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薄膜太阳能电池的分类


第 2 期( 总 49 期) 2013 年 6 月

河北能源职业技术学院学报
Journal of Hebei Energy Institute of Vocation and Technology

No. 2 ( SumNo. 49 ) Jun. 2013

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薄膜太阳能电池的分类 、 发展与研究
胡中华, 苏润, 夏育荣, 高 磊
( 中国电子科技集团公司第 38 所研究所, 安徽 合肥 230088 ) 要: 太阳能电池是当今世界发展最迅速, 最有潜力的新兴 能 源 之 一, 为 缓 解 能 源 危 机 提 供 了一 种 。 切实可行的方法 本文首先介绍了目前国际上研究较多的几种 太 阳 能 电 池, 然后 分析 并 总 结 了 不 同 摘 薄膜太阳能电池在制造成 本、 生 产 工 艺、 转 换 效 率、 耐 用 性、 产 品 厚 度 等 方面的 优 缺 点及 发展 趋 势。 可以预见, 随着新技术、 新结构的不断创新, 太阳电池的成本、 转换效率和稳定性将不断提高。 关键词: 晶体硅太阳电池; 薄膜太阳电池; 硅基薄膜; 多元化合物; 有机薄膜; 中图分类号: TM914. 42 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 3974 ( 2013 ) 02 - 0044 - 05 The Classification of Thin - Film Solar Cells,Its Development and Research HU Zhong - hua, SU Run, XIA Yu - Rong, GAO Lei ( No. 38 Institution of CETC ,Hefei 230088 ,China) Abstract : The solar cells are the world' s fastest growing one of the most promising new energy, and it provides a practical method to ease the energy crisis. This paper describes the characteristics and development trend of solar cells which are researched by many scientists. Solar cells consist primarily of crystalline silicon solar cells ( mono - crystalline silicon,poly - crystalline silicon ) and thin - film solar cells ( amorphous silicon, multiple compounds,organic thin film) . And then, the advantages and disadvantages ( manufacturing costs, production technology, conversion efficiency, durability, product thickness) and trends of different solar cell are analyzed and summarized. It can be predicted that,with the innovation of new technologies and new structure,the cost,conversion efficiency and stability of the solar cells will be improved continually. Key words: Crystalline Silicon Solar Cells; thin film solar cells; silicon - based thin film; multi - compound; organic thin film 1. 引言 随着全球气候变迁、 空气污染问题日益严重, 而 , , 非再生资源日趋短缺 面对国际油价不断攀升 石油 危机即将再次爆发, 全世界即将发起能源战争, 无论 , , 钓鱼岛问题 还是南海问题等 都是由于他国垂涎于 海底深藏的油气资源引起的。 而正是基于此背景, 各国大力促进光伏产业的迅速发展。 太阳能作为可 再生资源, 取之不尽、 用之不竭, 世界各国都对太阳 能的开发利用给予了大量投入。 目前, 太阳能电池 已被广泛运用到日常生活, 如路灯照明、 光伏建筑、 计算机、 飞行器、 汽车、 热水器等, 发展潜力巨大, 它 在能源的运用中将扮演极其重要的角色 。 2. 太阳能电池定义、 分类 太阳能电池是通过光电或光化学效应直接把光 以光电效应工作的薄 能转化成电能的装置。 其中, 膜太阳能电池为主流, 而以光化学效应工作的湿式 太阳能电池尚处于萌芽阶段。 太阳能电池按结晶状态分为: 结晶系薄膜式和 非结晶系薄膜式( 以下表示为 a - ) , 而前者又分为单 结晶和多结晶。 此外, 按照柔韧性可以分为晶硅电 池和薄膜电池两种 ( 如图 1 所示 ) , 硅太阳能电池目 前发展最成熟。 薄膜电池可分为硅基薄膜电池、 化合物半导体 薄膜电池、 有机薄膜电池三大类。 而化合物半导体 薄膜形又分为非结晶形( a - Si 等) 、 Ⅲ - V 族 ( GaAs, InP 等) 、 Ⅱ - Ⅵ 族 ( CdTe 等 ) 和 I - III - VI 族 ( CIGS 等) 。与晶体硅太阳能电池相比, 薄膜太阳能电池消 耗材料少, 只需几十纳米到几十微米的厚度, 便可以

收稿日期: 2013 - 03 - 25 作者简介: 胡中华( 1981 - ) 男, 博士, 中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师, 主要从事浮空器电讯与配电设计工作。

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胡中华等: 薄膜太阳能电池的分类、 发展与研究 实现光电转换, 且生产成本低。 薄膜太阳能电池还 可应用在柔性衬底 ( 如 PI ) 上, 而传统的硅基太阳能 电池容量虽大, 但需要加工成坚硬的板块状电池板, 因此用途受到了许多限制。 而柔性衬底电池具有重 量轻、 不易破碎、 可折叠, 易大面积生产、 运输方便等 优点, 柔性衬底电池甚至可粘贴在物体表面, 如汽车 玻璃、 衣服、 建筑物等。 薄膜电池中最主要的形式有 非晶硅( a - Si) 、 砷化镓 ( GaAs ) 、 碲化镉 ( CdTe ) 和铜 铟镓硒( 简称 CIGS ) , 具体分类 ( 见表 1 ) 。 本文综合 对薄膜太阳能电池的特点进 国内外相关研究成果, 行了详细的比较, 并展望了其未来的发展趋势。

图1 表1
种类 分布 非晶硅 硅基 薄膜 多晶硅 微晶硅 Ⅲ-V族 化 合 物 Ⅱ - Ⅵ族 I - III - VI 族

薄膜太阳能电池分类
半导体材料 单晶硅 多晶硅 可 非晶硅 砷化稼、 磷化铟 硫化镉、 碲化镉 铜铟镓硒 否 可 可 两种或两 种以上的 元素组成 可否 柔韧 否 说明

太阳能电池分类 3. 硅基薄膜太阳能电池 薄膜太阳能电池具有工艺简单、 重量轻、 耗能少 和成本低等优点, 相对于单晶硅太阳能电池, 薄膜太 阳能电池在价格上, 具有与传统电力竞争的潜力。 3. 1 非晶硅太阳能电池 1 ) 非晶硅太阳能电池特点 同晶体硅太阳能电池相比, 非晶硅太阳能电池 具有以下优点: ① 光吸收系数较高: 禁带宽度比单晶硅大, 约 1. 5 - 2. 0eV, 因此, 开路电压高。 ② 设备简单、 制造成本低: 非晶硅薄膜厚度不到 单晶硅太阳能电池厚度的百分之一, 仅有数千埃, 成 本大大降低。 ③ 衬底多样: 非晶硅没有晶体硅所需的周期性 原子排列, 无须考虑材料与衬底间的晶格失配问题。 故几乎可淀积在任何衬底上, 如不锈钢、 玻璃等。 · 45·

有 机 物

分子 晶 体、 电荷转 移络 合 物、 高聚物 ( 酞 菁、 羟基角鲨 烯、 聚乙炔) 可

用含有一 定数量的 碳 - 碳键

第 2 期( 总 49 期) 2013 年 6 月

河北能源职业技术学院学报
Journal of Hebei Energy Institute of Vocation and Technology

No. 2 ( SumNo. 49 ) Jun. 2013

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胡中华等: 薄膜太阳能电池的分类、 发展与研究 物理改性、 易大面积成膜、 成本低。 与无机硅太阳能 电池相比, 有机太阳能电池在转换效率、 光谱响应范 围、 电池 稳 定 性 等 方 面 还 有 待 提 高。 2011 年 日 本 AIST 研制的有机太阳能电池转换效率达 10% , 组件 效率达 4. 2% 。 有机太阳电池重点研究方向: 优化电池表面结 构、 提高光子吸收效率、 为降低载流子的复合等。 5. 2 染料敏化太阳能 染料敏化太阳能电池技术由透明导电基板、 二 染料( 光敏化剂 ) 、 电解 氧化钛( TiO2 ) 奈米微粒薄膜、 质和 ITO 电极所组成。它具有以下特点: 染料敏化太阳能电池的缺点: 约在 7 ~ 8% ; ②光劣化现象: 在 UV 照射和高热下会出现严重 的光劣化现象; ③封装困难: 由于其中存在电解质, 导致封装过 程较为困难, 目前仍以实验室研发为主。 染料敏化太阳能电池的优点: 染料敏化太阳能 电池所使用的材料二氧化钛和染料的成本都相对便 宜, 可通过印刷法大量制造, 基板材料也具多样化, 所以电池成本低。 综合以上各类太阳能电池特点, 将其光电转换 效率、 厚度、 成本、 耐用性等主要特性对比列表如表 3 所示。

①转换效率低: 实验室转换效率可达 10% , 产品 表 3 各类太阳能电池主要特性对比
材料 理论效率 % 实验室 效率% 产品效率 % 厚度 m 衬底 优点 缺点 易脆化碎裂, 面密度较 大, 制 作 成 本 高, 制作 时间长 中 好 高 好 成本 耐用 性

单晶硅

29

24

12 - 16

200 - 300 Si 片

转化 效 率 高, 技术成 熟, 性能稳定

多晶硅

20

17. 7

10 - 12

200 - 300 Si 片

成 易脆化碎裂, 效率相对 工艺较单晶硅简单, 本较单晶硅低 原料需求少, 可廉价衬 较低, 原料成本较高

非晶硅

15

13. 5

5 - 10

0. 5 - 0. 7 玻璃

底, 成本低, 面密度低,转换效率最低, 存在光 柔韧 性 较 高, 无 需 封 至衰减效应 装, 生产最快



一般

三结 砷化 镓 35 34 27 5 - 10 Ge

转化 效 率 高, 技 术 成 易脆 化 碎 裂, 面密度 熟, 吸 收 率 高,性 能 大, 基 板 制 作 成 本 高, 极高 稳定 仅用于太空等领域 转换效率低, 有毒性材 料、 回收困难 好

碲化镉

30

15. 8

8 - 10

1 -2

玻璃 容易制造、 技术较成熟





铜铟 镓硒

37

19. 9

9 - 12

4 -5

玻璃

成本最 低, 面 密 度 低,转换效率较低, 技术成 柔韧性高, 耐辐照 成本低、 柔 韧 性 较 高、 熟度低





有机



10

4 -5





易实现多品种、 制备工 转换效率低、 稳定性差 艺简单



一般

染料 敏化

30

10

7 -8





成本低、 柔韧性较高

存在光劣 转换效率低、 化现象、 封装困难



一般

6. 结束语 随着薄膜技术研发的陆续投入和量产, 薄膜太 阳能电池技术已取得长足发展, 转换效率及生产成

本得到不断改进, 短期内虽不可完全取代晶体硅, 但 凭借成本优势, 必将后来居上。 其中, 非晶硅薄膜太 阳能电池成本低、 可大规模生产, 但存( 下转 51 页) · 47·

甄翠敏等: 国外电动汽车发展战略及对我国的启示 国推广体系完整, 德、 日相对重视技术进步。 在确定技术路线时, 要综合考虑每种车型全球 技术成熟度和本国资源禀赋。 美、 日、 欧纷纷选择了 纯电动汽车是 以混合动力车为近期产业化的重点、 研发重点、 燃料电池汽车为未来的发展目标。 结合 我国实际, 应该首先通过混合动力汽车的产业化, 带 电机等关键零部件的技术发展和产业化, 为 动电池、 汽车动力系统电动化打下基础, 然后, 因地制宜地发 展燃料乙醇、 锂电池车等技术车型, 最后向纯电动车 过渡。 发展电动汽车, 既是有效缓解能源和环境压力、 推动汽车产业可持续发展的紧迫任务, 也是加快汽 车产业转 型 升 级、 培 育 国 际 竞 争 优 势 的 战 略 举 措。 国外电动汽车的发展历程, 充分说明了国家政策在 发展中起着关键性和决定性的作用。 我国电动汽车 的发展, 应进一步制定和完善电动汽车发展战略, 使
参考文献: [ 1] . 曾志伟. 中国新能源汽车产业的技术路径选择研究[J] 2012 ( 7 ) : 7 - 9 公路与汽运, [ 2] 殷群, 贾玲艳. 中美日产业技术创新联盟三重驱动分析 [ J] . 中国软科学, 2012 ( 9 ) : 85 [ 3] 杜剑, 谢东, 吴涛等. 国外电动汽车战略及充换电业务发 J] . 华中电力, 2012 ( 1 ) : 96 展现状[

产 产业发展规范有序; 构建和完善电动汽车市场化、 业化的政策支持体系; 完善应用示范项目, 政府和行 政单位率先使用电动汽车; 加强对电动汽车核心技 术的研发投入; 加快发展电动汽车相关基础设施建 设, 尤其是加快充电设施建设, 尽快完善城际间电动 汽车运营网络体系。

( 上接 47 页) 光致衰减效应, 稳定性差; 多晶硅薄膜 太阳能电池成本低, 衬底多样, 无光致衰退效应, 但 薄膜厚度远不及多元化合物那样薄, 仅有十几微米。 非晶硅 / 多晶硅叠层结合两者优点, 弥补各自不足, 被誉为最有 前 途 的 硅 基 薄 膜 电 池 产 业 化 技 术。 此 外, 有机薄膜太阳能电池理论生产成本最低、 原料丰 富, 但还处于初级研究阶段, 转换效率低、 稳定性较 差, 关键技术还有待突破。 多元化合物薄膜太阳能 电池具有价格低、 制备晶粒大、 工艺简单、 带隙可调、 CdTe 电池已实现低成本大 薄膜缺陷少等优点, 其中, 规模生产。但多元化合物薄膜太阳能电池存在材料 某些有毒( 如 Cd) , 部分稀有( 如 In 和 Se ) , 且大面积 转换效率会下降等因素都不 生产时性能还不稳定、 利于多元化合物太阳能电池的大规模发展。 随着研 究的不断深入, 以及电池结构 ( 叠层太阳能电池、 多 带隙太阳能电池) 的不断创新、 新技术和新材料的不 断出现, 薄膜太阳能电池的转换效率和稳定性将不 断提高。

参考文献: [ 1] J] .江 谢建生, 李金华. 太阳电池研究的现状与发展前景[ 20 ( 3 ) : 69 - 73. 苏工业学院学报. 2008 , [ 2] 李微, 黄才勇, 刘兴江. 薄膜太阳电池技术发展趋势浅析 [ J] . 中国电子科学研究院学报 . 2012 , 7 ( 4 ) : 344 - 350 [ 3] D. M. ChaPin,C. S. Fuller and G. L. Pearson. " A new silicon P - n junction photocell for converting solar radiation into 8 : 676 electrical Power" ,J. Appl. Phys. 1954 , [ 4] 王希文, 方小红. 铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其发展 . 可 2008 年第 3 期, 13 —16. 再生能源, [ 5] 孙云, 李长健, 李凤岩等. 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研 J] . 新材料产业. 2007 , 07 : 24 究进展[ [ 6] 任华, 傅艳华. 太阳能光伏产业现状与发展趋势 . 新余高 专学报. 2007 ( 6 ) . [ 7] . 蔺旭鹏, 强颖怀, 肖裕鹏等. 薄膜太阳电池研究综述[J] 37 ( 2 ) 96 - 104. 半导体技术 2012 , [ 8] 廖华, 林理彬, 刘祖明等. 晶硅薄膜太阳电池电子辐照研 J] . 云南师范大学学报( 自然科学版) . 2012 , 32 ( 2 ) 1 究[ - 4. [ 9] .上 褚家宝. 铜铟镓硒 ( CIGS ) 薄膜太阳能电池研究[R] 2009 : 19 - 20. 海: 华东师范大学,

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