太阳能与太阳能电池基础简介

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太阳能简介： 太阳能一般指太阳光的辐射能量。 在太阳内部进行的由 “氢” 聚变成 “氦” 的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这 种能量就是太阳能。 太阳向宇宙空间发射的辐射功率为 3.8×1023kW 的辐射 值，其中 20 亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被 大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为 800000 亿 kW， 也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧 500 万吨煤 释放的热量。广义的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水 的势能等等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接 转换。 什么是太阳能电池： 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装 置。 第一块太阳能电池由 Charles Fritts 在 1883 年制备， Charles 用锗半导 体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有 1%的效率。随着半 导体技术的发展，第一个具有应用意义的太阳能电池在 1954 年诞生在贝尔 实验室，迎来了太阳能电池技术的时代。 太阳能电池的发电原理： 太阳能电池的工作包括几个主要过程： 1、有光（太阳光、单色光或者模拟太阳光等）的照射； 2、光子注入到半导体中，激发出电子-空穴对，并且在被分离前不会复 合消失； 3、必须有一个静电场，电子-空穴在静电场中被分离，电子集中在一边， 空穴集中在另一边， 绝大部分太阳能电池利用 p-n 结势垒区的静电场实现分 离电子-空穴对的目的；
4、被分离的电子和空穴经由电极收集后输出到外电路，形成电流。
(该图片来源自网络)
太阳能电池的种类： 太阳能电池根据所用的材料可分为：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、有机太阳能电 池等，如下表所示： 太阳能电池的种类（按照吸收层材料分类） 太阳能电池的种类 半导体材料
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
单晶硅、多晶硅、非晶硅 Ⅲ-Ⅴ族化合物：如 GaAs、AlGaAs、InP； Ⅱ-Ⅵ族化合物：如 CdS、CdTe； 其它: 如 CuInS2、CuInSe2、CuInGaSe 具有不同氧化还原电势的氧化还原型聚合物 TiO2、GaAs、InP、Si 等 酞菁、羟

基角鲨烯、聚乙
炔
湿式太阳能电池 有机太阳能电池 什么是薄膜太阳能电池：
薄膜太阳能电池可以使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等不同材料 作为基板，可产生电压的吸收层薄膜的厚度仅需数μm，因此在同一受光面 积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(如晶硅电池的硅材料层 厚度为 200～350μm)。 薄膜太阳能电池除了平面构造之外，因其具有可挠性还可以制作成非平 面构造。 其应用范围大， 除了晶硅电池的常规应用范围外， 还在建筑一体化、 随身便携式电源等领域有其独特的优势。 根据吸收层材料的不同，薄膜电池可分为非晶硅、微晶硅、化合物半导 体 II-IV 族[CdS、CdTe]、色素敏化染料、有机导电高分子、CIGS 等种类。
(图片源自网络)
什么是 CIGS 薄膜太阳能电池： CIGS 薄膜太阳能电池是以 p 型半导体 ClGS（铜铟镓硒）作为吸收层， n 型半导体材料作为窗口层的薄膜型太阳能电池，其结构如下图所示：
CIGS 薄膜太阳能电池的特点： CIGS 太阳能电池是新一代高效、低成本、可大规模工业化生产的薄膜 太阳能电池，被誉为最有前途的太阳能电池之一。CIGS 太阳能电池吸收层 的厚度仅为现在商用硅太阳能电池的 1%，用料非常少，成本很低；而其光 电转换效率是所有薄膜型太阳能电池中最高的。最近（2010 年）由德国太 阳能和氢研究中心 （ZSW） 制造的 CIGS 薄膜电池 （0.5cm2） 效率达到 20.1%， 突破 08 年 NREL 创造的 19.9%的转换效率，比当前量产的单晶硅、多晶硅 太阳能电池的效率还要高。CIGS 作为太阳能电池的光电转换材料具有以下 几个方面内在的优势： 1. 光学带系可调：Ga 替代 In 形成 CuIn1-xGaxSe2 固溶体，可以使 半导体的禁带宽度在 1.04～1.65eV 间变化，非常适合于调整和优 化禁带宽度，与太阳光谱进行最佳匹配。在膜厚方向调整 Ga 的含 量，可形成梯度带隙半导体，产生背表面场效应，获得更多的电流 输出，使 p-n 结附近的带隙提高，形成 V 字形带隙分布等。CIGS 太阳能电池的这种带隙裁剪是相对于 Si 基和 CdTe 基电池的最大优 势。 2. 可加工性能好，成本低：CIGS 可以在玻璃和柔性基片上形成缺陷 少、晶粒大、结晶高的多晶薄膜，这往往是其它多晶薄膜无法达到 的，而且，由于材料的用量非常少，所以电池的制造成本低。 3. 具有独特的 Na 效应：对于硅系半导体，玻璃中大量的 Na 离子是
其恐怖的性能杀手，而在 CIGS 太阳能电池中，微量 Na 可大幅度 地改善薄膜的结晶形貌和传输性能，从而提高太阳能电池的转换效 率和成品率，并且可以使用价格低廉、热膨胀系数接近的钠

钙玻璃 作为电池的基板。 4. 电池效率
高： CIGS 是已知光吸收系数最高的半导体材料， 达到 105 ／cm， 而且是一种直接带隙半导体材料， 因此非常适合用于制备薄 膜电池，用其制备的电池吸收层的厚度可降低到 1～3um，可大大 降低原料的消耗。 5. 性能稳定：CIGS 抗辐射能力强，没有光致衰退效应。CIGS 中电中 性缺陷对(2VCu+InCu)等的形成能较低，可使 Cu 迁移效应成为动 态可逆过程，这种 Cu 迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐 射损伤的 CIGS 电池具有自愈合能力。有实验结果表明，CIGS 薄膜 电池经过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验后， 不但证明抗辐照性能好， 而且光电转换效率几乎无衰退。 另外， CIGS 电池不存在光致衰退问题，光照可以提高太阳能电池的转换效率， 因此该类太阳能电池的工作寿命长。 6. 弱光性能好：美国 Shell Solar 公司在位于美国加洲自己的光伏制 造工厂屋顶安装了 0.25MW 的 CIGS 薄膜光伏阵列发电系统， 在阴 天或阴暗气候条件下，CIGS 薄膜电池比其它太阳能电池产品会产 生更多电能， 这表明 CIGS 电池不仅在阳光下具有较高的转换效率， 而且其弱光特性是其它种类电池所无法比拟的，因此对于高纬度地 区以及气候条件不理想的地区更能显示其优异性能。 总之，CIGS 太阳能电池在温度稳定性、化学稳定性、抗辐射能力、弱 光性能等方面都是其他太阳能电池难以匹敌的， 是理想空间电源和便携式电 源，并且易于安装，非常适合于建筑一体化。 CIGS 薄膜太阳能电池制备工艺： CIGS 薄膜电池可以采用不同的工艺制成，其制备过程举例如下： 以普通钠钙玻璃为衬底，磁控溅射法沉积 Mo 层作为电池底电极，然后 制备 CIGS 化合物半导体薄膜， CIGS 薄膜上再顺次制备 CdS 缓冲层和窗 在 口材料 ZnO 膜，最后制备电极后封装，整个电池的结构为：玻璃
/Mo/CIGS/n-CdS/n-ZnO（高阻本征层）/n+-ZnO（低阻导电层）：Al/Al （电极）的薄膜电池，如下图所示。
CIGS 薄膜太阳能电池制备流程 在 CIGS 电池的制备工艺中，最关键的是 CIGS 薄膜的制备，目前的制 备方法可以分为高真空气相法和非真空法。 高真空气相法包括蒸发法、溅射后硒化法等： 共蒸发法是在真空室内用多个独立蒸发源同时向衬底蒸发 Cu，In，Ga 和 Se，反应沉积 CIGS 薄膜，NREL 开发的三段法可以在实验室中制备出转 化效率很高的电池， 他们的方法是： 首先在基板温度 300℃的条件下， In、 将 Ga、 蒸发到基板上； Se 接着将基板温度升高到 500-560℃， 蒸发 Cu 和 Se； 最后再蒸发 In、Ga、Se，使薄膜的成分调整到Ⅲ族

元素稍有过剩，接近化 学计量比的状态。为了提高 CIGS 薄膜的附着力和造
成 Ga 的梯度分布，有 时也先蒸发上 CuGaSe2 层。蒸发过程的控制是制备 CIGS 薄膜的关键，一 般可通过控制蒸发源的温度或蒸发速率来实现。采用蒸发法制备的小面积 CIGS 薄膜质量好，电池光电转换效率高（ZSW 采用三步共蒸发法制备的小 面积 CIGS 薄膜太阳能电池，其光电转换效率已达 20.1%），但这种方法在 制备大面积薄膜时难以保证均匀性和元素配比的可控性，成品率低，设备投 资高，原料利用率低，生产效率亦低，导致生产成本非常高，大规模生产难
实施。 溅射后硒化法是预先溅射沉积 Cu/In 或 Cu/In/Ga 金属前躯体， 然后通 过固态或者气态硒化法制备出 CIGS 薄膜。固态硒化法是将基板上的 Cu/In/Se 叠层预制膜加热到 450-550℃，通过固相扩散形成 CIGS 薄膜； 气态硒化法是将基板上的 Cu/In 叠层预制膜在 H2Se 或 Se 的气氛中硒化， H2Se 硒化能在常压下操作，可精确控制反应过程，加之其活性较高，因而 得到的薄膜质量较好， 目前工业化的生产线上均采用 H2Se 硒化。 但是， 2Se H 是剧毒气体，且易燃价高，对保存、操作的要求非常严格，因此其应用受到 一定限制，另外合金膜硒化时不可避免地要生成高挥发性的中间物，导致大 面积薄膜的均匀性和元素配比难以控制，电池成品率低。 与高真空气相法相比，非真空法制备 CIGS 薄膜可以大幅度地降低电池 的生产成本，并能方便地制备大面积薄膜，是目前 CIGS 薄膜低成本制备的 竞争焦点。近年来，有关非真空液相法制备 CIGS 薄膜太阳能电池光吸收层 的研究得到越来越多的关注，目前报道的方法主要有以下几种： 1. 纳米氧化物粉体前驱膜还原后硒化法：首先，制备含铜、铟、镓等 各元素氧化物微粉的液相前驱体；然后，将液相前驱体通过各种非 真空工艺涂敷在衬底上得到前驱薄膜；再将前驱薄膜经高温还原后 硒化得到铜铟镓硒薄膜。这种方法虽然成本较低，但是同时也具有 一些缺点：首先，氧化物前驱体薄膜需要在高温下用氢气还原，这 需要浪费许多时间和能源。其次，由于镓的氧化物非常稳定，甚至 是在非常苛刻的条件下都难以被还原完全，这将导致目标铜铟镓硒 薄膜杂质含量高，镓元素掺入困难。最后，由于反应动力学的问题， 经还原所得到的铜铟镓合金薄膜也难以硒化完全。 2. 喷雾热解法： 喷雾热解法制备 CIGS 薄膜具有工艺成本低廉的特点， 但由于该方法制备的 CIGS 薄膜杂质含量过高，薄膜平整度难以控 制，大面积均匀性难以保证,所以，目前采用喷雾热解法制备

的铜铟 镓硒薄膜太阳能电池的光电转换效率均不高。 3. 电化学沉积法：是非真空法的一种主要方法，在水溶液
中以衬底作 为阴极，沉积上 CIGS 预置层或金属 Cu-In-Ga(CIG)预置层。CIGS 薄膜的电沉积制备通常被认为是在阴极上发生出如下反应： Cu2++(1-x)In3++xGa3++2H2SeO3+13e-+8H+-->CuIn(1-x)GaxSe2+6H2O 该种工艺使用的设备简单、投资小、成本低；可以连续、低温沉积
薄膜；具有自动提纯的作用，可以使用较低纯度的原料；原材料利 用率高达 95%以上；可以根据沉积电位改变预置层的成份，便于形 成带隙梯度分布。但是，CIGS 是一个多元化合物，这种多元化合 物的电沉积过程往往比较复杂。在同溶液多元素电沉积中，标准电 极电势较正的阳离子将首先在工作电极上放电并优先沉积出来，而 这四种元素的标准电极电势相差较大， 其中 Cu 和 Se 的标准电极电 势比 In、Ga 高得多，由于沉积电位难以匹配，制备的铜铟镓硒薄 膜易大量富铜，薄膜的化学计量难控制。 4. 非氧化物量子点喷墨打印法： 该工艺的特点是首先制备铜或铟或镓 或硒等元素的纳米粒子或量子点，再在该纳米粒子或量子点的表面 包覆一层或多层含铜、铟、镓、硫、硒等元素的涂层，通过控制涂 层的成分和涂层的厚度，控制包覆纳米粒子中各元素的化学计量 比。将得到的包覆纳米粒子分散在一定溶剂中形成浆料，将制得的 浆料经印刷、打印等非真空工艺形成前驱薄膜，然后通过快速退火 形成铜铟镓硒薄膜。该工艺具有成本低廉、原料利用率高、可使用 柔性衬底、易制备大面积薄膜等特点，但是，由于使用的是纳米颗 粒，纳米颗粒的粒径大小、粒径分布、表面形貌和化学计量等多种 参数都需要严格的控制，致使该工艺控制困难，过程复杂，对可重 复性的保证具有极高的要求。 CZTS 太阳能电池介绍： CZTS 类太阳能电池是以铜（Cu）、锌（Zn）、锡（Sn）、硫（S）以 及硒（Se）为主要成分的化合物薄膜太阳能电池，属 I 一Ⅱ一Ⅳ一Ⅵ族四元 化合物薄膜电池。CZTS 为澳洲新南威尔斯大学 Martin Green 教授所喻的 第 3 代薄膜太阳能电池的候补技术，具备无毒、原材料充足的特性，电池吸收 层的直接带隙(约 1.5eV)与太阳辐射匹配性好、光吸收系数高(>104cm-1 )、 原料在地壳中储量大、价格便宜、无毒等优点。 理论计算表明，CZTS 薄膜电池的最高转换效率可达 32.2％。CZTS 电 池结构类似于目前转换效率最高的 CIGS 电池，但研究时间尚短，目前转换 效率仍较低。2009 年 IBM 报道由铜锌锡、硫磺及硒制成的 CZTS 太阳能电 池功效已经达到了 9.6%。总体说来，CZTS 目

前还处于初萌芽的实验室阶
段，属于未来性产品，距商业化还有很长的路得走。

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