都玲玲 沙莎
摘 要:本文綜述了不同材料的太陽(yáng)能電池的主要制備工藝和特性,如硅太陽(yáng)能電池、化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng)能電池和納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池等。簡(jiǎn)要介紹了目前太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能電池;材料研究;轉(zhuǎn)換效率;發(fā)展趨勢(shì)
太陽(yáng)能可以認(rèn)為是取之不盡、用之不竭的清潔能源。當(dāng)前的太陽(yáng)能工業(yè)主要有兩大支柱產(chǎn)業(yè):即太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能光伏制造產(chǎn)業(yè)。其中光伏制造產(chǎn)業(yè)是世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,而太陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快,最具活力的研究領(lǐng)域,也是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。
1 硅系太陽(yáng)能電池
1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池
硅系列太陽(yáng)能電池中,單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?,F(xiàn)在單晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝己近成熟,一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù),開(kāi)發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面,德國(guó)夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化,制成倒金字塔結(jié)構(gòu),并在表面把13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合。并通過(guò)改進(jìn)了的電鍍過(guò)程來(lái)增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率。這樣制得的電池轉(zhuǎn)化效率最大值可達(dá)23.3%。Kyocera公司制備的大面積(225cm2)單晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%,國(guó)內(nèi)北京太陽(yáng)能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā),研制的平面高效單晶硅電池(2cm×2cm)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%,刻槽埋柵電極晶體硅電池(5cm×5cm)轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。
1.2 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池
通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350-450μm的高質(zhì)量硅片上制成的,這種硅片從提拉或燒鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料,人們從70年代中期就開(kāi)始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜,但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小,未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜,人們一直沒(méi)有停止過(guò)研究,并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法,包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝。此外,液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。
化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn),在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問(wèn)題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉滯一層較薄的非晶硅層,再將這層非晶硅層退火,得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,因此再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外,另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù),這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。
3 聚合物太陽(yáng)能電池
3.1聚乙烯基咔哇( PVK)
具有光電活性的聚合物中,發(fā)現(xiàn)最早研究得最為充分的是YVK[12.13],它的側(cè)基上帶有大的電子共軛體系,可吸收紫外光。激發(fā)出的電子可以通過(guò)相鄰咔唑環(huán)形成的電荷復(fù)合物自由遷移。通常用I2、SbCl3、三硝基芴酮(TNF)、及硝基二苯乙烯基苯衍生物合四氰醌(TCNQ)等對(duì)其進(jìn)行摻雜。
3.2聚乙炔(PA)
PA是迄今為止實(shí)測(cè)電導(dǎo)率最高的電子聚合物。它的聚合方法主要有白川英樹(shù)法[14],Narrman方法[15],Durham方法[16]和稀上催化體系[17]。白川英樹(shù)采用高濃度的Ziegler-Natta催化劑,即TiOBu4-ALEt3,由氣相乙炔出發(fā),直接制備出自支撐的具有金屬光澤的聚乙炔膜;在取向了的液晶基質(zhì)上成膜,PA膜也高度取向。Narrman方法的特點(diǎn)是對(duì)聚合催化劑“高溫陳化”,因而聚合物力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性有明顯改善。Durham用可溶性前體法合成PA,典型的反應(yīng)過(guò)程是
聚合物(6)溶解和溶液成膜后拉伸,可獲得高取向的PA膜(7)。稀上催化劑采用的方法也獲得了高性能的PA膜。
3.3聚對(duì)苯撐乙烯(PPV)
近年來(lái)在光電領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的、目前制得器件效率最高的是PPV類(lèi)[20,21]材料。由于是共軛結(jié)構(gòu),分子鏈鋼性很強(qiáng),往往難熔難溶,不易加工。獲得可溶性PPV的方法是在苯環(huán)上至少引入一個(gè)長(zhǎng)鏈烷烴。烷烴碳個(gè)數(shù)至少大于6。研究還發(fā)現(xiàn)取代基有支鏈時(shí)比相同碳數(shù)的直鏈烷烴溶解度更好。具有代表性的材料是MEH-PPV[22](MEH:2-methoxy -5(2-ethylhexyloxy)),它具有較好的溶解性,使用方便;禁帶寬度為2.1eV,較為適中。
3.4聚曝盼(PTh)
PTh也是近年來(lái)在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域較為熱門(mén)的一類(lèi)材料,其中性能較好的是3烷基(P3AT)[14,16]。一般6碳以上的烷基噻吩可溶解,但10碳以下的烷基取代物有部分為凝膠。與PPV不同,單烷基噻吩比3, 4-雙烷基噻吩具有更好的溶解性,主要是因?yàn)殡p烷基取代噻吩位阻太大,降低了其有效共軛長(zhǎng)度,提高了離子化電位。
4太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)
提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中的兩個(gè)重要因素,也是今后太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展方向。單晶硅、多晶硅太陽(yáng)電池目前研究的主要任務(wù)是在提高效率的同時(shí)如何進(jìn)一步降低成本。多晶硅薄膜電池既有晶硅電池高效、穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒的優(yōu)勢(shì),又具有薄膜電池低成本優(yōu)點(diǎn),成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,成為國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn),國(guó)外發(fā)展比較迅速,在未來(lái)地面應(yīng)用方面將是發(fā)展方向。非晶硅薄膜電池研究工作主要在提高效率和穩(wěn)定性方面。非晶硅薄膜電池質(zhì)量輕、成本低,有極大發(fā)展?jié)摿Γ绻屎头€(wěn)定性方面進(jìn)一步提高,將是太陽(yáng)電池主要發(fā)展產(chǎn)品。目前研究任務(wù)是提高大面積非晶硅電池穩(wěn)定效率,穩(wěn)定效率7-8%,壽命20年,盡快為產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。CIS,CIGS,CdTe 電池被認(rèn)為未來(lái)實(shí)現(xiàn)低于1 美元/峰瓦成本目標(biāo)的典型薄膜電池,CIGS 電池在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量時(shí)制造成本比硅電池更低,如生產(chǎn)工藝發(fā)展成熟,產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題得以解決,與硅電池相比有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),是一種很有發(fā)展前途薄膜太陽(yáng)電池。目前研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高效率,降低成本,使之大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。全固態(tài)電解質(zhì)納米太陽(yáng)電池效率不理想,仍需進(jìn)一步深入研究。從商業(yè)化角度看,多晶硅薄膜和非晶硅薄膜電池以其高轉(zhuǎn)換效率和低成本的優(yōu)勢(shì),將成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。
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