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p–n 结上，而且

光能大于p–n 结的禁带宽度，则在p–n 结附近将产生电子-空穴对。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p–n 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 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[1,2]。

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( hetero2junction int rinsic thin2layer) 异质结本征薄膜太阳能电池由日本SAN YOó公司的

Makoto Tanaka 和Mikio Taguchi 等人于1992 年首次制备成功[3]. 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,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 ][4] ( 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[5,10]. 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[11]

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. 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[12]采用新结构将非晶硅薄层包裹在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[13]将非晶硅薄膜沉积在碳纳米管阵列的表面,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 %.

非晶硅/ 碳纳米管异质结新结构太阳能电池

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,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]Kang,Soo Han, Hyun ju Lee. Fabricat ion of ant i-efl ect ion st ructure on p rot ect ive l ayer 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.

[3]Tanaka M et al . J apanese Journal of Applied Physics , 1992 ,31 : 3518

[4] Staebler D L , Wronski C R. Applied Physics Letters , 1977 ,31 (4) : 292

[5]Meier J , Spitznagel J , Kroll U et al . Thin Solid Films , 2004 ,451 - 452 : 518

[6]Okamoto S , Maruyama E , Terakawa A et al . Solar EnergyMaterials and Solar Cell s , 2001 , 66 : 85

[7] Shah A V et al . Solar Energy Materials and Solar Cells ,2003 , 78 : 469

[8]van Veen M K et al . Journal of Non2Crystalline Solids ,2002 , 299 - 302 : 1194

[9] Paulson P D et al . Progress in Photovoltaics : Research andApplications , 2004 , 12 : 69

[10] Myong S Y et al . Solar Energy Materials and Solar Cells ,2008 , 92 : 639

[11] Adikaari A A D T et al . Solar Energy Materials and SolarCells , 2008 , 92 : 634

[12] Redwing J et al . DOE Solar Energy Technologies Program ,2007

[13] Naughton M et al . DOE Solar Energy Technologies Pro2gram , 2007