現(xiàn)代太陽能電池材料研究與進(jìn)展

許亮（棗莊學(xué)院　光電工程學(xué)院，山東　棗莊　277160）

現(xiàn)代太陽能電池材料研究與進(jìn)展

許亮
（棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160）

摘要：本文基于筆者多年在太陽能技術(shù)領(lǐng)域的生產(chǎn)管理、調(diào)研及教學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在長(zhǎng)期調(diào)研及進(jìn)行相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，以半導(dǎo)體光伏效應(yīng)的原理為基礎(chǔ)，介紹了當(dāng)今半導(dǎo)體光伏技術(shù)領(lǐng)域的材料的生產(chǎn)、研究及發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)相關(guān)半導(dǎo)體材料及光伏技術(shù)領(lǐng)域的研究有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義.

關(guān)鍵詞：太陽能；半導(dǎo)體；能帶

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)于綠色能源的需求，太陽能光伏發(fā)電成為近十幾年來發(fā)展最為迅速的技術(shù).本文以筆者對(duì)光伏技術(shù)的理論知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)當(dāng)前太陽能電池的原材料的開發(fā)研究及應(yīng)用狀況進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)研和探討，對(duì)當(dāng)今光伏業(yè)界紛繁復(fù)雜的半導(dǎo)體材料進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，對(duì)相關(guān)半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展方向起到借鑒作用.

1　太陽能電池基本原理及相應(yīng)性能參數(shù)

1.0基本原理

太陽能電池的核心組件為一個(gè)P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，其勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)E由N端指向P端.受光時(shí)若入射的光子能量hv大于該P(yáng)N結(jié)半導(dǎo)體的禁帶寬度，則半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量后，克服禁帶的能量勢(shì)壘躍遷至導(dǎo)帶成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶留下空穴，即在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，其受到PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)E的作用分別向N端和P端定向移動(dòng)，使N極、P極兩端分別帶負(fù)、正電，當(dāng)在PN結(jié)兩端接入電路既有光生電流的產(chǎn)生，完成電能的輸出，稱為“光伏效應(yīng)”[1].具體原理結(jié)構(gòu)如圖1-1所示.

圖1-1

1.1性能參數(shù)

太陽能電池的性能參數(shù)主要包括：短路電流Isc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率η 等[2].

1.1.1短路電流Isc

短路電流Isc為太陽能電池正負(fù)電極短接時(shí)的電流，由歐姆定律，其由太陽能電池的光生電壓和內(nèi)阻決定.

1.1.2開路電壓Voc

開路電壓Voc為太陽能電池兩端開路時(shí)的輸出電壓，由1.0的內(nèi)容可知，其取決于PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的大小及光生載流子的濃度.通常禁帶寬度越大的半導(dǎo)體材料，電子從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶的能量改變量越大，因此復(fù)合作用減小，光生載流子可保持較高濃度；但禁帶寬度過大會(huì)影響半導(dǎo)體對(duì)光子的吸收.

1.1.3最大輸出功率Pmax

最大輸出功率Pmax為太陽能電池所能輸出的最大功率，此時(shí)太陽能電池的輸出電壓和輸出電流分別記為Vop 和Iop，則最大輸出功率Pmax=Vop×Iop，由歐姆定律，電池的輸出電壓及輸出功率與負(fù)載有關(guān).

1.1.4填充因子FF

填充因子FF為最大輸出功率Pmax與其短路電流Isc、開路電壓Voc的乘積之比：

填充因子FF反映了太陽能電池的輸出效率，其值小于1.

1.1.5轉(zhuǎn)換效率η

轉(zhuǎn)換效率η為太陽能電池的最大輸出功率與入射到太陽能電池表面的光的能量之比，即：

它反映了太陽能電池將光能裝換成電能的能力.

由前述太陽能電池基本原理可知，其性能取決于以下因素：（1）電池板PN結(jié)，尤其是PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的受光面積. （2）電池板對(duì)光子的吸收能力.禁帶過寬的半導(dǎo)體光子吸收系數(shù)較低，故轉(zhuǎn)換效率不高.（3）載流子遷移率，較高的遷移率使載流子更容易在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向電池兩級(jí)定向漂移而形成電壓.

因此，當(dāng)前主要通過利用半導(dǎo)體工藝不斷改進(jìn)太陽能電池的結(jié)構(gòu)和采用不同的半導(dǎo)體材料以增加光電轉(zhuǎn)換效率兩個(gè)方面來提升太陽能電池的性能.

2　太陽能電池的原材料

2.0前述

太陽輻射光譜的分布范圍以0.3μm的紫外線到數(shù)μm的紅外線為主，對(duì)應(yīng)的光子能量約在0.4eV到4eV之間.因此理想的太陽能電池材料帶隙寬度適中，最好在1.leV 到1.7eV之間；同時(shí)最好為直接能隙，其較間接能隙而言更易激發(fā)出光生載流子.基于上述要求，當(dāng)前太陽能電池材料主要有單晶硅，多晶硅，化合物半導(dǎo)體等.

2.1硅基太陽能電池

硅作為原料豐富且工藝最成熟的半導(dǎo)體，因較高的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在短期內(nèi)將依然是太陽能電池的主流材料.

2.1.1單晶硅

單晶硅是研究應(yīng)用最早的太陽能材料.純凈單晶硅的禁帶寬度適中約為1.12eV，故光吸收能力較好；單晶硅非平衡載流子壽命較長(zhǎng)，在幾十微秒至1毫秒之間，在能夠提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率的傳統(tǒng)材料中，單晶硅的轉(zhuǎn)換效率最高，目前已有轉(zhuǎn)換效率25%的報(bào)道[3]，規(guī)模化生產(chǎn)的單晶硅電池效率可達(dá)16%-18%左右.

但單晶硅生產(chǎn)成本高，而單晶硅太陽能電池單純從電池結(jié)構(gòu)上改進(jìn)以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率的空間不大，雖然早在2002年曾有在將單晶硅制作成球狀以增大受光面積提高轉(zhuǎn)換效率的報(bào)道[4]，但直到目前仍未有突破性進(jìn)展.

2.1.2多晶硅

多晶硅的原子基本排列形式與單晶硅相同但排列晶面不同，因此多晶硅各向異性不明顯，電阻率較大，晶體缺陷相對(duì)較多，轉(zhuǎn)換效率比單晶硅略低，目前規(guī)?；a(chǎn)的多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在15%-17%左右.

多晶硅可采用熱分解硅烷、改良西門子法和區(qū)域熔煉法等方法實(shí)現(xiàn)[5]，生產(chǎn)成本較低；同時(shí)由于制作方法的不同，多晶硅材料的基片為方形，而單晶硅基片的四角為圓弧形，因此多晶硅電池板具有更好的面積利用率，如圖2-1所示.上述優(yōu)點(diǎn)使多晶硅成為當(dāng)前市場(chǎng)產(chǎn)量和占有率最高的太陽能電池.

2.1.3非晶硅

非晶硅的禁帶寬度隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV之間，在0.35-0.75um的可見光波段的吸收系數(shù)比單晶硅高40倍，因此開路電壓高于晶體硅且只需很薄的非晶硅即可對(duì)太陽能進(jìn)行有效吸收，用料省，且非晶硅較晶體硅的制備工藝簡(jiǎn)單，成本低.

非晶硅材料由于原子排列的非周期性使其在制作電池組件時(shí)不必考慮其與襯底材料的晶格不匹配問題，因此制作大面積非晶硅電池板時(shí)，選擇襯底材料較容易.

但非晶硅的材料的轉(zhuǎn)換效率較低且易老化失效，故難以滿足長(zhǎng)期的穩(wěn)定使用，因此當(dāng)前非晶硅太陽能電池的發(fā)展使用仍很有限.

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體

Ⅲ-Ⅴ族化合物通常為直接帶隙的材料，光吸收系數(shù)好且材料特性隨溫度的變化不明顯，因此在目前的光伏業(yè)界得到廣泛的開發(fā)應(yīng)用，同時(shí)，Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)也由基本的單個(gè)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)普遍過渡為多個(gè)PN結(jié)疊加的結(jié)構(gòu)，以提高開路電壓.

Ⅲ-Ⅴ族化合物種類較多，其中最具代表性的為GaAs，而三元甚至四元的Ⅲ-Ⅴ族材料如InGaAs、GaInP、InGaP、AlGaInP等也被廣泛研究應(yīng)用.

2.2.1 GaAs

GaAs為直接帶隙材料且禁帶寬度為1.42eV，較好的處于太陽能光譜的光子能量值之間；電子遷移率高；抗輻射性好，因此GaAs的研究起步雖然稍晚，但研究進(jìn)展很快.GaAs穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率接近26%，為Ⅲ-Ⅴ族材料最高的.為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)前普遍將GaAs結(jié)合多種Ⅲ-Ⅴ族材料混合使用，采用聚光技術(shù)的GaInP/GaAs/Ge的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)40.7%.同時(shí)，良好的光吸收系數(shù)使GaAs基太陽能電池只需3-5μm即可對(duì)太陽光充分吸收，而傳統(tǒng)的硅材料需要幾十甚至上百μm[6].

另一方面，GaAs材料生產(chǎn)成本高且較硅材料易碎，密度大，重量重，上述缺點(diǎn)成為制約GaAs廣泛應(yīng)用的重要因素.

2.2.2　 InP

InP材料同樣為直接帶隙材料但轉(zhuǎn)換效率略低，但室溫下其電子遷移率很高，約為4500cm2/v?s，同時(shí)具有比GaAs更好的抗輻射性能.InP單晶體的硬度比GaAs更小，更易碎；生長(zhǎng)工藝?yán)щy，成本極高，難以普及應(yīng)用.因此，現(xiàn)階段單純使用InP材料的太陽能電池較少應(yīng)用，大多將其制作成GaInP三元化合物與GaAs結(jié)合，作為疊層電池使用.

2.3其它化合物半導(dǎo)體太陽能電池

除Ⅲ-Ⅴ族材料之外，當(dāng)前研究應(yīng)用相對(duì)較多的包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化鎘CdTe及Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ族化合物如：銅銦硒（CIS）、銅銦鎵硒（CIGS）等.這些化合物也為直接帶隙且禁帶寬度適中，均在1eV-1.6eV之間，同樣是光伏技術(shù)的熱點(diǎn)材料.

2.3.1 CdTe

CdTe材料最大的優(yōu)點(diǎn)為光吸收系數(shù)極高，厚度為1μm 的CdTe即可將大于其帶隙能量的99%的輻射能量吸收掉；其禁帶寬度約為1.46eV，理論轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%[7]，目前有實(shí)驗(yàn)室階段轉(zhuǎn)換效率17.3%的報(bào)道[8]，商業(yè)化的CdTe電池轉(zhuǎn)換效率在8%-10%[9]，當(dāng)前單純使用CdTe的情況較少，典型的應(yīng)用為將CdTe與另一種Ⅱ-Ⅵ族化合物CdS疊加使用.

雖然目前采用在高溫下真空升華沉積的方法制備出了高效的CdTe太陽能電池[10]；但Cd元素為有毒物質(zhì)，容易產(chǎn)生環(huán)境污染，故CdTe的生產(chǎn)成本很高，導(dǎo)致一直未形成大規(guī)模的批量化生產(chǎn)；同時(shí)CdTe材料容易受潮老化，對(duì)封裝技術(shù)要求較高，這些成為當(dāng)前制約CdTe應(yīng)用的主要因素.

2.3.2 CIS及CIGS

CIS為多晶CuInSe2，禁帶寬度約為1.05eV，因此光譜響應(yīng)特性好.CIS同樣有極佳的光吸收系數(shù)，吸收率可達(dá)105/cm[11]，成為制作薄膜太陽能電池的優(yōu)選材料.隨著半導(dǎo)體材料工藝的發(fā)展，將CIS中的部分In元素用Ga代替，得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物晶體材料CuIn1-xGaxSe2，簡(jiǎn)稱CIGS. CIGS為直接帶隙且禁帶寬度可隨著In元素的含量而在禁帶寬度在1.05-1.69ev之間變化，因此禁帶寬度可調(diào)為其特性優(yōu)勢(shì).CIGS具有與CIS同等數(shù)量級(jí)的光吸收系數(shù)且穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換效率在12%-18%之間的CIGS太陽能材料在各國(guó)均有報(bào)道，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室曾有19.9%的報(bào)道.

CIS、CIGS材料中In、Se元素來源相對(duì)較少且Se元素有毒，因此制造工藝復(fù)雜，當(dāng)前大面積的制作應(yīng)用較少，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)仍處在開發(fā)階段，具中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心2010年的數(shù)據(jù)，09年全球CIGS的光伏產(chǎn)能約為660MW.另外，在當(dāng)前CuIn1-xGaxSe2領(lǐng)域，開始用Al元素部分的代替In、Ga元素或用S元素部分代替Se元素的研究，但遠(yuǎn)未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展.

2.4異質(zhì)結(jié)材料

圖2-2

異質(zhì)PN結(jié)的兩端為不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，如圖2-2所示，PN結(jié)A側(cè)材料的禁帶寬度明顯較B側(cè)寬.將A側(cè)材料作為迎光面，由于A測(cè)材料禁帶寬，光子吸收系數(shù)小，光線可以較好的到達(dá)PN結(jié)部位，當(dāng)光線進(jìn)入PN結(jié)時(shí)，由于禁帶寬度迅速變小，光子吸收系數(shù)大大提高，大量光子集中在PN結(jié)附近區(qū)域被吸收而產(chǎn)生開路電壓.因此，異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較高.

目前異質(zhì)結(jié)太陽能電池的材料主要為CIGS或CIS材料-CdS/ZnO雙層材料異質(zhì)結(jié)，或非晶硅-晶體硅異質(zhì)結(jié)，非晶SiC-晶體硅異質(zhì)結(jié)等.

異質(zhì)結(jié)由于兩端材料不同，通常在兩種材料之間加入緩變層以緩解兩端不同材料的晶格不匹配率.例如CIGS或CIS材料-CdS/ZnO雙層材料異質(zhì)結(jié)中，通常采用OVC高分子半導(dǎo)體材料，其成分為Cu（In1-xGax)3Se5或Cu（In1-xGax) 2Se3.5，通過逐漸調(diào)整X的值至CIGS或CIS材料中Ga的含量，有效的緩解了異質(zhì)結(jié)兩端材料晶格不匹配的現(xiàn)象，改善了異質(zhì)結(jié)的特性.

除采用不同材料制作異質(zhì)結(jié)外，也可以采用調(diào)整工藝參數(shù)的辦法使同一種材料具有漸變的禁帶寬度制備異質(zhì)結(jié).采用漸變帶隙材料制作異質(zhì)結(jié)，避免了采用由于兩側(cè)材料不一致造成的晶格失配問題，因此無需引入緩變層.目前工藝技術(shù)較為成熟的漸變帶隙材料主要為多晶硅.

3　結(jié)語

隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能電池的材料研究方向始終沿著高吸收系數(shù)、高穩(wěn)定性和低成本的路線不斷發(fā)展，從單一的半導(dǎo)體材料的到多種半導(dǎo)體材料的混合，從帶隙突變的異質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)到帶隙漸變的異質(zhì)PN結(jié).隨著半導(dǎo)體材料加工技術(shù)的日益先進(jìn)，未來必將會(huì)有更高性能、更低成本的半導(dǎo)體材料的太陽能電池的出現(xiàn)，為人類社會(huì)做出更大的貢獻(xiàn).

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中圖分類號(hào)：TM914

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2015）07-0060-03