非晶硅电池的优点有哪些?

非晶硅电池的优点有哪些?

非晶硅电池具有如下优点：

(1)制造成本低。这是因为：①半导体层光吸收系数比晶体硅大一个数量级，电池厚度只需1μｍ左右，约为晶体硅电池的１／３００，可节省大量硅材料。②可直接沉积出薄膜，没有切片损失。③可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，工艺过程简单。④电池的ｐｉｎ结是在２００℃左右的温度下制造的，比晶体硅电池的８００～１０００℃的高温低得多，能源消耗小。⑤电池的单片面积可大到

０．７～１．０ｍ２，组装方便，易于实现大规模生产。

?２能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅电池的生产能耗仅为１００ｋＷ·ｈ左右，能源回收期仅为ｌ～１．５ａ，比晶体硅低得多。

?３发电量多。据测试，在相同条件下，非晶硅电池的发电量较单晶硅电池高８％左右，较多晶硅电池高１３％左右。

?４售价低。目前约比晶体硅电池的售价约低１／４～１／３。

影响非晶硅电池作为地面电源应用的最主要问题，是效率低、稳定性差。目前实验室效率已达１５％，但生产中电池组件的稳定效率仅为５．５％～７．５％。引起效率低、稳定性差的主要原因是光诱导衰变，即所谓的Ｓ－Ｗ效应。用氢稀释硅烷方法生长的ａ－Ｓｉ和ａ－ＳｉＧｅ薄膜可以抑制光诱导衰变，提高效率。使用双叠层、三叠层或多叠层结构可以增加光谱响应，提高效率。但从工业化生产和地面电源应用的要求来看，问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多工作要做。关于非晶硅电池的衰降问题，许多科研人员已进行多年的研究实验，并还在继续进行着，主要内容有：①高质量本征非晶硅材料的研究?包括晶化技术，减少光生亚稳态密度，提高稳定性。②高质量ｎ型和ｐ型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高掺杂效率，增强内建电场，提高电池的稳定性。③改善非晶硅电池内部界面，降低界面态，减小界面复合，提高输运效率、转换效率和电池的稳定性。④优质ａ－Ｓｉ：Ｇｅ合金材料的研究，进一步完善双结、三结、多带隙非晶硅电池，提高效率和电池的稳定性。

?二碲化镉(ＣｄＴｅ)系薄膜大阳能电池

这种电池系由ＣｄＴｅ、ＣｄＳ和其他Ⅱ－Ⅵ族化合物通过相对简单且成本低的工艺沉积在衬底上经干燥和烧结而成。目前实验室效率达到１６．５％，中试线效率达到１０％，已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。该电池如果作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。Ｃｄ是重金属，有剧毒，Ｃｄ的化合物与Ｃｄ一样，也是有毒的。其主要影响，一是含有Ｃｄ的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害；二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的Ｃｄ和Ｔｅ应去除并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。

?三硒铟铜(ＣＩＳ)系薄膜太阳能电池

ＣＩＳ薄膜是一种Ｉ－Ⅲ－Ⅵ族化合物半导体，具有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。掺入镓?Ｇａ即形成为四元化合物。ＣＩＳ?硒铟铜和ＣＩＧＳ?硒铟镓铜的制备方法很多，归纳起来大致有物理方法和化学方法两种。经过多年的研发，ＣｄＳ／ＣｕＩｎＳｅ２电池组件的效率已达１１％，ＣｄＳ／ＣｕＩｎＧａＳｅ２电池组件的效率已达１８％，并已建立起了工业化生产线。该电池的主要优点是：具有较高的光吸收率，比非晶硅电池效率高，可达２０％左右；生产成本低，仅为晶体硅电池的１／３～１／２。今后应在提高电池的稳定性和改进与完善工业化生产工艺技术等方面进一步开展研究。这种电池能否成为可以广泛生产应用的光伏器件，最为关键的问题是铟的资源保证问题，因为世界铟的资源十分有限。同时，镉的污染问题也是应加关注的问题。

?四多晶硅薄膜太阳能电池

多晶硅(ｐｏｌｙ－Ｓｉ)薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺寸一般约在几十至几百ｎｍ级，大颗粒尺寸可达μｍ级。高质量的半导体多晶硅薄膜的许多性能参数，都可用单晶硅?Ｃ－Ｓｉ薄膜和非晶硅氢合金?ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜的参数来代替。多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。

近年来制备ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜材料的工艺技术有很大发展。用ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜代替ａ－ＳｉＧｅ作为底部电池在进一步提高硅基薄膜太阳能电池性能方面显示出许多优势：①其带隙可做到１．１２ｅＶ，与ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ／ａ－ＳｉＧｅ薄膜电池相比，ａ－Ｓｉ／ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜电池能吸收更小能量的太阳光子，具有更高的转换效率极限；②ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜没有光致衰退效应。理论计算表明，ａ－Ｓｉ／ｐｏｌｙ－Ｓｉ叠层电池的效率可达２８％。Ｋａｎｅｋａ公司设计的ＳＴＡＲ结构的多晶硅薄膜电池，效率已达１０．７％?＜５μｍ，且无光致衰降现象；另一种ＳＯＩ结构的多晶硅薄膜电池?１０ｃｍ×ｌ０ｃｍ，获得了高达１４．２２％的效率。Ｈ．Ｍｏｒｉｋａｗａ等更制备出了效率高达１６％的多晶硅薄膜电池。理论和实践均表明，多晶硅薄膜太阳能电池很有可能成为２１世纪最有前途的一种薄膜太阳能电池。

多晶硅薄膜电池既具有节省硅原料用量和简化硅片制造工艺的特点，又具有晶体硅电池转换效率高和稳定性能好的优点。它只有晶体硅电池厚度的３％左右。因此，要得到同样的转换效率，对薄膜材料的质量?少数载流子的扩散长度要求仅是对硅片要求的１／３０。在制造工艺上，多晶硅薄膜电池集电池和组件于一体，从而大大降低了生产成本。

多晶硅薄膜可在６００℃以下的低温沉积，随后用激光加热晶化或固相结晶等方法形成。电池衬底可采用玻璃甚至塑料类的柔性材料。也可以直接在高温下生长形成多晶硅薄膜，生长温度大于１０００℃，硅的沉积速率约为５ｎｍ／ｍｉｎ。生长温度高就需要选择耐高温衬底材料，目前通常采用低质量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高温下生长薄膜，获得的多晶硅薄膜具有较好的结晶性，晶粒尺寸较大。低温制备多晶硅薄膜电池，一般采用ＣＶＤ方法。由低温沉积的薄膜，晶粒尺寸较小，获得的电池效率不高。要获得１０％～１５％的效率，晶粒尺寸须大于１００ｎｍ。高温制备多晶硅薄膜电池，一般采用液相外延、区熔再结晶?ＺＭＲ及ＬＰＣＶＤ，ＡＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ等方法。先在耐高温衬底材料上生长厚度为１０～２０ｎｍ的多晶硅薄膜，再利用晶体硅电池常规制备工艺进行ｐ－ｎ结及电极制备。美国ＡｓｔｒｏＰｏｗｅｒ公司在耐高温衬底上制备的多晶硅薄膜电池效率已达１６％，而且认为通过降低多层减反射膜中氧化层的厚度到１００Ａ，并增加基体材料扩散长度，电池效率可达１８％。

澳大利亚ＢＰＳｏｌａｒ公司是世界著名的从事多晶硅薄膜电池产业化开发的公司，目前中试线生产的电池组件效率已达８．５％，生产成本约在１．９５美元／Ｗｐ，并正在生产ｌｍ２面积的组件。

多晶硅薄膜电池具有上述的效率高、性能稳定及成本低的优点，是降低太阳能电池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下问题：①多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。②多晶硅薄膜高温沉积，能耗高，尚缺少适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。因而今后应着重研发如下问题：①大面积、大晶粒薄膜的生长技术；②进一步提高薄膜的生长速率；③薄膜缺陷的控制技术；④优质、价廉衬底材料的研发；⑤电池优良设计、表面结构技术及背反射技术等的研究。

三、关于超高效太阳能电池的研究探索

太阳辐射能转换成电能的卡诺循效率可达９５％，而目前太阳能电池理论效率的上限仅为３３％，这说明太阳能电池的光电转换效率还有很大潜力。研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要因素有：①第一位的损失是热损失，光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。②另一主要损失是电子－空穴对引起的。③还有一部分能量是由ｐ－ｎ结和接触电压损失引起的。为减少热损失，可设法让通过电池的光子能量恰好大于能带能量，使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量可损失。为减少电子－空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实现。减少ｐ－ｎ结的接触电压损失，可通过聚集太阳光以加大光子密度的方法来实现。

基于以上分析，为进一步提高太阳能电池的光电转换效率，澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念进行研究探索。目前由马丁·格林教授领导的新南威尔士大学第三代太阳能电池研究中心，正积极开展超高效?＞５０％太阳能电池的理论研究工作和科学实验工作。研究的重点是如何充分收集由价带跃迁到高层导带的载流子。目前研究实验的电池主要有超晶格电池、“热载流子”电池、新型“叠层”电池和“热光伏”电池等。

此外，将纳米等新材料应用于新型光伏器件的研究开发，近年来引起科研人员的关注，开展了一些研究探索，认为是很有希望的研发方向。