薄膜太阳能的研究进展

1、薄膜太阳能电池的研究进展 学 院 名 称： 化学工程学院 专 业 名 称： 应用化学 学 生 姓 名： 孙洋洋 学 生 学 号： 201621509008 指 导 教 师： 韩恩山 2016年 11 月 08 日摘 要太阳能电池是一种绿色、高效的新型能源转化设备，而薄膜太阳能电池则是其中研究前景较好、成本较低的新型光伏器件。相比于市面技术较成熟的单晶硅太阳能电池，薄膜太阳能电池有许多优点。主要介绍了硅薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和无机化合物薄膜太阳能电池和染料敏化（二氧化钛、氧化锌)等的研究现状，比较他们各自的优缺点并展望了它们的前景。关键词：薄膜太阳能电池；硅；有机；无机化合物Abstruct Solar cell is a kind of green and effect new energy conversion equipment,while the thin film solar cell is the one of good prospects for research and lower cost novel photovoltaic device.Compared

2、 with the mature silicon solar cells,which the technology is more mature,the thin solar cell have lots of advantages.We mainly introduce the research status of Si thin solar cell,organic thin solar cell and inorganic thin solar cell,compared their respective advantages and disadvantages and also prospect their future.Key words：Thin solar cell ; Si ; organic; inorganic chemical compound1 引言目前，全球能源危机和环境危机使人们迫切需要一种绿色、高效的可再生能源。太阳能作为清洁的可再生能源，具有其他能源不可比拟的优势。而太阳能电池是人们利用和转化太阳能最直接和有效的形式，因此太阳能电池的研究受到更大的关注并

3、得到了迅猛的发展。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两大类，晶体硅电池包括单晶硅电池和多晶硅电池，而薄膜电池包括非晶硅电池和合金薄膜电池。目前，太阳能电池已经得到广泛应用并得到商品化。商品化的太阳能电池以单晶硅电池的光电转换效率最高，技术也最为成熟。但美中不足的是其成本较高，对材料纯度、制备工艺等都有很严格的要求，因此很难做到对单晶硅电池转化率和成本的进一步优化。薄膜太阳能电池仅仅需要几m的厚度就能将太阳能转化为电能，具有晶体硅电池不可比拟的优势，主要包括：（1）材料消耗少，薄膜太阳能电池仅需要极薄的光电转化材料；（2）制造能耗低，薄膜太阳能电池使用化学气相沉积（CVD）和物理化学气相沉积（PCVD）等多种技术，与晶体硅电池的高耗能的晶体拉制、切割工艺相比较，制造能耗大大降低；（3）质量轻，薄膜太阳能电池结构质量轻、转换效率高、制备材料为软性，便于折叠携带、应用空间弹性大。本文通过对薄膜太阳能电池的研究现状的综述，主要介绍了硅薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和无机化合物薄膜太阳能电池，对其前景和发展趋势进行展望。2 硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池主要分为非晶硅、微晶硅和多晶硅薄

4、膜太阳能电池。薄膜硅太阳能电池的出现（硅膜厚度约50m），相比于晶体硅太阳能电池而言所用硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的应用成本。2.1 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜成本低，便于大规模生产，但光学带隙（1.7eV）与太阳光光谱不匹配，转化效率受到限制，并且光照效率随着光照时间的增加而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应。1非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料在玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底制备的一种薄膜电池，是目前公认的环保性能最好的太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池具有以下优点：质量轻且光吸收系数高，开路电压高抗辐射性能好，耐高温，制备工艺和设备简单，能耗少，可以淀积在任何衬底上且淀积温度低、时间短，适于大批量生产。但与此同时，非晶硅材料也存在着不足：光学禁带宽度1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，从而限制了其光电转换效率。同时其光电转换效率随着光照时间的延长而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能很不稳定。近年来，国内外对其研究主要在于提高光电转换效率和光致稳定性，并得到了一些改进的方法，主要是：采用不同带隙的多结叠层；降低表面

5、光反射；使用更薄的i层等方法。经过多年的研究和努力，使得非晶硅太阳能电池的光致衰减率从30%降到了15%，同时光电转换效率也得到了很大程度的提高。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法主要包括反应溅射法、低压化学气相沉积法（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）和热丝化学气相沉积法（HWCVD）。为生产高质量的非晶硅，对非晶硅的制备方法也进行了研究和改善，等离子体化学气相沉积法特别是RF辉光放点法已经得到广泛应用，2并提出了H2稀释PECVD法。非晶硅薄膜的成本低，所以是一种很好的太阳能电池材料，同时也存在上述的不足之处，但通过反应原料气H2稀释SiH4在不同衬底上制成的非晶硅薄膜经过不同电池工艺，分别得到单结电池和层叠电池可以得到解决。Sang-Kyun Kim等3利用H2稀释PECVD法在低纯度硅片上制备出a-SiH/c-Si异结质太阳能电池，其转化效率达到12.5%。非晶硅太阳能电池具有高的光电转换效率，但光疲劳效应严重制约了其发展。西班牙巴塞罗那大学的Villar.F等3在温度低于150的条件下利用HWCVD方法准备出转换效率为4.6%的非晶硅薄膜光电池。日本MHI制成

6、了世界上面积最大的高效非晶硅薄膜太阳能电池，其转换率达到8%。4目前，稳定的单结非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率最高达9.5%。5如果能解决非晶硅薄膜太阳能电池的稳定性差和转换效率低等问题，则其将在未来光伏产业中发挥越来越重要的作用。2.2 微晶硅薄膜太阳能电池微晶硅薄膜太阳能电池的制备技术能与现有的非晶硅薄膜太阳能电池的制备技术兼容，而且微晶硅薄膜太阳能电池几乎不存在光致衰退效应。但微晶硅薄膜太阳能电池的吸收系数低、沉积速率较慢、带隙较窄。6微晶硅薄膜太阳能电池具有过渡层结构，稳定性好，转化效率高，S-W效应相对较弱。Y.Sobajima等7在高压沉积的条件下是的微晶硅的沉积速率达到8.1nm/s，光电转化效率也达到了8.3%。德国的T.Chen等8采用HWCVD法制备了厚度仅为1m、转换效率到达8.0%的微晶硅薄膜太阳能电池。V.Smirnov等9使串联的微晶硅薄膜太阳能电池的转换效率提高到了11.3%。Finger等10采用热丝化学气相沉淀（HWCVD）技术制备微晶硅单质结太阳能电池的过渡层，其转换效率到达10.3%。目前，微晶硅薄膜太阳能电池的沉积速率都还不是很快。因此，提高微晶

7、硅薄膜太阳能电池的沉积速率将是未来的一个研究方向。2.3 多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池在长波段具有高的光敏性，能有效吸收可见光，且具有与硅晶体薄膜太阳能电池相同的稳定性。一般商用多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率在12%-14%。同时，材料制备工艺相对简单，无S-W效应，但成本依然很高。为了获得大尺寸的多晶硅薄膜，人们一直在研究，并提出了很多方法，如PECVD、LPCVD、HWCVD、快速热化学气相沉积法（RTCVD）、液相外延法（LPE）、溅射沉积法、金属诱导晶体法等SONY公司用多孔硅分离技术制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率达到12.5%；11德国Gall.S等12认为以玻璃为衬底制备出来的多晶硅薄膜太阳能电池具备光电转换效率达到15%的潜力。北京太阳能研究所在重掺杂抛光单晶硅衬底上制备出的多晶硅薄膜电池的效率达到13.6%。13德国费来堡太阳能研究所采用区熔再结晶技术制得的多晶硅电池的转换效率达19%。13多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本材料衬底上，用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大

8、幅度下降，成本明显降低。3 有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体薄膜结合在一起制成的，具有面积大14、易加工15、毒性小、成本低16的特点。到目前为止聚合物半导体材料主要是P3HT:PCBM，因为它化学稳定性、结晶度、吸光能力和载流子迁移性很适合于制作太阳能电池。此种电池的结构一般是在涂覆透明导电电极ITO的PET上涂覆ZnO电子运输层，银作为背电极。P3HT:PCBM聚合物太阳能电池被认为是低成本获得太阳能电力的器件，它可以采用非真空全溶液制备法，在柔性衬底上大面积印刷电池，因此电池的成本得到大幅度降低。尽管聚合物电池的转换效率较低，但具有很大的发展潜力。有机薄膜太阳能电池的工作过程包括：（1）光激发产生光激子；（2）激子在给/受体（D/T）界面分裂；（3）电子和空穴的漂移及其在各自电极上的收集。17有机薄膜太阳能电池质量轻、柔韧易加工、成本低并可大面积制备。在实验特定研究条件下有机薄膜太阳能电池的转换效率达到9.5%。18Hunag等19合成了水溶性啉-二噻吩并噻吩共聚物I、IIa和IIb。薄膜态 I 在 563619nm有两个弱的 Q 带吸收，而薄膜态b在760

9、nm有一个强的 Q带吸收。b的场效应空穴迁移率高达2.1104cm2V1s1。王藜等20以PC70BM取代PC60BM作为电子受体材料，以MEH-PPV为电子给体材料，制成了本体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池。其转换效率为3.4%。Kitazawa 等21合成了光学带隙和HOMO能级分别为1.95和5.37eV的喹啉基 共轭给体聚合物NP7，并以其为给体，以PCBM为受体组装了BHJ太阳能电池，其转换效率高达5.5%。Shibano 等22将各种电子给体氨基引入到苝四羧酸衍生物( PTCs )的苝核中，研究其在有机太阳能电池中的潜在应用。有机薄膜太阳能电池主要有单层结构的肖特基电池、双层p-n异质结电池以及P型和N型半导体网络互穿结构的体相异质结电池。目前制作有机半导体层材料主要采取的方法有真空技术(真空镀膜溅射和分子束外延生长技术)、溶液处理成膜技术(电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技术等)和单晶技术(电化学法、气相法和扩散法)。虽然有机薄膜太阳能电池有着很多优点,但由于处于研发初期,再加上激子结合能大、电子迁移率低,从而导致光电转化效率低且寿命短等缺点。所以以后的研究方向是提高材料的电导率、成膜技术、器件工艺制作水平和开发新的材料等。4 无机化合物薄膜太阳能电池新型无机多元化合物薄膜太阳能电池材料主要包括砷化镓( GaAs )III-V族化合物、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)及铜铟硒（CIS）薄膜电池等。4.1 砷化镓薄膜太阳能电池GaAs化合物具有理想的光学带隙及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合加工高效单结电池，但其材料价格不菲，在很大程度上限制了GaAs电池的普及。研究发现其表面复合速率很

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