薄膜太陽能電池的研究探討

王睿(吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130025)

地球資源匱乏，科學(xué)家們將眼光放在了太陽能電池的研究上?，F(xiàn)在普遍運(yùn)用的是晶體硅太陽能電池，但是晶體硅由于制作復(fù)雜，很難大規(guī)模應(yīng)用在市場(chǎng)上。薄膜太陽能電池成為科學(xué)家們新的研究重點(diǎn)。薄膜太陽能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換只需要幾微米的厚度，能夠大量降低生產(chǎn)成本，提高光子循環(huán)的效率。

一、硅薄膜太陽能電池

提高轉(zhuǎn)化效率和降低生產(chǎn)成本是太陽能電池開發(fā)的關(guān)鍵問題。單晶硅太陽能電池制作過程繁瑣，成本非常高，應(yīng)用得到了很大的限制。因此，科學(xué)家們研究非晶硅薄膜太陽能以及多晶硅太陽能電池。

1.非晶硅材料薄膜太陽能電池

非晶硅材料薄膜太陽能電池使用非晶硅半導(dǎo)體，加入不銹鋼、陶瓷、特種塑料、玻璃等材料?？梢酝ㄟ^等離子提高化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、反應(yīng)濺射法的方法制作非晶硅材料薄膜太陽能電池。通過對(duì)非晶硅材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，等離子化學(xué)氣相沉積法應(yīng)用最為廣泛。

非晶硅薄膜制作成本低，因此是合適的太陽能電池材料。它的光學(xué)帶隙和太能光不匹配，因此降低了非晶硅薄膜太陽能的轉(zhuǎn)化率，還出現(xiàn)了光照時(shí)間越長(zhǎng)轉(zhuǎn)化率越低的現(xiàn)象。

2.多晶硅太陽能電池

多晶硅材料太陽能電池主要通過將多晶硅薄膜放在低成本的襯底材料的方法，用晶體硅層作為激活層。這種方法最大的好處就是減少了材料的使用量，降低了生產(chǎn)成本。通常我們采取制作的方法有等離子噴涂法、激光晶化法、固相晶化法、金屬誘導(dǎo)晶體法、液相外延法、化學(xué)氣相沉積法等。通過實(shí)際的研究應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近了單晶硅的轉(zhuǎn)化率。日本三菱公司研發(fā)的多晶硅薄膜太陽能轉(zhuǎn)化率達(dá)到了16.5%，德國(guó)研制的多晶硅的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到了19%。

二、多元化合物薄膜電池

由于硅薄膜太陽能轉(zhuǎn)化效率有限，因此近年來大量開發(fā)了新型無機(jī)、多元化合物為主的材料的太陽能電池。

1.CdTe薄膜太陽能電池

這種電池是多晶薄膜電池的一種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可研究性大。CdTe有自補(bǔ)償效應(yīng)，實(shí)用電池多是異質(zhì)結(jié)構(gòu)，CdS晶格常數(shù)差別小，與 CdTe結(jié)構(gòu)相同，經(jīng)常用作 CdTe電池的窗口材料。CdTe電池主要有以下的制備技術(shù)電化學(xué)沉積法、濺射法、真空蒸鍍法。 這種電池的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)16.5%，電池廣泛應(yīng)用在大面積組件產(chǎn)品。科學(xué)家已經(jīng)探討了大面積生產(chǎn) CdTe電池的技術(shù)，并且提出室溫下刻蝕 CdTe，制作出背電極低的摻銅濃度是關(guān)鍵。

2.CIS薄膜太陽能電池

CIS是三元化合物，0.5微米的CIS即可吸收將近百分之九十的太陽能光子，在實(shí)際中，需要薄薄的一層即可滿足需要，有效的降低了成本。CIS配合上其他元素可以有效的接近太陽光的最好禁帶寬度，是非常實(shí)用有前景的太陽能電池材料。調(diào)整 In/Ga的比值可以有效的轉(zhuǎn)換材料的禁帶寬度，提高轉(zhuǎn)化率。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研究出了19%轉(zhuǎn)化率的CIS太陽能電池。CIS電池最常見的制作方法是電化學(xué)沉積法、濺射法、真空蒸鍍法，電沉積法是最常見的方法，適合工業(yè)水平生產(chǎn)。在進(jìn)行電沉積法操作的時(shí)候，首先使用電沉積方法制備出CIS前驅(qū)體，第二步在將電沉積方法進(jìn)行熱處理。

CIS太陽能電池是被看好的具有發(fā)展前景的太陽能電池，提高轉(zhuǎn)化率、降低成本等問題克服以后，能夠?qū)μ柲茈姵刈龀鼍薮筘暙I(xiàn)。

三、納米晶薄膜太陽能電池

1.T iO2太陽能電池

T iO2沒有毒性，價(jià)格便宜，穩(wěn)定抗腐蝕，是一種良好的半導(dǎo)體材料。一般的 T iO2吸收太陽光能力很低，進(jìn)行敏化以后的T iO2能夠提高對(duì)太陽光的轉(zhuǎn)化率。摻雜質(zhì)敏化可以用濺射方法摻入N進(jìn)行 T iO2的敏化，能夠拓寬 T iO2的吸收光譜。染料敏化也是常見的方法，利用 T iO2納米晶薄膜的特性，吸收有機(jī)或者無機(jī)的材料提高太陽光的轉(zhuǎn)換率。染料敏化成本低廉，制作簡(jiǎn)單，低能耗，這些優(yōu)點(diǎn)都符合社會(huì)發(fā)展的需要。

2.ZnO納米晶薄膜電池

ZnO同樣是寬禁的半導(dǎo)體材料，制備過程更加簡(jiǎn)單，能夠有效降低成本，減少電子的傳送時(shí)間。在實(shí)際中 ZnO的轉(zhuǎn)化率很低，主要是因?yàn)?ZnO薄膜比表面積小，能夠吸附的染料少。為了提高 ZnO的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)行新的研究，努力提高 ZnO的吸附能力，主要是低溫水熱法、電沉積自組裝法、機(jī)械擠壓法、手術(shù)刀印刷法等。

3.有機(jī)薄膜太陽能電池

這種電池通過三個(gè)程序進(jìn)行制作：（1）激發(fā)光產(chǎn)生激子；（2）激子在受體界面分裂；（3）空穴和電子漂移，在各自的電極進(jìn)行收集。目前有機(jī)薄膜太陽能電池有三種，單質(zhì)結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是對(duì)于電極依賴太強(qiáng)；雙層 p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)運(yùn)載的電子數(shù)量有限，嚴(yán)重限制了光電轉(zhuǎn)化率；p型-n型是將兩種半導(dǎo)體材料混合而制造的材料。有機(jī)薄膜電池在開發(fā)上仍需要克服很多難關(guān)，提高太陽能的轉(zhuǎn)化率。

總結(jié)

薄膜太陽能電池能夠很好的緩解地球資源危機(jī)，幫助人類利用太陽能進(jìn)行日常生活，為社會(huì)的發(fā)展提供了前進(jìn)的動(dòng)力，給人類帶來巨大的效益。薄膜太陽能電池在研究和生產(chǎn)的過程中還有很多難題，需要廣大的科研工作者繼續(xù)努力，降低太陽能電池的成本，使太陽能電池能夠普遍使用，拓寬禁帶寬帶，提高太陽能轉(zhuǎn)化率，積極研究新材料，創(chuàng)造更多的太陽能電池。

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