薄膜太陽能電池研究

摘要：社會經(jīng)濟發(fā)展對于環(huán)保要求的提升使得對于太陽能使用的關(guān)注度越來越高，而這也催生了太陽能電池相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，薄膜太陽能電池就是最為重要的太陽能利用技術(shù)之一。本文基于對太陽能電池相關(guān)理念的概述，綜合探討了薄膜太陽能電池的發(fā)展?fàn)顩r及其特征，并從三個角度入手，對薄膜太陽能電池的相關(guān)種類進行了介紹，以求為薄膜太陽能電池發(fā)展提供必要的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽能電池；發(fā)展?fàn)顩r；特征；種類

中圖分類號：TM914.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02

一、太陽能電池概述

伴隨著經(jīng)濟社會的不斷快速發(fā)展，經(jīng)濟增長對于環(huán)境污染的問題也變得越來越嚴(yán)重，因此基于可持續(xù)發(fā)展理念來進行工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)提供等成為當(dāng)今世界經(jīng)濟發(fā)展的主旋律，而這也使得經(jīng)濟環(huán)保技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的理念深入人心。另一方面，在資源有限的情況下，如何有效利用現(xiàn)有資源，并不斷開發(fā)出對新資源的運用也是擺在可持續(xù)發(fā)展理念上的重要考慮對象。基本看來，目前人們普遍認(rèn)為對于太陽能的有效運用是解決能源危機、環(huán)境問題的最有效的途徑。太陽能資源不僅具有清潔型能源的特征，而且其存在的長期性也能夠解決人們對于能源的需求問題，太陽能電池是對于太陽能運用的最有效工具之一。太陽能電池已經(jīng)經(jīng)歷了多個階段的發(fā)展，其基本原理在于對半導(dǎo)體二極管的運用，將太陽所輻射過來的光波經(jīng)由光伏作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為人們所用。半?dǎo)體二極管能夠在太陽光照射到其表面時，將太陽光加以吸收，并轉(zhuǎn)化為光子能量，將自身所帶的電子激發(fā)到導(dǎo)電帶部分，最終形成具有正的電極的空穴，從而演進為光生載流子。在形成光生載流子之后，其能夠在二級管內(nèi)發(fā)生分離，而電子也相應(yīng)的發(fā)生位置變化，最終帶來空穴發(fā)生變化，產(chǎn)生具有負(fù)極的電極。正負(fù)極電荷的不斷聚集，就演變?yōu)楣夥?yīng)，產(chǎn)生電壓。因此，太陽能用的半導(dǎo)體二極管秩序在已經(jīng)形成的兩極進行線路連接，就可以將形成的電能導(dǎo)出。盡管太陽能的發(fā)展種類很多，但卻普遍存在光電轉(zhuǎn)化效率不高的狀況，而這在軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域發(fā)展當(dāng)中難以起到自身應(yīng)有的作用，而提升光電轉(zhuǎn)化率也成為太陽能研究的焦點所在。光電轉(zhuǎn)化效率的研究多聚焦于太陽能材質(zhì)的改革、對于元器件進行創(chuàng)新等方面，以增加太陽能電池對于陽光的吸收力度，減少陽光在太陽能電池中的傳播距離等，最終提升光轉(zhuǎn)電效率。當(dāng)然，關(guān)于太陽能電池的研究十分廣泛，而薄膜太陽能電池也逐步發(fā)展成為當(dāng)今太陽能電池研究的最重要區(qū)域。

二、薄膜太陽能電池的發(fā)展及特性

（一）薄膜太陽能電池的發(fā)展

薄膜太陽能電池，顧名思義，其是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產(chǎn)生光電效應(yīng)的薄膜，厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下比硅晶圓太陽能電池大幅減少硅原料的用量。薄膜太陽能電池并非是新概念的產(chǎn)品，實際上人造衛(wèi)星就早已經(jīng)普遍採用砷化鎵（GaAs）所制造的高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池板（以單晶硅作為基板，轉(zhuǎn)換效能在30%以上）。不過，一方面因為制造成本相當(dāng)高昂，另一方面除了太空等特殊領(lǐng)域之外，應(yīng)用市場并不多，因此直到近幾年因為太陽能發(fā)電市場快速興起后，發(fā)現(xiàn)硅晶圓太陽電池在材料成本上的局限性，才再度引起為產(chǎn)業(yè)研發(fā)的關(guān)注，目標(biāo)則是發(fā)展出材料成本低廉，又有利于大量生產(chǎn)的薄膜型太陽能電池。自2006下半年以來，因全球太陽能市場需求成長，造成硅原料供應(yīng)不足、硅晶太陽能電池及模組生產(chǎn)成本水漲船高。而薄膜太陽能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀設(shè)計等優(yōu)點，成為繼硅晶太陽能電池之后，被認(rèn)為是當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲芗夹g(shù)。

（二）薄膜太陽能電池發(fā)電原理

薄膜太陽能電池，是以pn半導(dǎo)體接面作為光吸收及能量轉(zhuǎn)換的主體結(jié)構(gòu)。在基板上分別涂上二種具不同導(dǎo)電性質(zhì)的p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體，當(dāng)太陽光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產(chǎn)生空穴。透過p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體分別吸引空穴與電子，把正電和負(fù)電分開，在pn接面兩端因而產(chǎn)生電位差。在導(dǎo)電層接上電路，使電子得以通過，并與在 pn 接面另一端的空穴再次結(jié)合，電路中便產(chǎn)生電流，再經(jīng)由導(dǎo)線傳輸至負(fù)極。從光產(chǎn)生電的過程當(dāng)中可知，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的能隙大小、光吸收系數(shù)及載子傳輸特性相關(guān)，因此廠商就提升轉(zhuǎn)換效率的研發(fā)方向出發(fā)，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。

（三）薄膜太陽能電池發(fā)展的特征

首先是較高的生產(chǎn)成本。除了轉(zhuǎn)換效率造成薄膜太陽能電池?zé)o法普及外，昂貴的建廠成本，往往也是令廠商卻步的原因。以建一座30MW的太陽電池工廠為例，硅晶太陽電池的投資成本約4000～6000萬人民幣，而薄膜太陽能電池則為其成本的5～10倍不等，價格差別如此之大，在沒有雄厚資金注入的情況下，特別是在目前全球經(jīng)濟不景氣的環(huán)境下，廠商更難獲取充裕的資金，因此無法建立相應(yīng)的廠房設(shè)備。

其次是原料供應(yīng)充足。在鍍膜部分，非晶硅太陽能電池所需的硅鍍膜亦只需1～2μm，厚度僅為硅晶圓的1/100，當(dāng)硅料短缺時，可節(jié)省較多的材料費。而CIGS所需的硒、銦及CdTe的碲雖為稀有金屬，但因全球?qū)Υ祟愒系男枨罅咳缘?，故不存在缺料問題。

最后是與載體做造型整合。由于薄膜電池非使用結(jié)晶硅做基板，因此不會受到晶圓尺寸大小限制，故容易進行大面積及客制化生產(chǎn)。加上有些基板具有輕薄、可透光且可撓的特色，因而增加薄膜太陽能電池造型設(shè)計的彈性空間及應(yīng)用范圍，例如，可結(jié)合商業(yè)設(shè)施、大樓及住宅，融入遮陽板、玻璃帷幕及屋頂?shù)冗M行相關(guān)設(shè)計。

三、薄膜太陽能電池種類

（一）硅薄膜太陽能電池

首先是非晶硅太陽電池。硅薄膜類中的非晶硅太陽電池，為各類薄膜太陽電池中發(fā)展時間最長，也是目前薄膜太陽能電池中量產(chǎn)最多的一種。硅薄膜太陽能電池所使用的硅原料量，約為結(jié)晶類太陽能電池的1/100左右，利用化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）或濺鍍法（sputtering），形成僅有數(shù)μm厚度的硅薄膜，具有輕薄、省材料的優(yōu)點。然而，由于非晶硅薄膜有照光穩(wěn)定度問題（即電池長期在強光照射下，轉(zhuǎn)換效率會降低的光劣化現(xiàn)象），一直難以擴大普及率。但隨著二層（Tandem）或多層接合太陽能電池（Multijunction）技術(shù)的發(fā)展，硅薄膜電池透過不同能隙材料的堆疊，增加光吸收能力，可達到轉(zhuǎn)換效率提升的目的。

其次是微晶硅太陽能電池。90年代初期被大量研究的微晶硅，則是屬于非晶硅的改良材料，主要是在非晶體結(jié)構(gòu)中具有微小的晶體粒子，其結(jié)構(gòu)介于非晶硅和晶體硅之間。因此微晶硅除了可薄膜化、光譜吸收范圍廣外，更具有不易出現(xiàn)光劣化效應(yīng)的優(yōu)點，因此常被用來與非晶硅薄膜堆疊，以提高轉(zhuǎn)換效率。

第三是低溫多晶硅太陽能電池。低溫多晶硅技術(shù)主要特點在于改變玻璃基板分子構(gòu)造，以提升傳統(tǒng)非晶硅技術(shù)性能。利用準(zhǔn)分子雷射作為熱源，雷射光經(jīng)過投射系統(tǒng)后，會產(chǎn)生能量均勻分布的雷射光束，投射于非晶硅結(jié)構(gòu)的玻璃基板上。當(dāng)非晶硅結(jié)構(gòu)玻璃基板吸收準(zhǔn)分子雷射的能量后，會轉(zhuǎn)變成為多晶硅結(jié)構(gòu)，具有較高的光吸收能力。因整個處理過程都是在600℃以下完成，所以一般玻璃基板都可以采用。

（二）碲化鎘太陽能電池（Cadmium Telluride； CdTe）

此類電池最早由Kodak公司于1982年制造出來，轉(zhuǎn)換效率超過10%，而目前實驗室最高的轉(zhuǎn)換效率可達17%，是由美國再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory；NREL）所研發(fā)，商用模組轉(zhuǎn)換效率則可達8.5～10.5%。由于CdTe為直接能隙材料，故光吸收層僅需數(shù)個微米的厚度，即可達到良好的吸收效果。然而由于原料蘊藏量有限，加上鎘、碲等毒性物質(zhì)造成潛在的環(huán)保問題，使其尚無法普及到家計用戶，而以發(fā)電廠為主。

（三）銅銦鎵硒太陽能電池

1977年，銅銦鎵硒太陽能電池由美國Maine大學(xué)開始研究，材料由原先銅銦硒（CIS）三元素組成，后來為提升轉(zhuǎn)換效率，演變至銅銦鎵硒（CIGS）四元素。CIGS為直接能隙材料，比非晶硅具有更高的吸光系數(shù)。美國可再生能源實驗室制造的CIGS薄膜太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率最高可達19.2%，一般商用模組則可達10～12%。由于銅銦鎵硒太陽能電池具有高轉(zhuǎn)換效率及低材料成本的優(yōu)點，成為業(yè)界關(guān)注焦點之一。

CIGS是由銅、銦、鎵以及硒所組成的一三五族化合物半導(dǎo)體材料。該材料是由硒化銅銦（CIS））以及硒化銅鎵所組成的固溶體（Solid Solution），化學(xué)式寫作CuInxGa（1—x）Se2，其中x的值為0（純硒化銅鎵）到1（純硒化銅銦）。CIGS屬于四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，具有黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，其能隙（bandgap）依據(jù)銦、鎵比例的不同可從1.0eV（硒化銅銦）變化至1.7eV（純硒化銅鎵）。CIGS屬于多晶薄膜的形式，其晶體結(jié)構(gòu)不同于硅晶體的同質(zhì)pn接面，而是屬于復(fù)雜的異質(zhì)接面系統(tǒng)。

CIGS半導(dǎo)體為直接能隙，可以薄至幾個Micro的厚度，因此可以大量節(jié)省材料以及制造過程的能源成本。CIGS薄膜太陽電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示基板常用1—3mm厚度的鈉鈣玻璃（soda—lime glass），其上涂布鉬（Mo）作為金屬背面電極。異質(zhì)接面形成于CIGS與氧化鋅（ZnO）之間，中間還包含硫化鎘（CdS）以及本質(zhì)氧化鋅（intrinsic ZnO）作為緩沖層。 CIGS由本質(zhì)缺陷進行p型摻雜，ZnO則由鋁（Al）進行大量的n型摻雜。這都不是均等的摻雜，造成空間電荷區(qū)大部分位于CIGS層中。再加上材料的厚度以及能隙調(diào)配，即可制成具有1.02eV至1.65eV的能隙的CIGS吸收層。CIGS現(xiàn)有的鍍膜技術(shù)，真空制程技術(shù)可分成共蒸鍍（Co—evaporation）、硒化（Selenization）、濺鍍（Sputtering）；而非真空制程技術(shù)可分為涂佈制程（Coating Process）、電沉積（Electrodeposition）、化學(xué)噴灑熱解法（Chemical spray Pyrolysis）。

CIGS 薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)的最底層為基材（Substrate），通常使用的材料為玻璃（Glass）或是具有可撓性的金屬箔（如不銹鋼箔、銅箔、鋁合金箔）或一些高分子如Polyimide（PI），而基材上會濺鍍一層約0.5～1.0μm 的Mo背電極以利于空穴傳導(dǎo)，往上即是CIGS 光吸收層，此層約為1.5～2.0μm，再往上是約0.05μm厚的n—type半導(dǎo)體CdS，此層也兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層約0.1μm厚的n—type i—ZnO層，防止CIGS 太陽能電池在進行發(fā)電過程中，因Shunting的問題導(dǎo)致元件效能下降，此時再濺鍍上AZnO 作為透明導(dǎo)電層窗口，此窗口層除了作為上電極之外，尚須讓陽光順利通過此層到達CIGS光吸收層；最后鍍上金屬鋁導(dǎo)線約0.05μm，即構(gòu)成一個銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。

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