薄膜太阳能电池技术 (下篇)

薄膜太阳能电池技术 (下篇)

本文为 zhuanlan.zhihu.com/p/21 续篇.


题图为全太阳能飞机Solar Impulse 2,于2015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

3.薄膜太阳能电池技术

薄膜太阳能电池技术技术有助于显著减少太阳能电池的成本,因为薄膜太阳能电池是通过沉积在基板上的薄膜实现的。虽然传统的太阳能电池的厚度仅几百微米厚,但是薄膜太阳能电池只需要几微米厚的材料即可。由于高吞吐量的制作过程和更少的材料,其制造成本可以低很多。

目前,主要的薄膜太阳能电池是基于非晶硅(a-Si∶H),碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CIS),铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓(GaAs),和铜锌锡硫(CZTS),有机材料,有机/无机杂化等在。

1) 非晶硅太阳能电池

计算器中常见的非晶硅(a-Si)太阳能电池.

非晶硅(a-Si太阳能电池或a-Si∶H)已经在消费产品使用超过了30年的,如计算器等。非晶硅太阳能电池的典型结构如图1(b)所示。通常情况下,非晶硅太阳能电池的厚度仅为几微米或更小。这种太阳能电池采用p-i-n结,即在n+层和p+层之间加入一层本征半导体材料。本征半导体材料层较厚,所以大多数的光子在这里被吸收。整个本征区域内的内建电场增强了电子和空穴的加速,从而提高了收集效率。顶面常覆有透明导电氧化物(TCO),和金属接触作为背触点。 非晶硅(a-Si)是直接带隙半导体,其带隙约为1.75 eV。与单晶硅相比,非晶硅具有较高的吸收率但糟糕的输运性质(transport properties)。因此,其效率被载流子复合所降低。虽然非晶硅太阳能电池的效率已经达到16%,但最关键的问题是它们的稳定性(Staebler Wronski效应) 。具有16.1%的初始效率以及13.4%的后期稳定效率的非晶硅太阳能电池,已经在一个小面积的三结太阳能电池上成功实现,其参数为1.96 V开路电压,短路电流密度9.52 mA/cm2,填充因子71.92% 。


虽然非晶硅太阳能电池的可靠性已经在过去20年得到了提高,且其具有低成本的优势,非晶硅太阳能电池仍然未能击败太阳电池的主要原因是由于其较低的效率和可靠性。进一步的研究以提高其恶劣环境中的可靠性也是必要的。

2) 砷化镓太阳能电池

砷化镓其带隙为1.4电子伏特,对于一个单结太阳电池这是几乎是最佳的带隙。GaAs太阳电池的结构如图1(c)所示。n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs太阳能电池是这样的太阳能电池的代表。通常,GaAs太阳能电池通过在表面覆盖薄的薄的钝化GaAlAs层来利用异质面结构。由于其较大的带隙,顶层(或Windows层)防止电子在表面复合,同时允许光子的通过。顶层一般与吸收层达到晶格匹配 。

▲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

砷化镓太阳能电池的工作原理与晶体硅太阳电池的工作原理相似。实质上的区别是,GaAs太阳能电池是基于薄膜基板和更有效的吸收层-砷化镓层。(GaAs单结薄膜太阳能电池)已达到约30%的效率,其他参数开路电压 1.122V,短路电流密度29.68mA/cm2,填充因子86.5% 。虽然砷化镓太阳能电池具有优异的性能,但是其大规模部署太过昂贵,故通常用于特殊应用,例如空间电子。

3) 碲化镉CdTe,铜铟镓硒CIGS和铜锌锡硫CZTS太阳能电池

▲ IBM与日本薄膜太阳能Solar Frontier公司在CZTS薄膜太阳能电池效率上取得突破 (credit: IBM Research)

CZTS太阳能电池的结构和能带示意图如图2所示。然而,该图也适用于具有相似结构和工作原理的CdTe和CIGS太阳能电池。主要的区别在于吸收层材料。铜铟镓硒,碲化镉和CZTS是具有高吸收系数的直接带隙材料。具体来说,CdTe具有1.45 eV能隙和10e5 cm-1左右的光吸收率。CIGS具有可调带隙,可调范围从1到1.7 eV 。CZTS有相似的优异性能,将在后面讨论。

▲图2。(一)CIGS / CZTS太阳能电池基本器件结构;(b)CZTS太阳能电池的能带图。

碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)是用于第二代太阳能电池的最流行的材料。学者们已经对这些太阳电池进行了深入的研究,并且得到了良好的成果。高效率(>20%)和良好的稳定性是CIGS和CdTe太阳电池的优点。然而,镉是一种有毒元素,而铟和镓是昂贵和稀缺的地壳元素,找寻其替代品十分必要。由于这些顾虑,CZTS成为一个有希望的代替选择。作为一个优秀的p型吸收材料,CZTS具有一个最佳的约1.5eV的直接带隙,且在可见光波长范围内的高吸收系数(10e4 cm-1) ,,。其可调谐带隙可从1(Cu2ZnSnSe4)调到1.5 eV(CZTS)。相比于CIGS和CdTe,CZTS的优势是其所有元素都是低成本的,毒性低,且在地壳内分布丰富。

▲ CIS(Copper Indium Selenide)和CZTS(Copper zinc tin sulfide)所用元素在地壳内分布。其中tin和Indium 较为稀缺。

然而,由于研究较为有限,CZTS太阳能电池的效率仍比CIGS和CdTe太阳电池低很多。现在CZTS效率只有12%,而对CZTS的原子和电子结构的知识目前还是远远不够的。提高CZTS太阳能电池效率的关键是对其结构特征的系统性研究 ,更多的研究正集中于其热力学稳定性和形成机理分析。 三种结构已在CZTS和CZTSe被发现,发现包括kesterite, stannite, or primitive mixed Cu-Au (PMCA) 晶体结构(如图3所示)。一种新的结构,部分无序的KS (PD-KS)结构,也在近期被发现。

▲图3。CZTS 的Kesterite, stannite, 和PMCA 结构。CZTSe 结构可通过替换S原子为Se原子获得。 .

4) 有机-无机杂化太阳能电池

▲有机太阳能电池(www2.imec.be/content/us

大多数太阳能电池都是以无机材料为基础的,现在设计有机太阳能电池已经可以实现。有机材料可以采用低成本的方法生产,但其效率仍然远远落后于无机太阳能电池。一个有机太阳能电池的方案如图4所示。在有机太阳能电池中,异质结是由一个供体和一个受体类型的有机材料组成的。光子由有机材料吸收,然后产生一个激子(静电耦合的电子-空穴对)。当激子扩散到施主-受主界面后,电子和空穴分离。整个过程如图4所示。在有机材料,最高占据分子轨道(HOMO)概念和最低未占据分子轨道(LUMO),类似的半导体中价带和导带 。


▲图4。一种有机太阳能电池的示意图。
有机或混合太阳能电池的定义略有不同,但它们都是基于有机材料。此处,本文将介绍两个代表–染料敏化太阳能电池(DSSC)和钙钛矿太阳能电池(PSC)。

5) 染料敏化太阳能电池

▲染料敏化太阳能电池 (greendiary.com/good-bad)


染料敏化太阳能电池被认为是有机的或混合型太阳能电池的一个重要例子。染料敏化太阳能电池的结构和能带图如图5所示。在这种太阳能电池中,一个单层的电荷转移染料连接到介孔氧化物层(二氧化钛纳米粒子的带隙为3.2电子伏特)。当一个光子被染料分子吸收时,基态的电子将被激发到激发态。然后激发的电子转移到电子受体(TiO2),基态的空穴从电子给体处(氧化还原电解质)得到补充。所产生的电压对应于介孔二氧化钛层的费米能级和电解质的氧化还原电位之间的差异。

▲图5。染料敏化太阳能电池结构及工作原理示意图。

6) 钙钛矿太阳能电池

▲ 采用钙钛矿太阳能电池的无人机(electricvehiclesresearch.com


▲钙钛矿太阳能电池及钙钛矿分子结构示意图(mpip-mainz.mpg.de/34927

第一个钙钛矿太阳能电池(PSC)的开发是在2009,其效率为3.8%。在过去的六年中已经看到了钙钛矿太阳能电池的快速增长。由于制作方便,原料来源充足,效率高,钙钛矿太阳能电池显示出一些优势。
钙钛矿太阳能电池是基于一种具有与CaTiO3相似结构的材料。目前,钙钛矿太阳能电池的研究主要集中在两种结构上,基于PSM的介观金属氧化物(或基于钙钛矿的染料敏化太阳能电池DSSC)和基于平面异质结的PSC。平面异质结PSCs利用钙钛矿结构的多功能性,因为钙钛矿材料可以作为电子和空穴导体。基于钙钛矿太阳能电池的能带图如图6所示,可以看到工作原理类似于染料敏化太阳能电池。

▲图6。CH3NH3PbI3/TiO2异质结太阳能电池结构示意图及能带图
在一般情况下,钙钛矿太阳能电池效率达到了14.5至19.3%。虽然钙钛矿太阳能电池仍处于早期研究阶段,部分产品已显示出良好的稳定性。一个运行单元(在最大功率的照明下)在45°C环境下,在500小时的运行后其效率下降率小于20%。
虽然钙钛矿太阳能电池在短时间内达到较高的效率,其物理基础尚未明确,钙钛矿太阳能电池的另一个挑战是寻找重金属元素的替代元素。


结论

总而言之,晶体硅太阳能电池具有高的效率和非常高的可靠性,这些已被市场证明。一般来说,薄膜太阳能电池具有比晶体硅太阳能电池更低的效率。砷化镓薄膜太阳能电池有很高的效率,但成本是非常高的。不同的薄膜太阳能电池表现出不同的可靠性水平。例如,非晶硅太阳能电池,虽然具有成本低的优势,受到Staebler Wronski效应,无法超过晶体硅太阳能电池。对新型薄膜太阳能电池,如钙钛矿型太阳能电池,目前只有较为有限的研究,但初步结果显示了其有前途的可靠性。其他薄膜太阳能电池原型,例如砷化镓,铜铟镓硒,碲化镉,和CZTS,具有良好的可靠性的原型产品已经制造出来,但商业模块的可靠性仍然存在问题,有待市场的检验。改进制造工艺、并降低生产成本,且保持可靠性是其成功的关键。

从光伏技术的发展,我们可以看到其已经取得了很大的进步,特别是在过去的几年里。晶体硅太阳能电池由于其生产成本低、效率高、可靠性高,仍将在一定时间内占据市场主导地位。现在,薄膜太阳能电池提供了更多的选择,具有一定的优势。由于许多薄膜太阳能电池的原型产品表现出了优异的性能和稳定性,因此有理由相信开发出具有类似的性能,且低成本的商业产品是可能的。目前,新技术被持续应用以提高薄膜太阳能电池的性能。随着对环境关注度的上升,对经济稳定性和可持续发展的考量,我们相信,薄膜太阳能电池,特别是那些避免危险或罕见的元素的薄膜太阳能电池,在不久的将来是可能成功的。
发布于 2016-08-03

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