薄膜太阳能电池分类

21世纪初之前,太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主,超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领,但自2003年以来,晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨,因此,业内人士自热而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金属片等不同材料当基板来制造,形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm,目前转换效率最高可达13%以上。薄膜电池太阳电池除了平面之外,也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其使用范围大,可和建筑物结合或是变成建筑体的一部份,使用非常广泛。
1.硅基薄膜电池
硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池,而目前市场主要是非晶硅薄膜电池产品。非晶硅的禁带宽度为1.7eV,通过掺硼或磷可得到p型或n型a-Si。为了提高效率和改善稳定性,还发展了p-i-n/p-i-n双层或多层结构式的叠层电池。
2.碲化镉(CdTe)薄膜电池
宜昌市十一中碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一,由于其工艺过程简单,制造成本低,实验室转换效率已超过16%,大规模效率超过12%,远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境造成污染,使用受到限
制。近年来美国FirstSolar公司采取了独特的蒸气输运法沉积等特殊措施,解决了污染问题,开始大规模生产,并为德国建造世界最大的光伏电站提供40MW 碲化镉太阳电池组件。
3.铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池
铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池,通过磁控溅射、真空蒸发等方法,在基底上沉积铜铟镓硒薄膜,薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃,也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率已接近20%,成品组件效率已达到13%,是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。
张叶帆4.砷化镓(GaAs)薄膜电池
砷化镓薄膜电池是在单晶硅基板上以化学气相沉积法生长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池,其直接带隙1.424eV,具有30%以上的高转换效率,很早就被使用于人造卫星的太阳电池板。然而砷化镓电池价格昂贵,且砷是有毒元素,所以极少在地面使用。
5.染料敏化薄膜电池
染料敏化太阳电池是太阳电池中相当新颖的技术产品,由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)纳米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。目前仍停留在实验室阶段,实验室最高效率在11%左
右。
非晶硅薄膜电池
简介
非晶硅(amorphous silicon α-Si)又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑或灰黑的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞,纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅的化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等) 在加热下还原四卤化硅,或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜,氢在其中补偿悬挂链,并进行掺杂和制作pn结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。禁带宽度1.7~1.8eV,而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业使用,主要用于提炼纯硅,制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。
非晶硅薄膜电池的起源
非晶硅薄膜太阳能电池由Carlson和Wronski在20世纪70年代中期开发成功,80年代其生产曾达到高潮,约占全球太阳能电池总量的20%左右,但由于非晶硅太阳能电池转化效率
低于晶体硅太阳能电池,而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点:光电转换效率会在头1000
个光照时间内逐渐衰减到稳定状态,对薄膜电池的使用存在影响。
非晶硅薄膜电池的优点
1.低成本
单结非晶硅太阳电池的厚度0.2um。主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷,这种气体,化学工业可大量供应,且十分便宜。目前晶体硅太阳电池的基本厚度多为200um以下,相差1000倍,大规模生产需极大量的半导体级硅,仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%,目前在中国晶体硅太阳电池的硅材料成本大概为0.2USD/W左右。几年前,从原材料供应角度考虑,人类大规模使用太阳光发电,非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池是比较好的选择。但是在最近两年,硅材料的成本快速下跌,从成本的角度来说,除个别厂家外,非晶硅太阳能电池已经不具备之前的竞争力。
2.能量返回期短
转换效率为6%的非晶硅太阳电池,其生产用电约1.9度电/瓦,由它发电后返回的时间约为1.5-2年,这是晶硅太阳电池无法比拟的。
3.大面积自动化生产
目前,世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 设备生产的1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池,其初始效率高于9%。其稳定输出功率接近80W/片。商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和125mm*125mm为主。
4.高温性能好
当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时,其最佳输出功率会有所下降;非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。
5.短波响应优于晶体硅太阳能电池
甲苯二异氰酸酯
上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套6500瓦非晶硅太阳能电站,其每千瓦发电量为1300KWh,而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为1100-1200KWh。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用优势。下图为该电站的现场照片,第一代非晶硅太阳电池的以上优点已被人们所接受。2003年以来全世界太阳能市场需求量急剧上升,非晶硅太阳电池也出现供不应求的局面。
目前存在的问题
(1)效率较低
单晶硅太阳能电池,单体效率为14%-17%(AMO),而柔性基体非晶硅太阳电池组件(约1000平方厘米)的效率为10-12%,还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能电池面积增加,对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用,如农村和西部地区。我国目前尚有约28000个村庄、700万户、大约3000万农村人口还没有用上电,60%的有电县严重缺电;光致衰减效应也可在电量输出中加以考虑,我们认为以上缺点已不成为其发展的障碍,非晶硅太阳能电池已迎来新的发展机遇。
(2)稳定性问题
非晶硅太阳能电池的光致衰减,所谓的W-S效应,是影响其大规模生产的重要因素。目前,柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%,已具备作为空间能源的基本条件。
(3)成本问题
非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右,因此项目投资有一定的资金壁垒。且,成本回收周期较长,昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。
非晶硅薄膜电池的市场使用
(1)大规模发电站
1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业震动。Mass干旱区研究
公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。日本Kaneka公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。德国RWESchott公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。
(2)和建筑相结合,建造太阳能房
非晶硅太阳能电池可以制成半透明的,如作为建筑的一部分,白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内,为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨,又能发电;美国,欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅组件。
(3)太阳能照明光源
由于非晶硅太阳能电池的技术优势,同样功率的非晶硅太阳能灯具,其照明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明时间长20%,而其成本每瓦要低约10元人民币。上海尤利卡公司于2003年-2005年已为松江区的太阳能路灯提供了400多个非晶硅太阳能路灯电源,其冬天的发电效果明显优于晶体硅。
曲金华(4)弱光下使用
由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电,已被广泛用于太阳能钟,太阳能手表,太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。
碲化镉薄膜电池
简介
(1)碲化镉
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,带隙1.5eV,和太阳光谱非常匹配,最适合于光电能量转换,是一种良好的PV材料,具有很高的理论效率(28%),性能很稳定,一直被光伏界看重,是技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。CdTe 薄膜太阳电池通常以CdS/CdTe异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%,但它们组成的异质结电学性能优良,制成的太阳电池的填充因子高达FF=0.75。
(2)制备工艺
制备CdTe多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来,如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等。丝网印刷烧结法:由含CdTe、CdS浆料进行丝网印刷CdTe、CdS膜,然后在600~700℃可控气氛下进行热处理1h得大晶粒薄膜.近空间升华法:采用玻璃作衬底,衬底温度500~600℃,沉积速率10μm/min.真空蒸发法:将CdTe从约700℃加热钳埚中升华,冷凝在300~400℃衬底上,典型沉积速率1nm/s.以CdTe吸收层,CdS作窗口层半导体异质结电池的典型结构:减反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背电极。碲化镉电池现状
(1)转换效率
碲化镉薄膜太阳能电池的发展受到国内外的关注,其小面积电池的转换效率已经达到了16.5%,商业组件的转换效率约9%,组件的最高转换效率达到11%。国内四川大学制备出转换效率为13.38%的小面积单元太阳能电池,54cm2集成组件转换效率达到7%,正在进行0.1m2组件生产线的建设和大面积电池生产技术的研发。
(2)成本估算
1MW 碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本
可见,碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体,分别占到消耗材料总成本的45.4%和38.2%。如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米,则碲化镉材料的消耗将降低20%,从而使材料总成本降低9.1%,即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如使用99.999%纯度的碲化镉,效率依然能达到7%,材料成本还将进一步降低。注:成本计算依据①虑电池的结构为玻璃/SnO2:F /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni ②碲化镉薄膜的厚度为5微米③转换效率为7%,
(3)碲资源
碲是地球上的稀有元素,发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满
足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及使用。工业上,碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。据相关报导,地球上有碲14.9万吨,其中中国有2.2万吨,美国有2.5万吨。在美国碲化镉薄膜太阳能电池制造商First Solar年产量25MW的工厂中,300~340公斤碲化镉即可以满足1MW太阳能电池的生产需要。考虑到碲的密度为6.25g/cm3,镉的密度为8.64g/cm3,则130~140公斤碲即可以满足1MW碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要。由以上数据可以知道,按现已探明储量,地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用100年。
环境影响
(1)镉排放量(2)重金属排放量
图1 太阳能电池组件和其他能源的镉排放量的比较图
太阳能电池的排放量均小于1g /GWh,其中又以碲化镉的镉排放量最低,为0.3 g / GWh。图2 硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的重金属排放量的比较图碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。
关键技术
损益表分析(1)结构&工艺
硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的沉积和后处理是获得高效率的技术关键。
图3碲化镉薄膜太阳能电池组件集成结
构示意图图4碲化镉薄膜太阳能电池组件制备工艺流程
(2)激光刻蚀
图5是分别用1064nm激光和
532nm的激光刻划CdS/CdTe薄膜后,
用探针式表面轮廓分析仪测量的刻痕
形貌。 1064nm激光刻划的刻槽边缘有
高达4微米的"脊状峰",这不利于后
续沉积的背电极接触层及金属背电极
和透明导电薄膜之间形成连续的具有
良好欧姆特性的连接。
图5 CdTe薄膜激光刻划刻痕形貌
(3)表面腐蚀技术
使用磷酸-硝酸混合溶液可
以获得较好的腐蚀效果,典型溶
液的体积浓度为(硝酸:磷酸:
水)0.5:70:29.5,室温下腐蚀
时间为1分钟。降低硝酸浓度和
温度可以进一步延长腐蚀。磷硝
酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严
重,容易在沉积背电极后形成局
部的短路漏电通道。使用硝酸-冰
乙酸溶液可以进一步减轻晶体择
优腐蚀程度,获得更好的膜面腐
蚀效果。
图6 不同温度下使用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的
XRD谱图
前景展望

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