薄膜太阳能电池窗口层材料的应用与发展

薄膜太阳能电池窗口层材料的应用与发展

【摘要】在研究能源发展及其相关技术进步的基础上，研究了太阳能电池的发展现状，结合笔者工作经验，仔细分析了影响太阳能电池转换效率的因素以及窗口层材料在太阳电池中的作用，研究了ZnS材料在太阳能电池窗口层中的重要作用，建议各研究者致力于nS薄膜的研究，为中国能源的发展做出应有的贡献。

【关键词】太阳能电池;窗口层材料;应用与发展

0.引言

随着人类社会的不断发展，石油、煤炭、天然气等不可再生资源日益减少，同时对这些不可再生资源的大量使用会对环境产生极大的污染，因此各个国家在保持天然气、石油、煤炭等工业的可持续发展的同时，极度重视可替代能源和可再生能源的开发和研究[1]。预计到2025年，光伏发电在世界各国总发电量中将占到6%-21%[3]。近些年来，国际光伏发电发展极为迅速，美国、欧洲和日本等发达国家都制定了极其巨大、极其精致的光伏发电发展计划，国际光伏市场开始由特殊应用、边远农村向建筑和并网发电结合供电的方向发展，同时，光伏发电也从补充能源向替代能源过渡。

1.太阳能电池概况

太阳能光伏发电的基础和核心是太阳能电池，太阳能光伏发电利用光生伏电效应把光能转变为电能的光伏器件。按照材料的不同进行分类的话，太阳能电池分为：

1.1半导体无机化合物太阳能电池:主要包括砷化稼、硫化锅太阳能电池。

1.2硅太阳能电池: 太阳能电池以硅材料作为基体的。如非晶硅、单品硅、多晶硅太阳能电池等等。用这类材料制造的太阳能电分为薄膜和片状两种。

1.3染料敏化太阳能电池:以Sn02、TiO2、ZnS等氧化物、纳米级的半导体为电极，使用有机染料及无机带半导体染料敏化剂制成的太阳能电池。

1.4有机化合物太阳能电池:将外琳、酞善、叶绿素等光敏材料制成的太阳能电池。

2.影响太阳能电池转换效率的因素

2.1禁带亮度

一方面，开路电压随光强的增大而增大；另一方面，电流随光强的增大而减

小。结果可以认为可期望在某一个确定的光强度，在这里出现太阳电池效率的峰值。

2.2温度

随温度的增加，转换效率下降。我们知道，电流对温度很敏感，同时，温度对开路电压起主要作用。对于Si材料来说，当温度增加10℃的时候, 开路电压就会下降室温值的0.4%，例如，一个硅电池在20℃时，其转化效率为20%，当温度升到120℃时，其效率变为仅为12%。

2.3复合载流子的寿命

我们知道，载流子的复合寿命越长越好，主要是因为这样电流就会越大。在间接带隙半导体材料，如Si材料中，离结150微米处会产生大量的载流子，所以希望它们的寿命能大于1毫秒。在直接带隙材料，如GaAs、GU2S等材料中，只要10毫秒的复合寿命就可以满足需要了。

2.4光的强度

如果将太阳光聚焦于太阳电池的话，就可以使一个很小的太阳电池产生出很大的电能。设想太阳光被浓缩了N倍，我们知道，这时候单位电池面积的输入功率也会增加N倍，此时开路电压会增加lnN倍。这样的话，输出功率的增加将极大的超过N倍。因此可以看出，聚光的效果使转换效率增加了。

2.5掺杂浓度分布

掺杂浓度是对对开路电压有明显的影响的另一因素。掺杂浓度的数量级是非常容易改变的。掺杂浓度愈高，开路电压就会越高。

2.6串联的电阻

不管在哪一个实际的太阳电池中，都会安装着电阻，而且这些电阻是串联的，其来源可以是金属接触栅、电池体电阻或引线。在通常情况下，串联电阻主要来源于薄扩散层。PN结收集的电流需要经过表面薄层，然后流入最靠近的金属导线，很明显知道，通过密布金属线的数量可以减少串联电阻。

2.7 金属栅和光反射

阳光是不能穿透安装在前表面上的金属栅线的。为了使电流最大，金属栅占有的面积应该设置为最小。为了使电阻变小，通常情况下是将金属栅做成又密又细的形状。

太阳光存在反射现象，不是所有的光线都能进入材料中。资料显示，裸Si 表面的反射率42%，这样的话，可以使用减反射膜，从而降低材料的反射率。对

那些垂直投射到太阳能电池上单波长的光，用某种厚度为1/4波长的涂层就能够使得反射率变为零。对于太阳光而言，采用多层涂层便可以取得较好的效果。

3.窗口层材料在太阳电池中的作用

窗口层材料对太阳能电池影响是非常大的，它直接影响光电转换效率。笔者想在改善传统化学水浴法工艺基础上，研究锅盐种类与浓度、浓度与氨盐、浓度与硫脉、浓度与氨水浓度对硫化锡薄膜的影响的同时，分析不同的工艺条件对制备硫化锡的影响，并对制备的样品作了形貌、结构和光学等方面的分析，研制出大面积颗粒均匀分布，并且非常适合于太阳能电池的硫化锡薄膜，同时还想解决在低温条件下，通过研制结晶度好、透光率高的氧化锌薄膜的难题，为大面积生产薄膜太阳能电池提供了制备优良窗口层材料的制备工艺。

4.薄膜太阳能电池窗口层材料的发展

将高质量TnO薄膜材料作为太阳电池窗口层，它和吸收层材料一起，构成了异质结的同时，在一定程度上有效减少电池层各层之间的短路，同时极大的提高材料的光电转换效率。对于薄膜太阳能电池，各种短路效应都将造成光电转换能量损失以及效率的降低。我们知道，常见的短路有两种：吸收层CIGS和前电极间的短路、前后电极间的短路。提高质量的ZnS薄膜可以避免这两种短路现象，这就要求ZnS薄膜具有较高电阻和颗粒均匀致密的表面特性。

ZnS薄膜以其应用广泛、性能多样和价格低廉等优势，是一种在高新技术领域及广阔的军事和民用领域具有很大的很大发展潜力的薄膜材料。概括起来其应用主要有以下几点:

4.1 短波长发光材料

以往的制备工艺很难制出高质量的氧化锌薄膜，由于纳米出现，导致其结构中激子的跃迁振子增强效应，在室温下测量到的光学增益高达320 cm-1比在同样条件下测量到的块状氧化锌晶体的光学增益要高一个数量级以上。

4.2 透明导电材料

ZnS薄膜尤其是A1掺杂ZnS薄膜，是极好的透明电极材料，具有优异的透明导电性能，在可见光波长范围内的透射率可达90%以上。

4.3 光电器件的单片集成

ZnS在40-2000 nm甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所具有的光电、压电等效应，使之成为集成光电器件中一种极具潜力的材料。采用Si晶片等作衬底，在其上生长ZnS薄膜材料，可提供一种将电学、光学以及声学器件进行单片集成的途径，这些发现使ZnS薄膜在集成铁电器件中也具有潜在的应用前景。