《薄膜太阳能电池(thinfilmsolarcell)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《薄膜太阳能电池(thinfilmsolarcell)（215页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 薄膜太阳能电池授课教师：黄俊杰薄膜太阳能电池的种类非晶硅(Amorphus Silicon,a-Si)微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si)CIS/CIGS(铜铟硒化物)CdTe(碲化镉)GaAs Multijuction(多接面砷化镓)色素敏化染(Dye-Sensitized Solar Cell)有机导电高分子(Organic/polymer solar cells)太阳能电池市场现况太阳能电池效演进非晶硅(Amorphus Silicon,a-Si)数据源：BP 2002、World
2、 Nuclear Association是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很强，而且用溅镀或是化学气相沉积方式生成薄膜的生产方式成熟且成本低廉，材成本相对于其他化合物半导体材也便宜许多；过缺点则有转换效低(约57%)，以及会产生严重的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应用于小功的消费性电子产品市场。过在新一代的非晶硅多接面太阳能电池(MultijuctionCell)已经能够大幅改善纯非晶硅太阳电池的缺点，转换效可提升到68%，使用寿命也获得
3、提升。未在具有成本低廉的优势之下，仍将是未薄膜太阳能电池的主之一。微晶硅(nc-Si，uc-Si)微晶硅其实是非晶硅的改良材，其结构介于非晶硅和晶体硅之间，主要是在非晶体结构中具有微小的晶体子，因此同时具有非晶硅容易薄膜化，制程便宜的特性，以及晶体硅吸收光谱广，且易出现光劣化效应的优点，转换效也较高。目前已有将a-Si和nc-Si迭层后制成的薄膜太阳能电池商品(由日本Sanyo研发成功)，可镀膜在一般窗户玻璃上，透光的同时仍可发电，因此业界广泛看好将是未非晶硅材薄膜太阳电池的的发展主。CIS/CIGS(铜铟硒化物)CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(Copper
4、IndiumGalliumDiselenide)属于化合物半导体。这两种材的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转换效方面，若是用聚光装置的辅助，目前转换效已经可达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效。在大面积制程上，采用软性塑基板的最佳转换效也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效已经相当优异，因此被视为是未最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。CdTe(碲化镉)CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效也差：若使用耐高温(600C)的硼玻璃作为基板转换效可达16%，而使用耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效，转换效远优于
5、非晶硅材。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速成膜技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效约11%。过，虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污染性重金属，因此此种材技术未发展前景仍有阴影存在。GaAs Multijuction(多接面砷化镓)在单晶硅基板上以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳能电池，因为具有30%以上的高转换效，很早就被应用于人造卫星的太阳能电池板。新一代的GaAs多接面(将多层同材迭层)太阳能电池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面
6、电池，可吸收光谱范围极广，转换效目前已可高达39%，是转换效最高的太阳能电池种类，而且性质稳定，寿命也相当长。过此种太阳能电池的价格也极为昂贵，平均每瓦价格可高出多晶硅太阳能电池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，预期并会成为商业生产的主。染料敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)染敏化感染电池是太阳能电池中相当新颖的技术，产品是由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)奈米微薄膜、染(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。此种太阳能电池的优点在于二氧化钛和染的材成本相对便宜，又可以用印刷的方法大制造，基板材也可更多元化。过目前主要缺点一是在于转换效仍然相当低(平均约在78
7、%，实验室产品可达10%)，且在UV照射和高热下会出现严重的光劣化现象，二是在于封装过程较为困难(主要是因为其中的电解质的影响)，因此目前仍然是以实验室产品为主。然而，基于其低廉成本以及广泛应用层面的吸引力，多家实验机构仍然在积极进行技术的突破。有机导电高分子(Organic/polymer solar cells)有机导电高分子太阳能电池是直接用有机高分子半导体薄膜(通常厚约为100nm)作为感光和发电材。此种技术共有两大优点，一在于薄膜制程容易(可用喷墨、浸泡涂布等方式)，而且可用化学合成技术改变分子结构，以提升效，另一优点是采用软性塑作为基板材，因此质轻，且具有高的可挠性。目前市面上已经
8、有多家公司推出产品，应用在可携式电子产品如NB、PDA的户外充电上面，市场领导者则是美国Konarka公司。过，由于转换效过低(约45%)的最大缺点，因此此种太阳能电池的未发展市场应该是结合电子产品的整合性应用，而非大规模的太阳能发电。非晶硅薄膜太阳电池构造Thin film Si:H advantagesAbundantly available raw materialsLow Si and energy consumptionFlexible,Roll-to-RollLarge area,low temperature(104105-1），所需光电材厚需超过1m，99以上的光子均可被吸收，
9、因此一般粗估产制造时，所需半导体原物可能仅只US$0.03/W。薄膜太阳能电池 CIGS薄膜电池ChalcopyriteChalcopyrite半导体的性质半导体的性质CIGS太阳能电池组件结构演进CIGS太阳能电池组件制作程CIGS薄膜太阳电池制造方法CIGSCIGS太阳能电池太阳能电池-真空制程真空制程真空涂布制程-Co-evaporation真空涂布制程-Sputtering-SputteringCIGSCIGS太阳能电池太阳能电池-非真空制程非真空制程非真空涂布制程-electrodeposition非真空涂布制程-Metal Oxide InkCIS薄膜太阳电池“Copper Ind
10、ium Diselenide Thin-film Solar Cell”245-kW rooftop,thin-film CIS-based solar electric array,Camarillo,California(Shell Solar Industries.)85-kW thin-film CIS-based BIPV facade,North Wales,UK结论各型太阳能电池的市场需求将与日遽增，且各技术皆以低成本和提高光电转换效为研究方向。其中又以薄膜太阳能电池为现阶段最具有取代硅晶太阳能电池的可能。薄膜太阳电池中，CIGS是目前具有最高效的电池之一。现阶段CIGS电池主要
11、产技术仍以真空制程技术为主，但难以克服大面积及低成本的问题。CIGS非真空制程技术虽具有低成本以及提高材使用的优点，但各方式具有难以克服的关键问题皆仍待解决。如CIGS晶成长等。结瓶颈CIGS薄膜太阳能电池虽具有高效、低成本、大面积与可挠性等潜优势，但还有许多需要克服的问题接踵而：制程复杂、技术选择百家争鸣，且供应相当分歧，各站并无制式化设备放大制程之均质性佳，变化大 dopant ratio thin window layer Low Voc resulting in increased area loss系统化的研究与实验据十分缺乏许多关键点无定，如：组成成分、结构、晶界、各层间之接口等关
12、键原的缺乏 铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏相当有限，国外曾计算，如以效10的电池计算，人如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有光景可，铟的天然蕴藏相当有限，国外曾计算，如以效10的电池计算，人如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有光景地热CdTe Film DepositionCdTe Film DepositionCdTe Film DepositionRooftopCdTeCdTe薄膜太阳电池薄膜太阳电池“Cadmium Cadmium TellurideThin-film Solar Cell”TellurideThin-film Solar Cell”Katzen
13、bach Juwi Memmingen SAGSAGFirst Solar-CdTe RooftopC-Si Technology in Historic Perspective全球PV前十大厂商台湾太阳光电产业链分布概况太阳光电产值预期达成规模光电高分子太阳能电池特征发展不久原理:利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原位势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,外层聚合物的还原电为较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一电极正好相反奈米晶色素增感solar cellDSSC进展Why organic solar cell?Ease of fabrication for large area
14、 from solutionTransparentConformal and flexibleLow cost of manufacturingDye-Sensitized Solar CellMechanisms of the DSSCh :photon absorptiona:electron injectionb:recombinationc:e-transport and collection at conducting substrate d:I-oxidatione:I3-reductionf:ion transportBasic mechanisms in a DSSCI/I3-
15、redox electrolytedyeh TiO2TCOCounter electrodeabcdef2e-+I33I-3I-I3-+2e-E-An Introduction to its Principle,Materials,Processes,and Recent R&DsDye-sensitized Solar Cell(DSSC):Principle ofDye-Sensitized Solar cellsDye-Sensitized Solar CellLow photocurrent could be the result of1.Inefficient light harve
16、sting by the dye2.Inefficient charge injection into TiO23.Inefficient collection of injection electronGratzel,Nature,2001Special Features of a DSSCSemiconductor not excited directlyPhoto carrier generation&transportation arewell separated the probability of recombination can be drastically reduced.Positive charge transportvia ion transport in the electrolyte,rather than hole conditionNo electric field,electron transfer has been described as diffusionJn=n nEcb+q DnnNanoparticle structureTCOCounte
