三種主要的薄膜太陽能電池詳解
砷化鎵材料的制備類似硅半導(dǎo)體材料的制備,有晶體生長法,直接拉制法,氣相生長法,液相外延法等。由于鎵比較稀缺,砷有毒,制造成本高,此種太陽電池的發(fā)展受到影響。除GaAs外,其它III-V化合物如Gasb,GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。
1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%,為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%。另外,該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs,Gasb電池,該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起,GaAs作為上電池,下電池用的是Gasb,所得到的電池效率達到31.1%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感,適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
銅銦硒電池
銅銦硒CuInSe2簡稱CIC.CIS材料的能降為1.leV,適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換,另外,CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此,CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。
CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅,銦和硒,硒化法是使用H2Se疊層膜硒化,但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池,其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3%(面積1cm2) 。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率17.l%的CIS太陽能電池,這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達到20%,相當(dāng)于多晶硅太陽能電池。 CIS作為太陽能電池的半導(dǎo)體材料,具有價格低廉,性能良好和工藝簡單等優(yōu)點,將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源,由于銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
碲化鎘太陽能電池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體,帶隙1.5eV,與太陽光譜非常匹配,最適合于光電能量轉(zhuǎn)換,是一種良好的PV材料,具有很高的理論效率(28%),性能很穩(wěn)定,一直被光伏界看重,是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。CdTe薄膜太陽電池通常以CdS /CdT e異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%,但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良,制成的太陽電池的填充因子高達F F =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來,如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法:由含CdTe、CdS漿料進行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS 膜,然后在600~700℃可控氣氛下進行熱處理1h 得大晶粒薄膜。 近空間升華法:采用玻璃作襯底,襯底溫度500~600℃,沉積速率10μm/min. 真空蒸發(fā)法:將CdTe 從約700℃加熱鉗堝中升華,冷凝在300~400℃襯底上,典型沉積速率1nm/s. 以CdTe 吸收層,CdS 作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu):減反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實驗室效率不斷攀升,最近突16%。20世紀(jì)90年代初,CdTe電池已實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn),但市場發(fā)展緩慢,市場份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%。
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