Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池

摘要

叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念，了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点，并就未来的发展趋势进行了展望。

关键词：Ⅲ-Ⅴ族化合物；太阳电池；新概念能源

III-V compound semiconductor multi-junction

monolithic solar cell

Abstract

Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed．And the future direction was prospected．

Key words：III-V compound；solar cells；new concept resource

自从20世纪50年代人类发明了硅太阳电池以来，太阳电池就成了电源的主要角色。在接下来的几十年里，太阳电池技术不断进步。由于空间恶劣的环境和空间飞行器不断对电源系统提出更高的要求，人们日益迫切需要更高转换效率、更好抗辐照性和适应空间恶劣温度变化的太阳电池出现。同时，在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下，太阳能光伏发电技术也普遍得到各国政府的重视和支持。

太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P—N结上，形成空穴一电子对，在P—N结电场的作用下，N型半导体的空穴往P型区移动，P型区中的电子往N型区移动。接通电路后就形成电流。太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟．但单晶硅纯度要求在99．999％，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。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，可有效降低成本。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，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95％[1]，远高于标准太阳能电池的理论上限33％，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。Martin Green认为，第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒[2]。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中．叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。

一、叠层太阳电池简介

由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。所以为了提高太阳能电池转换效率，叠层太阳能电池问世。

太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池[3]。

叠层太阳能电池可以通过机械堆叠法来制备，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的，一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。黄素梅、孙卓等[4]发明了一种高效叠层太阳能电池的制备方法．顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极．同时从底层太阳电池引出另一对电极．构成4个终端结构的叠层太阳能电池。实现对太阳能电池的最佳匹配．极大地提高太阳能电池的光电转换效率。提高太阳能电池的质量和性能。

该方法有效地改善了单个太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收转换效率，其光电转换效率可高达25％～30％。

二、叠层太阳电池的结构分类

2.1 垂直串联叠层太阳电池

这种叠层太阳电池是利用MBE或MOCVD技术从下至上连续生长具有不同禁带宽度的p-n结子电池，并在各子电池之间插入超薄垂直掺杂的隧穿结，利用光生载流子的隧穿效应实现各级子电池互联的方法。如果将各p-n结直接串联在一起，会由于它们的反向偏置而不能实现载流子运输。采用高浓度掺杂实现的隧穿结，可以恰到好处的解决这一个问题。

如此，高质量隧穿结的制备便成为高效率叠层太阳电池制作的关键。其一，

作为能够有效的互连两个子电池的隧穿结，应该具有高透光率和低阻抗的特点。其二，上电池和下电池的晶格常数和热膨胀系数也应该尽可能的相匹配。其三，为避免隧穿结对叠层太阳电池的短路电流造成损失，隧穿结的峰值隧穿电流必须远远大于叠层太阳电池的最大短路电流。因此，要求p-n结两侧应具有足够高的掺杂浓度。这就需要在适宜的掺杂剂类型和浓度选择以及隧穿结构的优化等方面进行考虑[5]。

2.2 横向并联叠层太阳电池

并联叠层太阳电池的主要结构特点是整个电池为一个p-n结。其中间为本征层，而两侧分别是n型和p型掺杂层。对于n型掺杂一侧来说，从顶电池接触电极到本征层的掺杂浓度是逐渐增大的。通过改变合金材料的组分数可以调控叠层太阳电池的禁带宽度。受光照界面的带隙最宽，越往里带隙越小。因此，将会在电池的内部造成一个连续变化的内建电场。在统一的同向电场的作用下，光生电子-空穴对的分离和抽取作用将在受到该电场的逐层加速作用，因此载流子运输畅通无阻。尤其当载流子被加载到一定程度时，还可以发生雪崩倍增效应，由此进一步产生倍增载流子，这对增加广生电流是非常有利的。

三、Ⅲ-Ⅴ族化合物的基本特性

IIIA元素：B 、Al、Ga、In。VA元素：N、P、As、Sb。组合形成的化合物有15种（BSb除外）。前得到实用的III-V族化合物半导体有GaN GaN GaP GaP GaAs GaAs InP InP GaSb GaSb InSb InSb InAs。

Ⅲ-Ⅴ族化合物与Si相比，其独特性质在于：1.带隙较大，大部分室温时＞1.1eV,因而所制造的器件耐受较大功率，工作温度更高；2.大都为直接跃迁型能带，因而其光电转换效率高，适合制作光电器件，如LED、LD、太阳电池等。GaP 虽为间接带隙，但Eg较大，掺入等电子杂质所形成的束缚激子发光仍可得到较高的发光效率。红、黄、绿光的LED 的主要材料之一；3. 电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件。

GaAs是一种最具代表性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。其主要物理特性为：.1.光吸收系数高。GaAs 太阳能电池的有源区厚度多选取3um 左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2.带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs 的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。3.耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。4.抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐照性能。5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V 族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs 等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的效率并降低成本。

四、GaInP2/GaAs/Ge三结空间电池的持续进步

4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体极性材料在非极性Ge单晶衬底上的成核(nucleation)技术

在非极性的Ge衬底上外延生长GaAs这样的极性材料，容易形成反相畴(AID)缺陷。但这在早期的Ge衬底GaAs太阳电池的外延生长技术中已得到较好的解决。对于多结电池来说，现在要解决的是，第一层外延层，即成核层的沉积，除了要为后继外延层的高质量生长提供基础外，还要通过控制Ⅲ-Ⅴ族杂质向Ge衬底内的扩散在Ge衬底表面形成p-n结，以形成性能良好的底电池。对于p-n结构，Ⅲ族的扩散应占主导，以及在n型Ge衬底内形成p-n结。而对于n+/p结构，则V族的扩散应占主导，以在P型Ge衬底内形成n+/p结。早期的n/p型GaInP2/GaAs/Ge三结电池仍在沿用GaAs/Ge单结电池外延工艺，使用GaAs成核层。后来的工作表明，以GaInP作为成核层，通过P，而不是As的扩散，可以更好地控制n/pGe结的性能。控制Ge结深度，改进发射区表面钝化，形成性能优良的Ge底电池是提高三结电池转换效率的关键之一[6.9]。

4.2 隧穿结

整体多结级连电池的另一项基本关键技术是用隧穿结将相邻的两级子电池连接起来，既不能造成明显的电压损失(隧穿结上的压降)，也不能引起太大的电流损失(隧穿结的光吸收)。最早，人们只能设法用金属把相邻两级子电池之间的反级性界面短路掉[10]。但金属短路法需要进行多步光刻套刻和电池结构的逐层腐蚀，工艺复杂，而且会影响到电池的填充因数和电流密度等性能。MOVPE技术的进步使得GaAs隧穿结的整体生长成为可能。其关键要求是：(1)高度均匀的超薄外延层生长；(2)高搀杂的n+层和p+层之间具有陡峭的界面。早期的GaAs隧穿结[11]应用于GaAs中间电池和Ge底电池之间的连接虽无问题，但在用来连接GaInP顶电池和GaAs电池中间时，尽管隧穿结的电学性能在后来得到了很大改进[12]，隧穿结的光吸收会影响到GaAs中间电池的短路电流密度。为此，人们研制了p+-GaAlAs/n+-GaInP[13]，p+-GaInP /n+GaInP[14]，甚至p+-GaAlA s/n+-InGaAlP[15]等宽带隙隧穿结。但是，随着带隙宽度的升高，隧穿结的隧穿几率和峰值电流会下降。实际上，作为宽带隙隧穿结，应用得最多的还是p+-GaAlAs/ n+-GalnP材料体系。

4.3 与Ge衬底完全晶格匹配的GaInP

GaInAs/Ge三结电池

GaAs/Ge三结电池结构的实现已仅仅是上述两项关键技术解决后，GaInP

材料外延生长程序的编制问题。因为，在这之前人们已对GaAs和GaInP单结电

GaAs/Ge 池有了足够的了解。于是，在上个世纪90年代中期诞生了第一代GaInP

三结电池。其典型的性能参数为：u=2.54V：J=15.6mA/cm2,，使电池AM0效率限制在25％左右。进入21世纪后，一项极其简单，却很有意义的技术应用使基于GaAs的三结电池的效率水平上升到一个新的台阶。如果仔细观察，从图4可以看出，GaAs和Ge并不是精确的处在一条晶格匹配直线上。实际上，室温下Ge

的晶格常数为0.56578nm[16]。比GaAs(0.56232nm）高约0.6％。第一代GaInP

2 /GaAs/Ge三结电池的外延层是与GaAs晶格匹配的，与Ge衬底则构成约0.6％的晶格失配。即使如此小的晶格失配也会在GaAs外延层中引起应力，从而影响到少数载流子寿命。在GaAs掺入约1％的In，则可以实现与Ge的严格晶格匹配，完全消除Ga(In)As外延层中的应力，使少数载流子寿命提高达两个数量级[17]。这将大大改进Ga(In)As中间电池对光生载流的收集，提高电池的短路电流密度。而且In的掺入将使Ga(In)As的带隙变窄。这将使其吸收限“红移”十几meV，向红外方向扩展Ga(In)As 中间电池的光吸收范围。这成为提高中间电池的短路

电流密度的另一个或许是更重要的一个因素。同时，GaInP顶电池也应调InGa 比及电池基区厚度，与Ge达到完全晶格匹配并与Ga(In)As中间电池实现电流匹配。尽管开始时Spectrola等开发商对此避而不谈，但事实上正是这一改进使第一代三结电池的电流密度提高8％左右，升至17mA/cm 。从而使电池效率水平提高近两个百分点，升级到第二代产品，即所谓的ITJ。与第一代三结电池相比，ITJ的开路电压也有近20 mV的改进。这是由于外延层中应力的消除显著改进了GaInA s的晶体质量。作为晶体质量的表征，由x光衍射测定的半峰宽(FWHM)从50多弧秒下降到20弧秒以下。

4.4 提高顶电池带隙宽度

/Ga(In) As/Ge三结电池对于太阳光谱来说，并不是理想晶格匹配的GaInP

的材料组合。要实现顶电池与中间电池的电流匹配设计，要么不得不把顶电池减到足够薄，要么需要提高顶电池材料的带隙宽度，以使足够的阳光可以透过GalnP顶电池，进入Ga(In)As中间电池。显然，后一个途径更可取。因为，提高顶电池的带隙宽度将增加顶电池的开路电压，从而提高三结电池的整体开路电压。而前者，虽然也能达到子电池的电流匹配，却不能使顶电池更充分地利用太阳光谱的短波部分。在三结电池由于短路电流密度的提高从第一代升级到第二代后，如何提高顶电池的带隙宽度，改进电池的开路电压则成为进一步改善电池电性能的焦点。一个显而易见的方法是用AlGalnP四元合金取代GalnP。与我们前面提到的AlGaAs外延生长所碰到的问题一样，这在一定程度上受到Al对残余氧的敏感性的限制。另一条途径是通过增加Ⅲ族亚晶格的无序排列程度来提高GalnP的带隙宽度。实验表明。生长温度、搀杂浓度等工艺条件和衬底晶向都会影响GaInP外延层中Ⅲ族原子的无序排列程度，使其带隙宽度可以在约100meV 的差别范围内变化。正是利用完全无序的GalnP顶电池，Spectrolab在2002年创下了GalnP2/GaAs/Ge三结电池开路电压超过2.7V的记录，使电池AM0效率也破记录地逼近30%。由此，约一年后，Spectrolab的GalnP2/GaAs/Ge三结电池产品升级到第三代，即UTJ。UTJ的电性能参数与ITJ相比，最大的改进就是标称开路电压从2.56V提高100mV，达到了2.66V。国外的其他厂家也先后通过同样的技术途径实现了GalnP2/GaAs/Ge 三结电池的换代升级。美国Emcore公司最新一代的三结电池产品BTJ的平均效率达到28.5％，德国RWE公司的第二代三结电池产品平均效率达到27.8％，与Spectrolab 的UTJ水平相当。其共同的标志就是开路电压超过2.66V。对于基于GaAs的三结电池来说，在地面阳光下，最佳顶电池带隙宽度约为1.9eV，可以用完全无序的GalnP实现。但在外层空间太阳光谱下，则需要顶电池带隙宽度接近2.0eV。因此，仅仅靠Ⅲ族亚晶格的无续是不够的，需要在GaInP三元化合物中加入一定量的Al，形成更宽带隙的AlGaInP 四元合金。带隙更宽且仍能有效地钝化发射区表面的顶电池将是下一代三结电池的重要课题。Emcore已报道了高达 2.76v的开路电压，这表明Spectrolab所宣称的平均效率高达30％的第四代三结电池产品XTJ在近期内投产是完全可能的。

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太阳能电池

太阳能电池及材料研究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，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；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；②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 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅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。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，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*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%，是大值可达23．3％。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，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1．2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm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

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III-V compound semiconductor multi-junction monolithic solar cell Abstract Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed．And the future direction was prospected． Key words：III-V compound；solar cells；new concept resource

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展

?１３６?材料导报Ａ：综述篇２０１２年ｌｏ月（上）第２６卷第１０期ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展＋王卫兵１，刘平２，李伟２，马凤仓２，刘新宽２，陈小红２（１上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３；２上海理工大学材料科学与工程学院，上海２０００９３）摘要ＣＩＧＳ薄膜太阳能龟池的缓冲层为低带隙Ｃ１ＧＳ吸收层与高带隙ＺｎＯ窗口层之间形成过渡，减少两者带隙的晶格失配和带隙失调，并可防止溅射Ｚｎ０窗口层时给ＣＩＧＳ吸收层带来损害等，对提高ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池效率起了重要作用。介绍了ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池缓冲层材料的分类和制备工艺，主要阐述了ＣｄＳ、ＺｎＳ及ＩｎｚＳ３薄膜缓冲层材料及化学水浴法、原子层化学气相沉积法、金属化合物化学气相沉积法等制备工艺的研究现状，最后指出ＣＩＧＳ太阳能电池缓冲层在制备工艺、环境保护及大规模工业化生产中遇到的问题，并展望了其发展方向。关键词ＣＩＧＳ太阳能电池缓冲层ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＢｕｆｆｅｒＬａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＣＩＧＳＴｈｉｎＦｉｌｍＳｏｌａｒＣｅｌｌＷＡＮＧＷｅｉｂｉｎ９１，ＬＩＵＰｉｎ９２，ＬＩＷｅｉ２，ＭＡＦｅｎｇｃａｎ９２，ＬＩＵＸｉｎｋｕａｎ２，ＣＨＥＮＸｉａｏｈｏｎ９２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｓｏｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｃａｎｆｏｒｍｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ１ａｙｅｒｓｂｅｔｗｅｅｎ１０ＷｂａｎｄｇａｐＣＩＧＳａｂｓｏｒｂｅｒｌａｙｅｒｓａｎｄｈｉｇｈｂａｎｄｇａｐｏｆＺｎＯｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｍａｔｃｈｉｎｇａｎｄｂａｎｄｇａｐｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｓｄａｍａｇｅｏｆＣＩＧＳａｂｓｏｒｂｅｒｌａｙｅｒｆｒｏｍｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇＺｎＯｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＯｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣＩＧＳｔｈｉｍｆＪｉｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｍａｔｅｒｉａｌａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣｄＳ，ＺｎＳａｎｄＩｎ２Ｓ３ｔｈｉｎｆｉｌｍｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｂａｔｈｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＢＤ）。ａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＣＶＤ）。ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏ—ｓｉｔｉｏｎ（ＭＯＣＶＤ）ａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｍａｔｅ－ｒｉａｌｓｏｆＣＩＧＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｆｉｎａｌｌｙｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＣＩＧＳ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ０引言ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池具有成本低、光电转化效率高、性能稳定等特点，是最有发展前景的新型光伏电池之一［１］，越来越受到人们的关注。１９７４年，美国Ｂｅｌｔ实验室的Ｗａｇｎｅｒ等［２３首先研制出了光电转化率为５％的单晶体ＣＩＳ太阳能电池。１９８２年波音（Ｂｏｅｉｎｇ）公司的Ｃｈｅｎ等［３］采用蒸发Ｃｄｌ。一Ｚ珥Ｓ代替ＣｄＳ为缓冲层，与ＣＩＳ多晶体薄膜形成异质结，提高了器件的开路电压，使ＣＩＳ多晶体太阳能电池的光电转化率达到１０．６％。１９８５年，Ｐｏｔｔｅｒ等［４１研究出了以ＣＩＳ为吸收层、ＣｄＳ为缓冲层、Ｚｎ０为窗口层结构的新型电池，很好地改善了电池的性能。随着ＣＩＧＳ太阳能电池的逐渐发展，２００８年美国可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）制备了光电转化效率为１９．９％的ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池ｂｊ。２０１０年４月，德国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）创造了光电转化效率为２０．１％的记录，同时也标志着ＣＩＧＳ太阳能电池的光电转化效率首次突破２０％。２０１０年８月ＺＳＷ又报道了ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池光电转化效率达２０．３％［６］，这是迄今为止最好的光电转化效率，与多晶体硅太阳能电池的光电转化效率的差距缩ｄ，Ｎ了０．１％。ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的典型结构由玻璃衬底、底电极Ｍｏ层、ＣＩＧＳ吸收层、缓冲层、ｉ－ＺｎＯ和Ａｌ—Ｚｎ０窗口层、减反射层及顶电极７层材料组成［７］。缓冲层是低带隙ＣＩＧＳ与高带隙Ｚｎ０窗口层之间的过渡层，其减少了两者之闭的带隙台阶与晶格失配，调整导带边失调值，对提高ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的ｐｎ结质量有重要作用。由于沉积方法与制备工艺条件的不同，缓冲层还有修复ＣＩＧＳ吸收层表面及防止溅射ＺｎＯ窗口层时给ＣＩＧＳ吸收层带来损害等作用∞］。很多学者和专家对缓冲层的重要性做了论证，结果表明，加缓冲层ＣｄＳ或含ＣｄＳ的ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池与不加时的光电转化率相差４％～６％［９］。本文综述了常用缓冲层材料及缓冲层制备工艺的研究现状，并指出了其存在的问题，展望了其发展方向。＊上海市科技攻关项目（０８１１０５１１６００）；上海市教委重点学科项目（Ｊ５０５０３）王卫兵：男，硕士研究生，主要从事ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池的研究Ｔｅｌ：０２１—５５２７１６９２Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｂ４２１＠１６３．ｃｏｒｎ刘平：男，教授，博士生导师，主要从事金属功能材料的研究和开发万方数据

太阳能晶硅电池发展历程与其关键材料技术

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术前言部分 21世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这两个问题成为了制约经济发展的主要问题。太阳能作为一种清洁、无污染的新能源，早已走进了人们的视野，太阳能发电及光伏产业近来受到了人们的高度重视。太阳能电池是利用光生伏特效应直接把太阳能转换成电能的一种器件。太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，其中硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱。太阳能电池以硅材料为主的主要原因：对太阳能电池材料一般的要求： 1、半导体材料的禁带不能太宽； 2、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，以其它材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。本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍。

主题部分太阳能电池发展历程从发现光伏现象，太阳能电池已经有近170多年的发展历史。1839年法国人发现了光伏现象，38年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有1%的转换效率，作为发电没能推广。1954年美国贝尔实验室的3位科学家才做出具有实用价值的单晶硅电池（%），几年后迅速提升到10%，这时主要用于卫星、航天器（价格太高，每瓦要近2000美圆）。上世纪70年代后，由于化石能源危机（石油、煤炭），再生能源被各国重视，尤其是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从1995年以后，太阳能电池以每年35%的年增长幅度高速发展。价格也大幅度降低（2—4美圆每瓦) 最近5年是世界光伏电池快速增长几年，平均年增长速度超过40%。 2004年全球太阳能电池产量1200MW，2005年产量达到1650MW，比2004年增加38%。转换效率常规生产单晶%、多晶%，实验室达%。由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加上地球硅材料及其丰富，有人预计，太阳能发电21世纪中叶将占整个能源市场的20%-50%。太阳能晶硅电池关键材料技术 ·晶体硅太阳能电池的基本原理晶体硅的发电过程：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，

太阳能电池窗口层的制备及其转换效率的研究

Sustainable Energy可持续能源, 2014, 4, 5-9 Published Online April 2014 in Hans. https://www.360docs.net/doc/0813283632.html,/journal/se https://www.360docs.net/doc/0813283632.html,/10.12677/se.2014.42002 Research on the Preparation and Conversion Efficiency of Solar Cell Window Layer Xiaocong Yang1, Xiuxia Zhang1,2, Xiuli Lou1, Junxia Wen1, Daojie Jiang1 1School of Electronics and Information Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 2School of Instrument Science and Optoelectronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Email: 403061006@https://www.360docs.net/doc/0813283632.html, Received: Apr. 4th, 2014; revised: Apr. 16th, 2014; accepted: Apr. 23rd, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/0813283632.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Nano-diamond slurry was got by mixing with nano-diamond powder, ethyl cellulose and solvent in a certain quality. Then the mixed solvent was dropped on ultra-white glass which fixed on sol-gel glue rejection machine. The machine was set 3000 r/min to get film. At last, nano-diamond film was got by sintering. Sintered glass was treated as the window layer of solar battery, and then the conversion efficiency and the impact factor were tested through the I-V characteristics system. The different solar cells were contrasted and analyzed. So nano-diamond film’s self-cleaning func-tion can be got. What’s more, it can improve the conversion efficiency of the solar cell. Keywords Nano-Diamond, Transparent Film, Solar Cell, Conversion Efficiency 太阳能电池窗口层的制备及其转换效率的研究杨小聪1，张秀霞1,2，娄秀丽1，温俊霞1，江道节1 1北方民族大学电信学院，银川 2合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 Email: 403061006@https://www.360docs.net/doc/0813283632.html,

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的研究及其发展

2010年（第39卷）第3期甘肃科技纵横 CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的研究及其发展赵静，王智平，王克振，冯晶晖（兰州理工大学可再生能源研究院，甘肃兰州730050）摘要：本论述简要介绍了CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的发展，重点阐述了CdS和ZnS缓冲层的研究现状，指出缓冲层的制备工艺上以化学水浴法居多，从成膜机理到工艺参数的优化都做了充分的研究，对真空蒸发法的制备工艺研究则相对较少，而且大部分都集中在蒸发温度、衬底温度和沉积温度对薄膜性能的影响上。最后指出了发展过程中遇到的两个问题：一Cd对环境的污染，二化学水浴法不利于工业化大生产。关键词：CIGS；薄膜电池；缓冲层；CdS薄膜；ZnS薄膜 CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为Al/MgF2/ ZnO/CdS/CIGS/Mo/衬底，并以衬底为支撑。该电池成本低，性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高、光谱响应范围宽、弱光性好，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。不加缓冲层CdS，其转换效率只有7％。如果在ZnO和CIGS之间加上缓冲层CdS，则太阳能电池的转换效率达到11％至13％，缓冲层改善了CIGS太阳能电池的性能[1]。由于缓冲层中含有有毒元素Cd，限制了薄膜太阳能电池的大规模使用；同时其制备工艺通常采用化学水浴法，但制备电池器件需要进出真空室，不利于一次成型，限制了电池的大规模生产。正是由于缓冲层对CIGS薄膜太阳能电池有着重要影响，使得很多学者对它做了深入的研究。 1缓冲层的形成及发展 1974年Bell实验室的Wagner等人[2]采用提拉法制备出了第一块CIS太阳能电池。到了1975年，经过结构改进，电池的光电转换效率为12．5％，这是CIGS 太阳能电池的雏形。1982年Boeing公司采用ZnxCd1－xS代替CdS，电池效率为10％[3]。直到1985年，R．R．Potter等人[4]才研究出了目前这种CIS电池的基本结构，即其中铜铟硒（CIS）为吸收层，CdS为缓冲层，ZnO 为窗口层，这种结构改善了电池的短波响应。薛玉明等人[5]建立异质结模型，得出了形成异质结前后的能带图。蒋方丹等[6]对CdS做为缓冲层的作用和弊端做了分析。认为CdS是非常适合作为CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料，但由于Cd有毒、能隙偏窄、制备工艺不匹配等因素的制约，限制了电池的大规模应用。因此，目前对缓冲层的研究主要集中在薄膜的制备工艺和无镉缓冲层材料方面。2CdS缓冲层及其制备方法 2.1化学水浴法（CBD）化学水浴法是在溶液中利用化学反应在衬底上沉积薄膜的一种技术。因为它成本低、工艺简单、成膜质量好、反应参数易于控制等优点，因此人们从成膜机理到浓度、温度等参数优化上都做了大量的研究。 2.1.1成膜机理的研究周向东等人[7]对成膜机理做了深入的研究，提出CdS薄膜的成核机理是Cd（NH3）42＋先附着在衬底表面形成晶核，然后Cd（NH3）42＋和S2－同晶核作用长大成膜，此时Cd（NH3）42＋在热驱动下变得不稳定，放出氨气，同时Cd2＋同S2－相互作用形成CdS。 2.1.2浓度对CdS薄膜质量影响的研究南开大学的孙云、敖建平等人[8，9]研究了醋酸氨、硫脲的浓度对CdS薄膜晶相、S/Cd原子比、沉积速率的影响。研究表明，增加醋酸氨的浓度有利于立方相的生成，以立方相CdS制备的电池最佳效率可达到12．17％；沉积速率和S/Cd原子比随着醋酸氨、硫脲浓度的增大而增大。李华维等人[10]研究了Cd2＋浓度对薄膜晶相的影响，发现随着Cd2＋浓度（0．002～0．008mol·L－1）增加，沉积速率加快，薄膜晶相由六方相向立方相转变。可见关于对各溶质的不同浓度对CdS薄膜的晶相、沉积速率、S/Cd原子比和形貌的影响都做了研究。2．1．3PH值对CdS薄膜质量影响的研究崔岩等人[11]通过加氨水调节溶液的PH值在8．43～10．09间变化，研究了薄膜的表面形貌、晶体结构、能隙等特征。结果表明，薄膜全为立方晶型，随着pH值的降低，晶粒尺寸逐渐变大，颗粒尺寸逐渐变小，晶粒倾向于沿着立方（111）面择优生长，能隙增大。敖建平资源环境70

(整理)薄膜太阳能电池种类

薄膜太阳能电池种类为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。 GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术，其中 MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷--砷化镓异质结，金属-半导体砷化镓，金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等电池材料也得到了开发。 1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为 24.2%，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外，该研

染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征

实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO 2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。但是TiO 2的禁带宽度为3.2eV ，只能吸收波长小于375nm 的紫外光。为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱范围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL ）的Gratzel 研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell ，简称DSSC ），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO 2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC ，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC 的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。 “染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其图1 Gratzel 研究小组开发的 DSSC

太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。

三种主要的薄膜太阳能电池详解

三种主要的薄膜太阳能电池详解摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术

染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征

实验一染料敏化太阳能电池关键材料的制备与表征在众多新能源中，太阳能因具有清洁、环保、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，被认为是未来最有希望的新能源之一。太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池产业，已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略之一。在众多太阳能电池中，硅基太阳能电池技术最为成熟，但制作工艺复杂、价格昂贵、设备要求较高而不适合开展大学生实验。纳米二氧化钛（TiO2）晶体太阳能电池是最近发展起来的一种新型太阳能电池，其优点在于其低廉的成本、简单的工艺以及相对稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，而制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命却能达到20年以上。但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光。为了使其吸收红移至可见光区，增大对全光谱围的响应，1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）的Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池（Dye 图1 Gratzel研究小组开发的DSSC Sensitized Solar Cell，简称DSSC），它由吸附了染料光敏化剂（过渡金属钌的有机化合物）的纳米TiO2多孔薄膜制成，其光电转换效率可达7.1%。1993年，他将光电转换效率提高到了10%，1998年，该研究组进一步研制出全固态DSSC，使用固体有机空穴传输代替液体电解质，单色光光电转化效率达到33%，引起了全世界的科学家对DSSC的关注。近年来，染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电

解质的研究、以及阴极对DSSC 的影响等方面。 “染料敏化太阳能电池的制备、组装及测试”实验涵盖材料制备实验（水热反应制备TiO 2纳米颗粒、热解法制备Pt 催化剂、丝网印刷技术制备光阳极薄膜、玻璃工操作、材料热处理等）、仪器分析实验（台阶仪测量薄膜厚度、X 射线衍射仪表征材料的结构与成分、扫描电子显微镜观测形貌、紫外-可见吸收光谱测试光谱吸收效果）等多种实验方法。由于实验步骤繁多、周期较长，因此根据其特点分为两部分，第一部分为关键材料的制备与表征；第二部分为器件的组装与测试。本实验为第一部分。下图为实验室制备的DSSC 。 N N N N N N Ru COOH COOH COOH HOOC HOOC COOH N N N N Ru COOH HOOC HOOC COOH N C S N C S N N N Ru COOH HOOC HOOC N C S N C S N C S 图2 实验室制备的使用不同染料敏化剂的DSSC 【实验目的】（1）了解染料敏化太阳能电池的工作原理及性能特点。（2）掌握染料敏化太阳能电池光阳极、对电极等关键材料的制备方法。（3）掌握相关材料的表征方法。【实验原理】染料敏化太阳能电池的结构与工作原理：染料敏化太阳能电池的结构是一种“治”结构，如图1所示，主要由以下几个部分组成：导电玻璃、染料光敏化剂、TiO 2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较《中国组件行业投资前景及策略咨询报告》分析：目前在工业上，硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。为减少硅的消耗量，光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最显然的一种就是转向更薄的硅衬底。现在，用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于200mm，而衬底厚度略小于100mm的技术正在开发中。为使硅有源层薄至5-20 mm，可以在成本较低的硅衬底上淀积硅有源层，这样制得的电池被称为薄膜。为使其具有工业可行性，主要的挑战是在适于大规模生产的工艺中，怎样找到提高效率和降低成本之间的理想平衡。已经存在几种制造硅有源层的技术1，本文将讨论其中的三种。薄膜PV基础第一种技术是制作外延(epitaxial)(图1)，从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始，然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外，这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程，与其它的薄膜技术相比，这种技术更容易在现有工艺线上实现。第二种是基于层转移(layer transfer)的技术，它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层，从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底，从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜，并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池，即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上，比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实，利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm 的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术，将种子层外延生长成几微米厚的吸收层，衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高，而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟，但已经表现出使成本降低的巨大潜力。

晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池专业班级：机械设计制造及其自动化13秋姓名：张正红学号： 1334001250324 报告时间： 2015年12月

晶体硅太阳能电池摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势前言 “开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。

叠层电池总结

叠层太阳能电池小结 1叠层电池概述由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收,转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。叠层a-Si:H太阳电池能提高效率、解决单结电池存在的稳定性问题的原因在于：（1）叠层电池把不同禁带宽度的材料组合在一起，加宽了光谱响应的范围。（2）顶电池的i层较薄（<2000×10-8cm），以致光照后产生的空间电荷对i层电场的调制已不明显，i层中电场强度分布变化不大，仍是高场区，有源区上的这种高电场显然足以把i层中的光生载流子有效抽出，从而阻止光致衰退的发生。（3）底电池产生的光生载流子约为单结电池的一半，底电池的光致衰退效应较小。双结叠层电池通常由宽禁带带隙的顶电池、隧道结和窄带带隙的底电池三部分依次串联而成。为了获得尽可能高的光电转换效率，叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求。叠层电池电流密度一般不同，顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响。设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的重要一环。叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到：一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的作为顶电池，一个则是低带宽的作为底电池。然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。另一种是一体化的方法，先制备出一个完整的太阳能电池，再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。典型叠层电池的结构如图1所示。图1 薄膜非晶/微晶叠层电池结构 2叠层电池的隧道结作为有效地互连两个子电池的过渡结，隧道结应具有高透光率、阻抗小（重掺杂）的特点，且其晶格常量和热膨胀系数与上下层也要求匹配。隧穿结厚度包括非晶顶电池N层的厚度和微晶底电池P层的厚度。在叠层电池p1-i1-n1-p2-i2-n2结构中，n1-p2结特性的好坏对电池特性参数Voc、Isc、FF均有重要影响。因为n1-p2结相对器件内建场为反偏结，任何寄生势垒都将使电池的I-V 特性变坏。因此，为了进一步提高电池的转换效率就需提供一个特性优良的隧道结，要求该

钙钛矿太阳能电池材料

背景在能源紧缺的现代社会，为了维持人类的可持续发展，科学家们一直致力于新能源的研究，其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对象。太阳能电池大家都不陌生，它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉，就是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料，其结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。 2009年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点但它直到2014年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直在显著提升，这是NREL上实验室最高电池效率的图，我们可以看出钙钛矿材料的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。钙钛矿材料被认为是最有可能取代硅晶材料作为太阳能电池的材料概述钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构，其禁带宽度为，因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能够吸收几乎全部的可见光并用于光电转换。如图所示，这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构，由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中电子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线（伏安曲线）的滞后（I-V hysteresis）（通常叫滞后现象或迟滞现象），一般从反向扫描（开路电压－短路电流）得到的曲线比正向扫描（短路电流－开路电压）看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释，目前比较合理的解释是：钙钛矿材料具有很强的铁电性能（ferroelectricity）以及巨大的介电常数，导致电池的低频电容很大，比其他任何一种光伏电池都显著。文献

晶硅太阳能电池的特点和种类

晶体硅太阳能电池的种类及特点太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基本原则。单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅，虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，技术也最为成熟。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熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺已近成熟，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。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％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。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。多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为：(1)可