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1、太阳能电池材料,功能材料,课程论文.txt3 努力奋斗，天空依旧美丽，梦想仍然纯真，放飞 自我，勇敢地飞翔于梦想的天空，相信自己一定做得更好。4 苦忆旧伤泪自落，欣望梦愿笑 开颜。5 懦弱的人害怕孤独，理智的人懂得享受孤独 本文由崔承佑贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。太阳能电池材料摘要： 摘要：倡导绿色环保，清洁高效，清洁能源是当今的时代主题，越来越受到各 国 的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域。 本文着重简绍几种广 泛应 用和极大开发价值的太阳能电池材料及其制备技术。 关键词： 关键词 太阳能材料 单晶硅 材料电
2、池 多晶硅材料电池 非晶硅薄膜 化合物 薄膜 效率 成本 引言： 太阳能是人类取之 不尽用之不竭的可再生能源也是清洁能源，不产生任何 的环境污染。在太阳能的有效利 用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快， 最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的 项目之一。为此，人们研制和开发了 太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为 基础，其工作原理是利用光 电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同， 太阳能电池材料 可分为：1、硅太阳能电池材料；2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫 化镉、 铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、 纳 米晶材料
3、太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般 的要求有： 1、半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率：3、材 料本身对环境不造成 污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上 几个方面考虑，硅是最理想的太 阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因。但随着新材料的不断开发和 相关技术的发展，以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。 本文简要 地综述了太阳能电池的种类及 其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。 1 硅系材 料太阳能电池 1.1 单晶硅材料太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效 率最高，技术也最为成
4、熟。 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的 加工处理工艺基 础上的。现在单晶硅的电池工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表 面织构 化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋 栅 电极单晶硅电池。 提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工 艺。在此方 面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该 研究所采用光刻照相 技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一 13nm。厚的氧化物钝化层与两 层减反射涂层相结合通过改进了的电镀过程增 加栅极的宽度和高度的比率： 通过以上制 得的电池转化效率超过 23%， 是大值
5、可 达 233。Kyocera 公司制备的大面积 （225cm2）单电晶太阳能电池转换效率 为 19 44%， 国内北京太阳能研究所也积极进行 高效晶体硅太阳能电池的研究和 开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率 达到 19.79%，刻槽埋 栅电极晶体硅材料制成的电池（5cm X 5cm）转换效率达 8.6%。 单 晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的， 在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位，但 由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。 为了节省高质量材料， 寻找单晶硅电池材料的替代产品，现在发展了薄
6、膜太 阳能电池材料， 其中多晶硅薄膜太阳 能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就 是典型代表。 12 多晶硅薄膜材料电池 通常 的晶体硅太阳能电池是在厚度 350450m 的高质量硅片上制成的， 这 种硅片从提拉或 浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省 材料，人们从 70 年代中 期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的 硅膜晶粒大小，未能制成有价值的 太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人 们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化 学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积 （PECVD）工艺。此外，
7、液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制 备多晶 硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4 或 SiH4,为反应气 体,在一定 的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用 Si、 SiO2、Si3N4 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在 晶粒间形成 空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非 晶硅层，再将这层非 晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜，因此，再结晶 技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多 晶硅薄膜电
8、池除采用了再结晶工艺外，另 外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技 术， 这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区 日本三菱公司 馆再结晶技术在 FZ Si 衬底上制得的多晶硅电池转换效率为 19， 用该法制备电池，效 率达 16.42%。 液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。 美国 Astropower 公司采用 LPE 制备的电池效率达 122。中国光电发展技术 中心的陈 哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒， 并设计了一种类似 于晶体硅薄膜太阳 能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关 性能方面的报道还未
9、见到。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有 可能在廉价衬 底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜 电池，因此，多晶硅薄 膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 1.3 非晶硅薄膜太阳能电池 开发太阳 能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶 硅薄膜材料太阳能电池 的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到 迅速发展，其实早在 70 年代初， Carlson 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作,近几年它的研制工作得到了迅速发 展,目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品。 非晶硅作为太
10、阳 能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射 光谱的长波区域不敏感， 这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电 效率会随着光照时间的延续而衰减，即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应，使得电池性能不稳 定。解决这些问题的这径就是 制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的 p、i、n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提 高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提 高了 光谱的响应范围；顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保 证
11、 i 层中的 光生载流子抽出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰 退效应减小；叠层 太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜材料太阳能电池的制备方法有很多，其 中包括反应溅射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要 为玻璃及 不锈钢片， 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠 层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构 非晶硅太 阳能电池转换效率达到 13，创下新的记录；第二.三叠层太阳能电池 年生产能力达 5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高 转换效率为
12、93%，三带隙 三叠层电池最高转换效率为 13. 上述最高转换效率是在小面积（025cm2）电池上取得 的。曾有文献报道单结 非晶硅太阳能电池转换效率超过 125，日本中央研究院采用一 系列新措施， 制得的非晶硅电池的转换效率为 132。国内关于非晶硅薄膜电池特别是 叠层 太阳能电池的研究并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制 备出 面积为 20X20cm2、转换效率为 828的 aSi/aSi 叠层太阳能电池。 非晶硅太阳能 电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点， 有着极大的潜力。但同时由 于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果 能进一步解决稳定性问题
13、及提高转换 率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太 阳能电池的主要发展产品之一。 2 化合物薄膜太阳能电池 2. 1 碲化镉太阳能电池 碲化镉( Cd Te)材料成本低、效率高.且光谱响应与太 阳光谱分吻合。薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等。 碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 % o。Cd Te 电池实验室效率 16. 4%大规模生产 的商业 化电池平均效率 8%一 10%。四川大学制备出的电池率达 11.6 %。以 cd Te 吸收 层，CdS 作窗口层的结构为:减反射膜/玻璃/ SnOz : F/ CdS/ P-CdTe/背电极，这种 电池 转换效率
14、达 16 %。 2. 2 砷化镓太阳能电池 1954 年.首次发现砷化镓材料具有光生伏特效 应，1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 22 %25 %。实验室条件下在 CaA s 单结电池效 率已超过 25 %。目前 研究的砷化镓系列太阳能电池有单品砷化镓、多品砷化镓 , 镓铝砷 一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓等。材料的制备类似 于 硅半导体的制备，有晶体生长法、直.接拉制法、气相生长法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物( CaInP ,Al CaInP , CaInA s 等)半导体材料的技术日 益成熟， 可通过设计电池结构来提高效率和降低
15、成本。双结电池的效率最高为 30%，三结电池为 38%，四结电池为 41 %。目前，国外已将砷化镓太阳能电池 作为航天飞行器空间主电源.而 且砷化镓组件所占比例逐渐增大， 目前已占 90 %。 2. 3 铜铟硒太阳能电池 铜铟硒太阳 能电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳 能电池，是在玻璃或其它 廉价衬底上沉积若十层金属化合物的半导体薄膜.其厚 度大约为 200300nm.具有成本低、 性能稳定、抗辐射能力强等特性。 日本昭和石油公司开发的而积为 864cm2 的电池转换效 率为 14.3 %。美国 尽管化合物 能源部叫再生能源实验室研制出的 CIGS 电池转换效率已 达 1
16、9.2 %。半导体材料的太阳能电池具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点.但是其所 用的材 料中大多有毒.且有的是稀元素.所以其发展已受到很大限制。 2. 4 聚合物薄膜太阳能电池 以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向.具有分子结构自行设计合成、易加 工、毒性小、成本低等特点。目前制作聚 合物半导体层主要是:真空技术，主要包括真空镀 膜溅射和分子束外延生长技术; 溶液处理成膜技术.主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分 子组装技术、印刷技 术等;单品技术.主要有电化学法、扩散法和气相法。 Heeger 等发现. 聚乙炔用 Iz ,AsFs 掺杂后电导率明显增高。口前 P3 H T/ PCB M 体系最高的光电转化效 率为 4% 。李永舫等使带双嚓嗯乙烯撑边链的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时.能量转换 效率达 3. 18%。 虽然聚合物电池有着众多优 点，但性能无法与传统太阳能电池相比。参考文献： 参考文献： I梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料J(ufJ l.材料
