太阳能材料的研究.docx

1、太阳能材料的研究太阳能材料的研究太阳能电池的应用与研究摘要 ：作 为 清洁 可再 生 能源 的太 阳能 ， 受到 越来 越 多的 研究。 文 章综述 了 异质 结及 其 技术在新 型 硅基太阳 能电池 中的 应用 . 从 太 阳能电 池 特性 角度 ,点 评 了其 在晶 体 硅、 非晶 硅 薄膜 太阳 能电 池 及 新结构 太 阳能 电池 应 用中的研 究 热点和研 究现状 .。 关键词；太阳能电池；异质结；晶体硅；非晶硅；薄膜。1.引 言 太阳能作为人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有储量巨大， 不会枯 竭 ，不 受地 域限制 ，清 洁 可 再生 等优 势 。太 阳 能 的研 究和 应 用

2、在长 期 的能 源战 略 中具有重 要 地位，是人 类能 源发 展 的主 要方 向 之一，受到了世界各国的重视。2.太阳 能 电池 技术 的 的发展太阳能 电 池技 术的 发 展从 1800 年伯 克莱氏 发现光 伏效 应开 始，然 后 1876 年 英 国 科 学 家 亚 当 斯 等 对 硒 进 行 光 伏 效 应 研 究 ， 直 到 1954 年美国贝尔实验室利用硅晶体材料研发出性能良好的太阳能电池， 经过不 断 改良 而成 为 现在硅太 阳 能电池的 原型 。随着 航 天技 术的 发 展 ，使 太 阳 能 电 池 的 作 用 不 可 替 代 ，太 阳 能 电 池 成 为 太 空 飞 行

3、器 中 不可取 代 的重 要部 分 。20世 纪 70年代初 期出 现的“ 能 源 危机 ”， 让人们 开 始认 识到 不 能长期依 靠 传统能源 。于是 太阳 能 电池 的应 用 已被提 上 了各 国政 府 的议事日 程 。1990 年以后 ，太 阳能 电池 不断有 新的结构与制造技术被研发出 来。2.1太阳 能 电 池 的 发电 机 理太阳能 电 池是 利用 太 阳光和材 料 相互作用 直接产 生电 能的 器件。能 产生光 伏 效应 的材 料 有许多种 ，如 ：硅 系材 料（ 单 晶硅 、多 晶硅 、 非晶硅 ） ，化 合物 半导体 （砷化镓 、 硒铟铜） 等 。它 们的 发电 原 理基本

4、 相 同。此类 太阳 能电池的 工 作原 理是 基 于 P-N 结的 光生 伏 打效应 ：当 N 型 半导 体与 P 型半 导 体通 过适 当 的方 法组 合到一 起时, 在二 者 的交 界处 就 形成 了P-N 结。由 于多 数载 流子 的 扩散 ， 形成了 空 间电 荷区 ， 并形一个 不 断增强的 从n 型 半导 体 指向 p 型 半导体 的 内建 电场 ，导 致 多数 载流 子反 向 漂移 。达 到平 衡后 ，扩 散 产生的 电 流和 漂移 产 生的电流 相 等。如果 光照在 pn 结 上， 而且 光能大 于 pn 结 的禁 带宽 度 ，则 在pn 结附 近将产 生电 子 -空穴 对

5、。由 于 内 建 电 场 的 存 在 ，产 生 的 非 平 衡 电 子 载 流 子 将 向 空 间 电 荷 区两端 漂 移， 产生 光 生电势， 破 坏了原来 的平衡 。如 果将 pn 结 和外电路相连，则 电路中出现电流。由于材料的不同, 电流产生过 程也会 有 所不 同。目 前无机 半导 体的理 论研 究比 较 成熟 , 有 机半 导 体体系的电流产生过程仍有许多值得探讨的地方 , 是目前的研究 热点。2.2太阳能电池材料 太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，具有半导体材料的性 质 。从 原 则 上 讲 ，所 有 的 半 导 体 材 料 都 有 光 伏 效 应 ，都 可 以 用 于 太

6、阳能电 池 的基 础材 料 。但是 由 于材 料物理 性质 、提纯 制 备技 术及成 本等的 限 制，真 正 实际 应用 于 太阳 能电池 产业 的半 导体 并 不多。从 1800 年发 现光 伏效 应至 今 ，太 阳能 电 池材 料的 发 展历程可 以 分为 以下 三 个阶段：第 一 代太阳 能电 池：包 括 单晶 硅太阳 电池和多晶硅太阳电池 。从1954 年 ，单 晶 硅太 阳能 电 池发明开 始 到现 在， 尽管硅 材料有 各 种问 题，但 仍然是 目前 太阳 能电池 的主要材 料 约占 整个 太 阳电池 产 量的 90% 以上。 我国 北京 市太 阳 能研 究所从 20 世 纪90

7、年代起 开 始进 行高 效 电池研究 , 采 用 倒金 字塔 表面 织 构化 、发射区 钝化、背 场等 技术 , 使 单 晶硅 太阳 电 池的效率 达到 了 19.8% 。第 二 代太阳 能 电池 ：第 二代 太阳 电 池是 基于薄 膜材 料的 太阳 电 池。薄膜 技术所 需 的材 料较 晶 体硅太阳 电 池少得多 ，且易 于实 现 大面 积电 池 的生产 ，是 一种 有 效降 低成 本 的方 法。薄膜 电池 主要 有 非晶 硅薄膜 电 池 、多 晶 硅 薄 膜 电 池 、碲 化 镉 以 及 铜 铟 硒 薄 膜 电 池 。我 国 南 开 大 学 于 20 世 纪 80 年 代 末 开 始 研

8、究 铜 铟 硒 薄 膜 电 池 , 目 前 在 该 研 究 领域处 于 国内 领先 、国 际先 进 地位。其 制备 的铜铟硒 太 阳电 池的 效 率已经 超 过 12%, 铜铟 硒薄膜 太阳 电池的中 试 生产线亦 已 建成。 我国在染料敏化纳米薄膜太阳电池的科学研究和产业化研究上都 与世界 研 究水 平相 接 近。在染 料敏 化剂、纳 米薄 膜修 饰 和电 池光电 效率上都取得与世界相接近的科研水平，在该领域具有一定的影 响。2.3 硅 基 太 阳 能 电 池硅基太 阳 能电 池的 主 要材料为 硅 , 硅 为地 球 上含量第 二 丰富 的元 素, 其材 料获 取 容易 且有 较小 的 能阶

9、 隙（ Bandgap, 能 阶隙 为 1.12 eV ) , 价 电带 的 电子 吸收 高于 1. 12 eV 的 能量 之 后, 可被 激发到传 导 带进 行导 电 , 这些特 性 使硅基太 阳 能电池Crystalline Silicon) 在市 场上 占 有极大优 势; 但 其缺 点 为发 电效 率不 易 提 高, 原因 在于 硅 材料 本身 具有 很 高的 反射 系 数( Ref lect ion Index ) , 使 入 射的 太阳 光不 易 被硅 基太阳 能电 池吸收 , 造 成其 发电效 率 无法 提升 。 另一方面 , 由于 入射 光 经过太阳 能 电池 表面 的模块 基

10、板时 , 会造 成入 射光 衰 落, 故 如能 在太 阳能 电 池模块上 制作抗 反 射层 , 则将 能够 提升 入 射光 照射 于 太阳 能电 池 之光线。3.异质 结 及其 技术 在 晶体硅 太 阳 能电 池中 的 应用3.1概 述晶体硅 同 质结 太阳 能 电池发展 最 早, 应 用最 为成 熟. 然 而目 前 , 异 质结技 术 及薄 膜技 术 的引入成 为 该领域的 发展趋 势. 这 类电 池的 结构特 点 是: 采 用禁 带宽度 不同 于晶 体硅 的 薄膜材料 , 如非 晶 硅、非 晶碳化硅、纳米晶硅和微晶氧化硅等,与晶体硅衬底构成异质结. 通过引入异质结,进一步提高这类电池的能量

11、转化效率,从而解决 长期困扰晶体硅太阳能电池 的高成本问题.3.2非 晶 硅 薄 膜/ 晶 体 硅异 质 结 ( HIT 技 术)HIT( hetero 2 junction int rinsic thin 2 layer) 异 质结 本征 薄 膜太 阳能电池 由 日本 SAN YO 公司的Makoto Tanaka 和 Mikio Taguchi 等人于1992 年 首 次制 备成 功. 当时的 能 量转 换效 率已达 到18. 1 % 如 图 1 所 示 ,异 质结 本征薄 膜太 阳能电池 在 N型晶 体硅衬 底 上生长 出 厚度 约为 10 nm 的 P 型非 晶硅 薄膜 ;为了 降低

12、电 池的 反 向漏电 流 ,又 在中间夹 入 一层本征 的 非晶 硅薄 层 ,形成了 异质 结本 征薄膜 ( HIT) 太 阳 能电 池结 构 . 该结 构 具有以下 两 个特 点:(1) 有 源区是 由 禁带 度不 同 的非晶硅 薄 膜和晶体 硅构成 的异 质结 . 提 高 了内建 电 场,增大了开 路 电压和短 路 电流 . (2) 采用 禁带 宽度 大 于 晶体硅 的 非晶 硅薄 膜 ( Eg = 1. 7eV) 作 为光 吸收 层 ,增 加了对能 量较高的短波长太阳光的吸收,提高了转换效率.非晶硅 薄 膜/ 晶体 硅异质 结能 够很好 地提 高晶体硅 太 阳能 电池 的 转换效 率 ,

13、增 强短波长太阳光 的 吸收 特性 . 然 而 ,它 依然 处在 发 展不 成熟 阶段 ,存在 某些 问 题 : (1) 由 于 非 晶 硅 本 身 具 有 的 光 致 衰 减 效 应 15 ( Stabler - Wronski effect ) , 造 成 HIT 特 性 先 期 衰 减 和 不 稳 定 ; (2) 额 外 增 加 了等离 子 体化 学气 相 沉积非晶 硅 工艺 ,使 成本增 加; (3) 由 于杂 质 的扩散 ,厚 度 在几个纳 米 的本征非 晶 硅层 在实际 中很 难获得 ,因 此 反向漏 电 抑制 效果 不 明显 ; (4) 由于 HIT 要求 低温工 艺,不能 采取

14、 传统的 后 续高 温封 装 工艺 ,造 成工艺 不兼 容.3.3非 晶 碳 化 硅 薄 膜 / 晶 体 硅 异 质 结利用禁 带 宽度 更大 的 薄膜材料 作 为光吸收 层,通 过吸 收短 波长 区 的 太阳光 提 高电 池的 内 量子效率 ,这种 新结 构被证 明能 够有效地 提 高 晶体硅 转 换效 率,成为 发 展的 另一 趋 势. 碳化 硅薄膜/ 晶 体硅异质 结太阳能电池正是基于这一想法提出的.将碳化 硅 薄膜 应用 于 太阳能电 池 领域 ,形 成薄膜 异质 结新 结构 ,结 合硅纳 米 晶,展宽了太 阳 光的吸收 谱 ,这 就成 为探索 提高 晶体 硅 太 阳能电 池 转换 效

15、率 的 新途径. 然而 ,此 法尚存 在以下问 题 : (1) 高 温退火 工 艺( T = 1100 ) 使 晶体 硅 衬底的杂 质 向碳化硅 层 扩散 ,造成异 质 结界 面与 杂 质界面分 离 ,使 电学 特性恶 化; (2) 由 于在 高 温下,两种 材 料的热应 力 不同 ,使 异质结 界面 处出现 缺陷 ,形 成复 合 中心,增大 对 光生载流 子 的复合 ,造成量 子效 率降低 ,开 路电 压减 小 ; (3) 碳 在硅 中 极易 形成 深能 级 的复 合中 心 ,降 低光 生载流 子的 寿命 , 影响电池的转换效率.4.异质结 及 其 技术 在 薄膜 硅太 阳 能 电池中 的

16、应 用 薄膜硅太阳能电池是采用薄膜技术制备整个电池的有源区的一类 新型太 阳 能电 池,有源 区 厚度 在纳 米 量级 . 由 于薄 膜硅 可 通过化学 气相沉 积 的方 法生 长 在“ 非硅”的 低 成本 衬底 上 ,如 玻璃 或陶瓷 等, 故与晶 体 硅太 阳能 电 池相比,极大地 降低 了成本 . 因此 ,薄膜 硅太 阳 能电池 受 到科 研和 产 业界的格 外 关注 . 按照硅 的结晶 度不 同, 可将其分为三类:非晶硅薄膜、微晶硅薄膜和介于二者之间的非晶 微晶硅 太 阳能 电池 . 其 中 ,微 晶硅 薄膜 又 可细 分为 :晶 粒 尺寸 在微 米 量级的 微 晶硅 薄膜 和 晶粒尺

17、寸 更 小的纳米 晶硅薄 膜 . 非晶硅薄 膜 太阳能电池的能量转化效 率虽没 有 晶体 硅电 池 高,但仍 可达到 9. 47 %. 回 顾非 晶硅薄 膜太 阳 能电池 的 研究 进展 ,异 质 结及其 技 术在 其中 得 到了大量 的 应用 . 在 研究 的早 期 ,主 要集 中关 注上述三类薄膜硅的同质单结的研究上,其中对非晶硅薄膜太阳能 电池的 研 究占 绝大 部 分. 为了 抑制 非 晶硅 本身 带来 的“ 光致 衰减效 应” ,研究的热点转向非晶硅、微 晶硅、多 晶硅以及非晶锗化硅构 成的同 质 叠层 结构 ( tandem st ruct ure) . 采 用禁 带 宽度 大、导

18、 电性好的材料作为“窗口层”,与非晶硅薄层构成异质结,这成为目前 异质结 与 薄膜 硅太 阳 能电池又 一 突出的结 合点 . 在 此 方面 ,研 究的 热点是解决异质结界面由失配所带来的界面态密度高和光生载流 子复合 率 大的 问题 . 一 旦 问题得以 解 决,异质 结与薄膜 太 阳能电池 的结合将成为较活跃的研究方向5.异质 结 及其 技术 在 新结构 太 阳 能电 池中 的 应用5.1 概 述当今,将新概念、新结构及其技术 (如纳米技术、上下转换技术、表 面等离 子 体技 术等 ) 应用到新 型太 阳 能电 池中 ,已 成 为新 的发 展 方 向,产生了 第 三代太阳 能 电池的雏 形

19、 . 其 中同 样不 乏异 质 结技术的 应用.异质结技术和纳米技术的结合成为这类新型电池的结构特点. 在此结 构 中,纳米棒阵 列 被广泛采 用 ,它 能够 有效地 减少 光生 载流子的传 输 距离 ,提高收 集 效率 . 另 外,其本 身可以 增加 光吸收 ,减小 光反射 率 , 从 而提 高电 池 的转 换效 率 . 然 而,这类 电池还处 在 研 究阶段 ,纳 米 结构的引 入 所带来的 成 本增 加和 可 靠性 问题 仍待 解 决.5.2 非 晶 硅 薄 膜/ 晶 硅 纳米 线 异质 结美国宾 夕 法尼 亚大 学 的Joan Redwing 等 采 用 新结构将 非晶硅薄层包 裹 在

20、竖 直分 布 的高深宽 比 的硅纳米 棒上 ,形成 非晶 硅薄 膜 / 晶硅纳 米 棒异 质结 ,如 图 6 所示 ,以期通 过纳 米 结构 提高 与太 阳光 接触的 面 积,提高能量 转 换效率 ,从而将 异质 结技术 、纳 米技 术和薄 膜太阳 能 技术 融为 一 体. 到2010 年 ,其 转 化效率有 望达 到 15 %.非 晶 硅/ 晶硅 纳米 线 异质 结太阳 能电 池结 构图 （图中 N + 为N 型重 掺杂）5.3非 晶 硅 薄 膜 / 碳 纳 米 管 异 质 结美 国 Solasta 公 司 的 Michael Naughton 等 将 非 晶 硅 薄 膜 沉 积 在碳纳米

21、管 阵列 的表 面 ,制 备出 纳米 结 构的 非晶 硅 薄膜 / 碳 纳米 管异 质结太阳能电池（如图所示） ,彻底隔开了光子的传输路径与光生载 流子的 传 输路 径,有望 提 高转 换效 率 . 预 期到 2010 年,这类 电 池的 效率可 达 到25 %.6 结 束语综上所述 ,异质结及其技术在新型硅基太阳能电池领域被广泛应用, 成为研 究 的热 点. 将异 质 结应用到 晶 体硅和薄 膜硅 太阳能 电池 中 , 能有效地增加对不能被硅材料吸收波段的太阳光的吸收,提高硅基 太阳能 电 池的 转换 效 率. 然而 ,由 于异 质结的 引入带来 的 晶体硅电 池的性能稳定性、工艺兼容性问题

22、,以及薄膜硅电池的异质结界面 问题仍有待解决,进一步的工艺改进和新材料、新结构的剪切与设 计成为 可 能的 解决 方 案,从而 推动异 质结 及其 技 术与 新型 硅基 太 阳 能电池 更 广泛 的融 合 ,并 最终 实现 产 业化 .参考文献：1 Karen Forberich, Gilles Dennler. Performance im provement of organic solar cells w ith m oth eye ant i- refl ect ion coat ing J .T hin Solid Film s, 2008, 516: 7167 - 7170.2 K

23、ang,Soo Han, Hyun ju Lee. Fabricat ion of ant i - efl ect ion st ructure on p rot ect ive layer of solar cell s by h ot - em bossin g meth- od J . S ol ar Energy M at erials & S olar Cells, 2009, 93: 1214 - 1217.Tanaka M et al . J apanese Journal of Applied Physics , 1992 ,31 : 3518Staebler D L , Wr

24、onski C R. Applied Physics Letters , 1977 ,31 (4) : 292Meier J , Spitznagel J , Kroll U et al . Thin Solid Films , 2004 ,451 - 452 : 518Okamoto S , Maruyama E , Terakawa A et al . Solar EnergyMaterials and Solar Cell s , 2001 , 66 : 85Shah A V et al . Solar Energy Materials and Solar Cells ,2003 , 7

25、8 : 469van Veen M K et al . Journal of Non 2Crystalline Solids ,2002 , 299 - 302 : 1194Paulson P D et al . Progress in Photovoltaics : Research andApplications , 2004 , 12 : 69Myong S Y et al . Solar Energy Materials and Solar Cells ,2008 , 92 : 639Adikaari A A D T et al . Solar Energy Materials and SolarCells , 2008 , 92 : 634Redwing J et al . DOE Solar Energy Technologies Program ,2007Naughton M et al . DOE Solar Energy Technologies Pro 2gram , 2007