太阳电池：过去，现在和将来

xx_912 · 发表于 2006-8-24 01:22:52

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<title>评述了软X射线光学多层膜的结构设计</title>

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 本文给出了对光伏（PV）工艺和材料的展望。目前最重要的太阳电池材料仍然是Si，世界市场上仍以它为主，尤其是晶体Si，但非晶Si（α-

 Si）也是很重要的。晶体Si太阳电池依然与半导体工业基础材料密切相关。不论是通常的（体材料）还是结晶薄膜，对于降低成本仍有很大潜力。人们对薄膜材料寄予厚望，因为，它消耗材料少。大量新的概念和材料还在研究中，在今后几十年内，这些研究会导致更高的转换效率和更低的生产成本。 

 从固体物理的角度看，Si并非理想的PV材料。例如，吸收入射光的90%，对GaAs只需1μm厚，而对结晶Si

 则需100μm厚。PV电池市场长期以Si为主是因为Si的工艺非常成熟、其高纯材料可以大规模生产。对理想太阳电池要求是：（1）其禁带宽度为1.1～1.7eV，（2）为直接跃迁型能带结构，（3）材料无毒性且易于得到，（4）有简便、重复性好的沉积技术，可进行大面积生产，（5）有较高的转换效率，（6）稳定性好。对将来的PV材料可作如下展望：（1）目前的单晶Si和铸造多晶Si继续占据主导地位；（2）在带状（Si）或其它衬底上生长的具有中等厚度的新型结晶Si膜材料；（3）α-Si，CIS（铜铟硒）或CdTe薄膜材料取得突破。 

 1、单晶Si和多晶Si 目前PV电池市场有以下特点（1）转换效率稳定而缓慢提高；（2）组件和系统的成本在缓慢下降；（3）多晶原料的供应不稳定。单晶Si电池最高（实验室）效率为24.7%（2001年报导），经验表明：实验室中的数据过段时间会体现到生产中。组件50%的成本是Si片。过去PV工业采用半导体所废弃的材料，因而成本较低。由于半导体工业发展有起伏，在其繁荣时材料供应吃紧，价格就会上涨。1998年就上演过这一幕：“废弃”材料短缺，电池制造商不得不购买“正规”的半导体级Si材料从而增加了成本。今天Si的供应同样十分关键。 



 目前工艺相当成熟，但仍有降低成本潜力。制造成本遵从所谓“经验曲线”（Learning

 Curue）其生产规模扩大一倍，成本下降20%根据这一曲线，按通常的工艺，要使PV电池对世界能源有显著贡献，需要相当长的时间。结晶Si工艺已被证明是个可变的目标，α-

 Si工艺尚不能扩大其市场份额。解决太阳电池级Si的供应应作为主要开发方向。 

 2、生产带（状）Si的主要方向

 目前用定边喂膜法已可生长出5.3 m长壁厚280μm的八角形带Si管（用石墨坩埚）并可用激光将其分割，所得10×10cm2的Si片质量比单晶Si差一些，但生产线上，所制电池效率也达到14.8%，成品率超过90%。1994年以来一直在开发带带工艺（String

 ribbon Process），生长速率可达25mm/ min，可得到厚度100μm以下的带Si，实验室1cm2电池效率达15.1%，并有30W和60W的商品组件。 

 3、结晶Si薄膜结晶Si薄膜电池（C-

 SiTFC）可按生长温度的高低选择不同的衬底材料。用玻璃作衬底，从材料到器件加工温度都不能超过其软化点～600℃，可采用激光沉积或固相结晶法。利用高温（1000℃以上）沉积技术可提高沉积速率（～5μm/

 min），并可通液态再结晶得到大的晶粒，这样可实现大批量、连续在线加工并可提高电池转换效率；但尚未找到适用这一使用的性能好、价格低的衬底材料。 

 薄的单晶Si膜的转移技术是一项最新和非常有发展前途的技术。它是把在FZ（悬浮区熔）Si片上经半加工的薄的Si单晶膜剥离下来转移到玻璃衬底上。这项技术的优点是很明显的：材料质量是很高，<40μm的Si层即可得到非常高的转换效率；衬底为便宜的玻璃；FZ晶片可多次剥离和再次用于形成薄膜。这方面目前提出了5项技术：ψ技术、外延-提升（epi-lift）加工，VEST（通过孔隙腐蚀剥离薄膜）以及外延生长等。用这种材料已制出了效率14%的太阳电池。 

 4、α- Si 第一个α- Si电池问世于1976年，1981年就出现了用它制作的消费类产品。在充分理解并部分解决了α-

 Si电池的光感生退化问题情况下，α- Si电池已进入电源市场；稳定效率已达13%，组件效率为6%～8%。 

 5、α- Si/C-Si异质结把非晶Si与结晶Si结合起来形成异质结构制作电池也是一项很有前景的新发展，它的优点是：潜在的高效率、表面钝化非常好，故表面复合速率低、加工温度低，所有工序均不超过200℃，能量“返还”时间短，电池生产成本低。利用该法所得最好结果是日本三洋公司得到的：101

 cm2的电池效率达20.7%。 

 6、铜铟硒（CIS）和相关化合物

 三元化合物半导体CuInSe2，CuGaSe2，CuInS2及其多元合金Cu（In，Ga）（S，Se）2（CIGS）是非常有希望的薄膜材料。大规模生产中有两个沉积吸收层的方法：（1）先沉积前体层，再在H2Se蒸气中硒化；（2）共蒸发。西门子太阳公司推向市场的CIS电池组件的效率为9%～10%。 

 市场上第一个非Si薄膜电池材料是CdTe，它已用于消费类产品，有几个地方正在建设较大规模的生产厂。 

 7、迭层电池和聚光系统材料

 用不同带隙材料构成迭层电池由于可更充分利用太阳光谱中的能量而可显著提高太阳电池效率；这方面的实例有α-

 Si/SiGe和GaInP/GaAs/Ge电池，后者正用于空间（飞行器上）。在地面能源应用中，聚光器是一个很好的选择，它可使阳光集中到（一般情况下）的100～1000倍，由此而产生的成本只占系统总成本的一小部分。光强增大可使电池效率提高10%～20%，使电池和组件效率分别达到30%和25%以上。 

 8、染料敏化电池

 纳米晶染料敏化太阳电池是基于快速还原的光电化学过程。例如TiO2/电解质结构（电池）。染料敏化概念的优点是：导电机理是基于多子输运与通常无机材料电池相反，因而对原材料纯度要求不高，加工工艺也较简单；效率可望达7%～11%。这是一种有机/无机物混合电池。 

 9、有机太阳电池

 大体上可分为分子有机电池和聚合物有机电池或平（面）层系统和体异质结。这些材料光吸收系数非常大，因而可产生极薄（<1μm）的电池，故耗材极少。1999年前，这种电池效率仅1%，但此后提高得很快，用掺碘或掺溴的并五苯制作的分子有机单晶电池，效率达3.3%。这类电池除需进一步提高效率外，其长期稳定性和对环境的影响问题也需进一步研究。 

 10、新型高效半导体材料理论考虑

 这些材料目前还没有但可显示出极强的光伏转换优势，原则上，它们可将迭层电池的效果集中在一种材料上。在宽带隙半导体材料的能隙中置入金属材料的窄能隙以防止非辐射复合，这样制作的电池理论转换效率可达46%。 

 11、太阳电池效率发展设想

 提出以下方程来预言各类电池将来的效率：η(t)=ηL(1-exp(a0-a)/c),其中η(t)是与时间相关的效率，ηL是极限渐近最大效率，a0是η(t)=0时的年份，a是日历年份，C是特征性开发时间；这一方程与过去C-Si实验室最好电池的发展历程十分吻合，下表是不同材料电池的拟合参数： 

 材料工艺 ηL C a0 

 结晶Si(C-Si) 29 30 1948 

 薄膜Si 30 19 1989 

 CIS/CIGS 29 30 1969 

 a- Si 18 20 1968 

 有机电池 18 25 1995 

 新材料 42 25 2000 

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