薄膜太阳能电池技术 (上篇)

薄膜太阳能电池技术 (上篇)

题图为全太阳能飞机Solar Impulse 2,于去年3月份启动全球飞行计划,于2016年7月26日早上8时成功降落在阿联酋首都阿布扎比机场,完成人类首次太阳能环球飞行壮举。它的机翼上安装了超过1.7万个太阳能电池,以对机身内部的多个电动马达进行供电,并对4个锂离子电池进行充电。(Solar Impulse太阳能飞机开始全球飞行人类首次太阳能环球飞行成功,)

本文偏半导体技术,来自于去年所写的一篇薄膜太阳能电池文献综述,过于具体的技术细节删除后,通过在线翻译及校对将原文翻译为中文分享于此,水平有限,欢迎指正与指导。


主要内容包括:
1.介绍
2.晶体硅太阳电池
3.薄膜太阳能电池技术
1)a-Si∶H薄膜太阳能电池
2)砷化镓太阳能电池
3)碲化镉CdTe,铜铟镓硒CIGS和铜锌锡硫CZTS太阳能电池
4)有机-无机杂化太阳能电池
5)染料敏化太阳能电池
6)钙钛矿太阳能电池
4.结论

---------------------------正文------------------------------------------

来自 National Renewable Energy Laboratory 国家可再生能源实验室 (NREL)的太阳能电池研究进展,包含了各类太阳能电池效率突破的作者/时间信息, 信息更新及时,包含研究机构,商业机构的成果。

1.介绍

图示为薄膜太阳能电池面板Thin Film Solar Panel

由于环境问题,可再生能源正变得越来越重要。太阳能是一种很有发展前途的选择,光伏技术的发展引起了人们的广泛关注。本文综述了薄膜太阳能电池以及传统的太阳能电池基础理论,本质上的差异,挑战和前景。

普遍认为,太阳能,最丰富和取之不尽的能源,是一种很有前途的能源危机的解决方案。太阳能电池被用来吸收太阳能并产生电力并且避免产生环境污染。目前,晶体硅(传统或晶圆为基础的硅)crystalline silicon (conventional or wafer-based Si)太阳能电池占主导地位的太阳能市场的市场份额几乎90%。薄膜为基础的太阳能电池只占约10%的市场份额,但预计将迅速增长。在这篇综述中,各种类型的单结薄膜太阳能电池以及传统的太阳能电池进行了介绍和比较。


通俗来讲,太阳能电池的原理如下:半导体材料组成的二极管 吸收太阳光中的光子能量,将能量传递给电子,电子受到二极管中的内建电场驱动产生移动,形成光电流。光子具有能量,可称之为E_photon,而每种半导体材料都具有一个属性--带隙,可称之为E_gap,可以理解为一个阈值,光子能量E_photon若大于这个阈值E_gap,光子则可被吸收(不过吸收还存在着一个光子吸收率的问题,这是半导体材料的一个属性)。

因此对于E_photon<E_gap的半导体,无法吸收光子形成光电流,对于E_photon>E_gap的半导体则可以吸收。据此可以推断能带E_gap越小则越可以吸收光子来发电,然而最佳能带E_gap的具体情况更为复杂一些,主要是由于量子效应(光子能量/能带的不连续性),过多的光子能量也会转化为无用的热量而降低效率等等原因,在此略过。大致而言,半导体材料的能带E_gap(包括直接或间接能带类型)以及光子吸收率决定了其发电效率。前者决定了光子能不能被吸收(故称为阈值),后者决定了能被吸收的光子里有多少比例能比吸收(故称为吸收率)。

光伏(光伏)能量转换包含两个过程:光吸收和载流子分离(light absorption and carries separation)。基本上,太阳能电池是设计来实现这种转换的二极管。当照射时,能量高于半导体带隙的光子将被太阳能电池吸收。然后,电子-空穴对产生,然后被分离产生直流能量。

只有能量比带隙高的光子可以被半导体吸收,所以较低的带隙意味着更高的光子吸收和更高的JSC(短路电流密度)。然而,多余的能量会以热的形式丢失。此外,较低的带隙也导致较低的开路电压Voc(<Eg/ q)。理论计算表明,单结太阳电池的最佳带隙为约1.4电子伏特,(由详细的平衡极限计算确定)。

2.晶体硅太阳电池

第一代太阳能电池,单晶硅(c-Si)或太阳能电池,传统的太阳能电池,是由晶体硅做成的。晶体硅太阳能电池包括基于单晶硅太阳能电池(单晶硅)和多晶硅(多晶硅)半导体材料。对于太阳能电池,硅具有许多优点,包括无限量,无毒性,长期稳定,成熟的生产,高效率。

晶体硅具有1.12电子伏特的带隙,根据最佳的带隙理论,这个带隙对于高效率转换是好的。然而,由于其间接带隙,硅具有较弱的吸收,因此往往需要较大(至少50微米)的厚度以实现有效的太阳能吸收。通常的晶体硅太阳能电池是基于厚达200微米的硅晶片。其结构和带图如图1(a)。

具体过程如下描述:

具有能量大于禁带宽度的光子被吸收。然后产生电子-空穴对。由于n +区域和过渡区域是相对薄的,大多数的入射光子被吸收在较厚的P基。激发的少数载流子(此处即为电子)扩散到过渡区域。过渡区中的电场强度足够高,因此使大多数的电子在复合前被加速。通过这种方式,形成光电流。

图1。基于不同材料的太阳能电池的结构和能带图

(a)晶硅,(b)非晶硅,(c)砷化镓

非聚光太阳光下的单结太阳电池的理论极限效率为29%,高于最佳的实验室晶体硅太阳能电池(25%)和大面积的商业太阳能电池(24%)。2009年晶体硅太阳能电池达到了25%的效率,开路电压为706 mV,短路电流密度42.7 mA/cm2,填充因子82.8% 。相信26 %的高效晶体硅太阳能电池将在未来几年成为可能。


下篇将详细介绍下述各类薄膜太阳能电池技术:

1)a-Si∶H薄膜太阳能电池
2)砷化镓太阳能电池
3)碲化镉CdTe,铜铟镓硒CIGS和铜锌锡硫CZTS太阳能电池
4)有机-无机杂化太阳能电池
5)染料敏化太阳能电池
6)钙钛矿太阳能电池

编辑于 2016-07-31

文章被以下专栏收录