薄膜太阳能电池的研究探讨

2022-09-11

地球资源匮乏, 科学家们将眼光放在了太阳能电池的研究上。现在普遍运用的是晶体硅太阳能电池, 但是晶体硅由于制作复杂, 很难大规模应用在市场上。薄膜太阳能电池成为科学家们新的研究重点。薄膜太阳能实现光电转换只需要几微米的厚度, 能够大量降低生产成本, 提高光子循环的效率。

一、硅薄膜太阳能电池

提高转化效率和降低生产成本是太阳能电池开发的关键问题。单晶硅太阳能电池制作过程繁琐, 成本非常高, 应用得到了很大的限制。因此, 科学家们研究非晶硅薄膜太阳能以及多晶硅太阳能电池。

1. 非晶硅材料薄膜太阳能电池

非晶硅材料薄膜太阳能电池使用非晶硅半导体, 加入不锈钢、陶瓷、特种塑料、玻璃等材料。可以通过等离子提高化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、反应溅射法的方法制作非晶硅材料薄膜太阳能电池。通过对非晶硅材料进行研究发现, 等离子化学气相沉积法应用最为广泛。

非晶硅薄膜制作成本低, 因此是合适的太阳能电池材料。它的光学带隙和太能光不匹配, 因此降低了非晶硅薄膜太阳能的转化率, 还出现了光照时间越长转化率越低的现象。

2. 多晶硅太阳能电池

多晶硅材料太阳能电池主要通过将多晶硅薄膜放在低成本的衬底材料的方法, 用晶体硅层作为激活层。这种方法最大的好处就是减少了材料的使用量, 降低了生产成本。通常我们采取制作的方法有等离子喷涂法、激光晶化法、固相晶化法、金属诱导晶体法、液相外延法、化学气相沉积法等。通过实际的研究应用发现, 多晶硅电池的转化效率已经接近了单晶硅的转化率。日本三菱公司研发的多晶硅薄膜太阳能转化率达到了16.5%, 德国研制的多晶硅的转化率已经达到了19%。

二、多元化合物薄膜电池

由于硅薄膜太阳能转化效率有限, 因此近年来大量开发了新型无机、多元化合物为主的材料的太阳能电池。

1. Cd Te薄膜太阳能电池

这种电池是多晶薄膜电池的一种, 结构简单, 成本低廉, 可研究性大。Cd Te有自补偿效应, 实用电池多是异质结构, Cd S晶格常数差别小, 与Cd Te结构相同, 经常用作Cd Te电池的窗口材料。Cd Te电池主要有以下的制备技术电化学沉积法、溅射法、真空蒸镀法。这种电池的转化率已经达16.5%, 电池广泛应用在大面积组件产品。科学家已经探讨了大面积生产Cd Te电池的技术, 并且提出室温下刻蚀Cd Te, 制作出背电极低的掺铜浓度是关键。

2. CIS薄膜太阳能电池

CIS是三元化合物, 0.5微米的CIS即可吸收将近百分之九十的太阳能光子, 在实际中, 需要薄薄的一层即可满足需要, 有效的降低了成本。CIS配合上其他元素可以有效的接近太阳光的最好禁带宽度, 是非常实用有前景的太阳能电池材料。调整In/Ga的比值可以有效的转换材料的禁带宽度, 提高转化率。现在实验室已经研究出了19%转化率的CIS太阳能电池。CIS电池最常见的制作方法是电化学沉积法、溅射法、真空蒸镀法, 电沉积法是最常见的方法, 适合工业水平生产。在进行电沉积法操作的时候, 首先使用电沉积方法制备出CIS前驱体, 第二步在将电沉积方法进行热处理。

CIS太阳能电池是被看好的具有发展前景的太阳能电池, 提高转化率、降低成本等问题克服以后, 能够对太阳能电池做出巨大贡献。

三、纳米晶薄膜太阳能电池

1. T i O2太阳能电池

T i O2没有毒性, 价格便宜, 稳定抗腐蚀, 是一种良好的半导体材料。一般的T i O2吸收太阳光能力很低, 进行敏化以后的T i O2能够提高对太阳光的转化率。掺杂质敏化可以用溅射方法掺入N进行T i O2的敏化, 能够拓宽T i O2的吸收光谱。染料敏化也是常见的方法, 利用T i O2纳米晶薄膜的特性, 吸收有机或者无机的材料提高太阳光的转换率。染料敏化成本低廉, 制作简单, 低能耗, 这些优点都符合社会发展的需要。

2. Zn O纳米晶薄膜电池

Zn O同样是宽禁的半导体材料, 制备过程更加简单, 能够有效降低成本, 减少电子的传送时间。在实际中Zn O的转化率很低, 主要是因为Zn O薄膜比表面积小, 能够吸附的染料少。为了提高Zn O的转化率, 进行新的研究, 努力提高Zn O的吸附能力, 主要是低温水热法、电沉积自组装法、机械挤压法、手术刀印刷法等。

3. 有机薄膜太阳能电池

这种电池通过三个程序进行制作: (1) 激发光产生激子; (2) 激子在受体界面分裂; (3) 空穴和电子漂移, 在各自的电极进行收集。目前有机薄膜太阳能电池有三种, 单质结构制作简单, 价格便宜, 但是对于电极依赖太强;双层p-n异质结构运载的电子数量有限, 严重限制了光电转化率;p型-n型是将两种半导体材料混合而制造的材料。有机薄膜电池在开发上仍需要克服很多难关, 提高太阳能的转化率。

总结

薄膜太阳能电池能够很好的缓解地球资源危机, 帮助人类利用太阳能进行日常生活, 为社会的发展提供了前进的动力, 给人类带来巨大的效益。薄膜太阳能电池在研究和生产的过程中还有很多难题, 需要广大的科研工作者继续努力, 降低太阳能电池的成本, 使太阳能电池能够普遍使用, 拓宽禁带宽带, 提高太阳能转化率, 积极研究新材料, 创造更多的太阳能电池。

摘要：近年来, 经济快速发展, 给资源带来极大的挑战。现在地球资源匮乏, 人们迫切渴望研发新能源代替不可再生的自然资源。在众多研究中, 太阳能无疑是人们最好的选择。太阳能电池的研究已经取得了突破性进展, 太阳能电池也进入了人们的生活。现在最常见的晶体硅电池已经投入市场, 但是晶体硅制作艰难, 成本非常高, 很难大规模使用。薄膜太阳能电池的研究成为必然。

关键词：薄膜,太阳能电池,能源