能源工學(xué)小論文硅基太陽能電池(編輯修改稿)
2024-07-10 13:04 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 效率已超過 13%。 圖 1 非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu) 圖 2 非晶硅太陽電池組件 非晶硅太陽電池主要是以玻璃、不銹鋼等為襯底的薄膜太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。為減少串聯(lián)電阻，通常用激光器將 TCO膜、非晶硅 (Asi)膜和鋁 (Al)電極膜分別切割成條狀， 如圖 2 所示。 圖 3 非晶硅太陽電池組件結(jié)構(gòu) 圖 4 非晶硅太陽電池制備過程 由于太陽光譜分布較寬，現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料只能在一有限波段轉(zhuǎn)換太陽能量，所以單結(jié)太陽電池不能充分利用太陽能。采用分波段利用太陽能光譜 的疊層電池結(jié)構(gòu)則是比較有效提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法。疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)見圖 3。目前常規(guī)的疊層電池結(jié)構(gòu)包括aSi/aSiGe,aSi/aSi/aSiGe,aSi/aSiGe/aSiGe,aSiC/aSi/aSiGe 等。 圖 4 是非晶硅太陽電池制備方法示意圖，把硅烷 (SiH4)等原料氣體入真空度保持在 10— 1000Pa 的反應(yīng)室中，射頻 (RF)電場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電，原料氣體被分解，在玻璃或者不銹鋼等襯底上形成非晶硅薄膜材料。如果原料氣體中混入硅烷 (B2H6)即能生成 P 型非晶硅 ,混入磷烷 (PH3)即能 生成 N 型非晶硅。為得到性能良好的太陽電池，避免反應(yīng)室內(nèi)壁和電極上殘存的雜質(zhì)摻入到電池中，一般都利用隔離的連續(xù)等離子反應(yīng)制造裝置，即 P,I,N 各層分別在專用的反應(yīng)室內(nèi)沉積。 非晶硅太陽電池應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體如下： （ 1） 材料和制造工藝成本低。 （ 2）易于大規(guī)模生產(chǎn)。 （ 3）具備弱光發(fā)電的性能，該性能使得非晶硅薄膜電池受風(fēng)沙、雨雪等天氣的影響很 小，發(fā)電時(shí)間延長。 （ 4）非晶硅電池工作中不受環(huán)境的影響，而晶體硅電池如果其中一小部分被遮擋，會(huì) 產(chǎn)生孤島效應(yīng)，這將極大的降低整個(gè)組件的功率輸出。 （ 5）具有透光性，而且組件能更好 的融合于建筑，在光伏建筑一體化（ BIPV）上具有 很大的優(yōu)勢(shì)。 非晶硅太陽電池主要缺點(diǎn)有兩個(gè) .一是它的不穩(wěn)定性，即光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，另外光電轉(zhuǎn)換效率也比較低，一般在８％到１０％之間。 對(duì)于 非晶硅 薄膜 太陽電池 的缺點(diǎn)，我們采取的方法 主要是要降低其衰減程度。非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨光照時(shí)間加長而減小，經(jīng) 170~200 ℃溫度 2h，又可恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為 SW 效應(yīng)。非晶硅太陽電池光衰退的主要因素是 I 層的 SW 效應(yīng)。因此要提高非硅太陽電池的穩(wěn)定效率，首先要獲得高穩(wěn)定性的 I 層的 aSi:H 材料。方法如下：采用分室沉積技術(shù)和高真空反應(yīng)室消除雜質(zhì)污染；在制備方法方面分別采用了電子回旋共振化學(xué)氣相沉積 (ECR 一 CVD)、氫根化學(xué)氣相沉積 (HR 一 CVD)、熱絲 (HW)法沉積和三極管系統(tǒng)；在制備工藝方面采用了 H 等離子體化學(xué)退火法、 H2 稀釋法、 He 稀釋法和摻氟法。采用這些制備技術(shù)和制備工藝的主要目的都是為了減少非晶硅膜中的 H 含量和缺陷態(tài)密度，使其形成穩(wěn)定的 SiSi鍵和 SiH鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。比如，用常規(guī) PECVD技術(shù)制備的 aSi:H 膜中含有約 10%的 H，而用化學(xué)退火法制備的 aSi:H 膜的含 H 量小于 9%，用熱絲法制備的 aSi:H 膜的含 H量只有 1%~2% 。 另外與微晶硅結(jié)合生成非晶硅／微晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池也是目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點(diǎn)，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度。 與傳統(tǒng)硅基太陽電池相比較，非晶硅太陽電池穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)換效率在光照下會(huì)衰減，但是制造成本低，在光伏建筑上有極大的優(yōu)勢(shì)；多晶硅膜太陽電池，從制備方法上看，低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低；高溫沉積，能耗高。但是它保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降 ，又明顯地降低了電池成本。 多晶硅 (polySi)薄膜太陽電池 多晶硅薄膜由許多大小不等，具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百納米級(jí)，大顆粒尺寸可達(dá)微米級(jí)。多晶硅薄膜太陽電池保持了晶體硅太陽電池的穩(wěn)定性，大幅度降低了硅料的用量，還可以生長在廉價(jià)的襯底材料上，明顯地降低了電池成本 。多晶硅薄膜電池的研究重點(diǎn)有兩方面，一是電池襯底的選擇，二是制備方法。 對(duì)于襯底的選擇： (1)非硅襯底多晶硅薄膜太陽電池 非硅襯底可以大幅度降低成本，但是所獲得的多晶硅薄膜晶粒較小，工藝要求比較高。圖 4 所示的日本 Kaneka 公司的 STAR 太陽電池就屬于這類電池。它利用 CVD 技術(shù)在玻璃襯底上生長 2nm 厚的非晶硅薄膜，然后在氫原子氣氛中進(jìn)行重結(jié)晶，不斷重復(fù)上述過程，直到底層完全晶化，再在已晶化的底層上沉積多晶硅薄膜。 STAR 太陽電池的效率達(dá)到10． 1％。當(dāng)硅薄膜通過熱 CVD 沉積到非硅襯底上時(shí) , 得到的顆粒通常非常小 , 大約在幾個(gè)微米左右。為了得到較大顆粒的硅薄膜 , 需要將細(xì)小顆粒轉(zhuǎn)化成較大顆粒 , 硅薄膜通常要經(jīng)加熱熔化后再冷卻過程即液相晶化過程來增大薄膜顆粒。由于此過程溫度要超過硅的熔點(diǎn)1435 ℃ , 該過 程對(duì)襯底的熱膨脹系數(shù)有相當(dāng)高的要求。適宜的襯底僅有極少數(shù) , 如耐高溫的石墨片 , 重?fù)诫s的硅帶 , 某些陶瓷材料如 SiC, SiAlON 等。由于這些襯底通常含有較多的雜質(zhì) , 為防止在高溫下雜質(zhì)向活性層擴(kuò)散 , 需要在襯底和活性層之間有大于 1μ m 厚的有效阻擋層 。 應(yīng)當(dāng)指出的是 , 這些在電池制作過程中額外增加的過程是否能符合最初低成本材料這一目標(biāo)是需要考慮的。另外一個(gè)制約因素就是再結(jié)晶的速度 , 再結(jié)晶速度如果過快 ,則薄膜缺陷態(tài)密度大大提高 , 如何
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