合“ 973” 项目－PECVD－ 实验室小面积电池正在研制(~6%)。
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澳大利亚Pacific Solar 公司PECVD－玻璃衬 底－迭层多晶硅薄膜电池，效率6％。
我国南开大学、内蒙古大学和云南师大等单 位于80年代中期先后开展了CIS薄膜电池研究, 南开大学－蒸发硒化法－电池效率9.13%。 “ 十五 ”列入“ 863”重点项目，并要求 建立0.3兆瓦/年的中试生产线。目前效率 12.1%
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几种薄膜电池的效率进展
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3.3染料敏化TiO2太阳电池
染料敏化TiO2 电池实际是一种光电化学电
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太阳电池向薄片化方向发展
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Sharp单晶硅组件
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Ultrathin Multicrystalline Si High Efficiency Solar Cells – Fraunhofer- 20.3%－世界记录
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硅片厚度的发展： 70年代－450～500 m， 80年代－400～450m。 90年代－350～400 m。 目前 － 260～300 m。 ～2010年 200～260 m。 ～2020年 100～200 m。
◆新南威尔士大学－采用类似PERL电池技术，
使电池的效率19.8％
◆ Fraunhofer研究所 20.3%－世界记录
◆ Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化
使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7％.
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商业化多晶硅电池组件－Kyocera电池
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其中PECVD－SiN钝化技术对商业化多晶硅
1). 钝化技术：热氧化SiO2钝化，氢钝化，
PECVD－SiN工艺钝化(多晶
硅)，a-Si钝化等
2). 陷光技术： 表面织构化技术，减反射技术
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3) 背表面场(BSF)技术
4).表面织构化(绒面)技术,
5).异质结太阳电池技术:
如SnO2/Si, In203/Si, ITO/Si等
6). MIS电池－
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单晶硅电池的效率进展
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激光刻槽埋栅电池
新新南威尔士大学 ＝19.8%
北京太阳能研究所 ＝18.6%
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商业化单晶硅电池组件
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商业化单晶硅电池组件－Sanyo aSi/c-Si电池
（实验室最好效率： ＝20.7%，面积125×125）
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2).多晶硅高效电池 ◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料，