太阳能电池材料的研究现状及未来发展

太阳能电池材料的研究现状及未来发展

太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源.太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池.太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱.制造太阳能电池材料的禁带宽E:应在1.1eV-13W之间，以1.5eV左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率(以下简称“效率”)，材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产.

1954年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后用于人造卫星.经近半个世纪努力，人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力.硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用.在随后10多年里，空间应用不断扩大，工艺不断改进.20世纪70年代初，硅太阳电池开始在地面应用，到70年代末地面用太阳电池产量己经超过空间电池产量，并促使成本不断降低.80年代初，硅太阳电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大.20世纪80年代中至今，薄膜太阳能电池研究迅速发展，薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路，成为

今后太阳能电池研究的热点和主流，并逐步向商业化生产过渡.

1.不同材料太阳电池分类及特性简介

太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等儿大类.开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高效率和降低成本.

1晶体硅太阳电池

晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率.如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的.

2硅基薄膜太阳电池

多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格.多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在PV市场上占据主导地位.非晶硅是硅和氢(约10%)的一种合金，具有以下优点:它对

厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低(约200'C)，阳光的吸收系数高，活性层只有1m

可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产.缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1.7eV，对太阳辐射光谱的长

波区域不敏感，限制了非晶硅电池的效率，且其效率会随着光照时间的延续而衰减(即光致衰退)，使电池性能不稳定.

3化合物半导体薄膜太阳电池

化合物半导体薄膜太阳电池主要有铜锢硒(CIS)和铜锢稼硒(CIGS)、CdTe,GaAs 等，它们都是直接带隙材料，带隙宽度Eg 在1-1.6eV 之间，具有很好大范围太阳光谱响应特性.所需材料只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料.GaAs 带隙宽度1.45eV ，是非常理想直接迁移型半导体PV 材料，在GaAs 单晶衬底上生长单结电池效率超过25%，但价格也高，用于空间.CIS 和CIGS 电池中所需CIS,CIGS 薄膜厚度很小(约2m μ)，吸收率高达105/cm.CIS 电池的带隙Eg 为1.04eV ，是间接迁移型半导体，为了提高效率，只要将Ga 替代CIS 材料中部分In ，形成Culn 1-x Ga x Se 2(简称CIGS)四元化合物，掺Ga 目的将带隙宽度Eg 调到1.5eV ，因而CIGS 电池效率高.CIS 和CIGS 电池由于廉价、高效、性能稳定和较强的抗辐射能力得到各国PV 界的重视，成为最有前途新一代太阳电池，非常有希望在未来十年大规模应用.缺点是Se,In 都是稀有元素，大规模生产材料来源受到一定限制.CdTe 电池的带隙E:为1.5eV ，光谱响应与太阳光谱十分吻合，性能稳定，光吸收系数极大，厚度为1m μ的薄膜，足以吸收大于CdTe 禁带能量的辐射能量的99%，是理想化合物半导体材料，理论效率为30%，是公认的高效廉价薄膜电池材料，一直被PV 界看重.缺点是Cd 有毒，会对环境产生污染.因此CdTe 池用在空间等特殊环境.

4染料敏化Ti02纳米薄膜太阳电池

1991年瑞士Gratzel 教授以纳米多孔TiO:为半导体电极，以Ru 络合物作敏化染料，并选用23/I I -氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化TiO:纳米薄膜太阳电池(简称DSC).DSC 具有理论转换效率高，透明性高，廉价成本和简单工艺等优点，实验室光电效率稳定在10%以上.缺点是使用液体电解质，带来使用不便以及对环境影响.染料敏化TiO:纳米化学太阳能电池受到国内外科学家的重视.目前对它的研究处于起步阶段，近年来成为世界各国争相开发研究热点.

2不同材料太阳电池主要制备工艺、典型结构、效率比较分析

2.1单晶硅太阳电池

单晶硅太阳电池制备和加工工艺:一般以高纯度单晶硅棒原料，有的也用半导体碎片或半导体单晶硅的头尾料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒.在电弧炉中用碳还原石英

砂制成纯度约99%冶金级半导体硅，然后将它在硫化床反应器进行化学反应，使其杂质水平低于10-11%，达到电子级半导体硅要求.将单晶硅棒切成厚约300m μ硅片作太阳电池原料片，通过在硅片上掺杂和扩散，硅片上形成了pn 结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜，这样，单晶硅太阳电池单体片就制成了.经检验后的单体片按需要规格组装成太阳电池组件(太阳电池板)，用串联和并联的方法构成一定输出开路电压和短路电流.

2.2多晶硅太阳电池

浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去昂贵单晶拉制过程，用纯度低的硅作投炉料，耗料、耗电较小.铸锭工艺主要有定向凝固法和烧铸法两种.定向凝固法:将硅料放在增祸中加以熔融，从增竭底部通上冷源形成一定温度梯度，使固液界面从增锅底部向上移动形成晶锭.烧铸法:选择多晶块料或单晶硅头尾料，破碎后用1:5氢氟酸和硝酸混合液进行适当腐蚀，用离子水冲洗呈中性，并烘干.用石英增祸装好多晶硅材料，加入适量硼硅，放入烧铸炉，在真空状态下加热熔化，熔化后保温20min ，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后得多晶硅锭.晶体硅太阳电池典型结构、效率等如表1所示.

2.3多晶硅薄膜太阳电池

通常的晶体硅太阳电池是在厚度350450m m μμ的高质量硅片上制成的，实际消耗的硅材料较多.为了节省材料，人们从20世纪70年代中期就开始在廉价的衬底上沉积多晶硅薄膜，用相对薄晶体硅层作电池激活层.目前制备多晶硅薄膜电池工艺方法主要有以下几种:化学气相沉积(CVD)法;低压化学气相沉积(LPCVD)法;等离子增强化学气相沉积(PECVD)法;液相外延(LPE)法;快速热CVD(RTCVD)法;溅射沉积(PSM)法等.CVD:艺:以SiH 2Cl 2.SiHCl 3,SiCl 4或SiH;作反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si,Si02,Si 3N;等.但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙.解决这一问题办法是先用LPCVD 法在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层晶粒上沉积厚的多晶硅薄膜.该工艺中区熔再结晶(ZMR)技术无疑是很重要的一个环节.