薄膜太阳能电池thin film solar cell).pdf

第八章薄膜太阳能电池 授课教师：黄俊杰 薄膜太阳能电池的种类 非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si) 微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si) CIS/CIGS(铜铟硒化物) CdTe(碲化镉) GaAs Multijuction(多接面砷化镓) 色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell) 有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 太阳能电池市场现况 非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si) 是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n （或 n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由 非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很 强，而且利用溅镀或是化学气相沉积方式生成薄膜的生产方式 成熟且成本低廉，材料成本相对于其他化合物半导体材料也便 宜许多；不过缺点则有转换效率低(约5~7%)，以及会产生严重 的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应 用于小功率的消费性电子产品市场。不过在新一代的非晶硅多 接面太阳能电池(MultijuctionCell)已经能够大幅改善纯非晶 硅太阳电池的缺点，转换效率可提升到6~8%，使用寿命也获得 提升。未來在具有成本低廉的优势之下，仍将是未來薄膜太阳 能电池的主流之一。 数据源：BP 2002 、World Nuclear Association 微晶硅(nc-Si，uc-Si) 微晶硅其实是非晶硅的改良材料，其结构介于非晶硅和晶 体硅之间，主要是在非晶体结构中具有微小的晶体粒子， 因此同时具有非晶硅容易薄膜化，制程便宜的特性，以及 晶体硅吸收光谱广，且不易出现光劣化效应的优点，转换 效率也较高。目前已有将a-Si和nc-Si迭层后制成的薄膜太 阳能电池商品(由日本Sanyo研发成功)，可镀膜在一般窗户 玻璃上，透光的同时仍可发电，因此业界广泛看好将是未 來非晶硅材料薄膜太阳电池的的发展主流。 CIS/CIGS(铜铟硒化物) CIS(CopperIndiumDiselenide)或是 CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都属于化合物半导体。 这两种材料的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转 换效率方面，若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可 达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单 晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积制程上，采用软性塑 料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效 率都已经相当优异，因此被视为是未來最有发展潜 的薄膜太 阳能电池种类之一。 CdTe(碲化镉) CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效率也不差：若使用耐 高温(~600度C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%，而使用不 耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率， 转换效率远优于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄 膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速成膜 技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建 材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效率约11%。不过， 虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污 染性重 属，因此此种材料技术未來发展前景仍有阴影存在。 GaAs Multijuction(多接面砷化镓) 在单晶硅基板上以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜 太阳能电池，因为具有30%以上的高转换效率，很早就被应用 于人造卫星的太阳能电池板。新一代的GaAs多接面(将多层不 同材料迭层)太阳能电池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面电池， 可吸收光谱范围极广，转换效率目前已可高达39%，是转换效 率最高的太阳能电池种类，而且性质稳定，寿命也相当长。不 过此种太阳能电池的价格也极为昂贵，平均每瓦价格可高出多 晶硅太阳能电池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，预 期并不会成为商业生产的主流。 染料敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell) 染料敏化感染料电池是太阳能电池中