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19 8月 , 2019  

一个由日本多家研究机构人员组成的研究小组日前宣称,他们开发出的一种三结薄膜硅太阳能电池获得了13.6%的稳定转化效率,成功打破了此前报道的13.44%的世界纪录。研究人员称,如果进行一些合理化改进,其效率可达14%以上。相关论文发表在《应用物理快报》杂志上。

非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,电耗更低,非常吸引人。1997年占世界PV发货量的15%,目前已形成30MW/年的生产规模。针对a-Si电池初始效率较低,且有光致衰退问题,开展了大量深入研究工作。通过减少材料中的Si—H2键、减少O2、N2等杂质沾污,利用H2稀释技术等制备高质量i层;同时优化电池结构设计,采用多带隙叠层结构;既提高了初始效率又提高了其稳定性,目前最好电池的稳定效率达13%。近年来a-Si电池的产业化进程令人瞩目;1997年以来建成和将于1999年建成的生产能45MW/a。

该研究小组由日本最大的几个研究中心抽调的人员组成,其中包括先进工业科学和技术研究所、光伏发电技术研究协会、夏普、松下和三菱。

非晶体硅太阳能电池按材料不同可分为:多晶硅系薄膜太阳能电池、非晶硅系薄膜太阳能电池、碲化镉系薄膜太阳能电池、砷化镓系薄膜太阳能电池、铜铟硒系薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池和染料敏化型太阳能电池等。

AIST研究员佐井田村说,新研究获得了两个重要成果。一是开发出具有先进光捕获能力的薄膜硅太阳能电池;二是在只有4微米厚的微晶吸收层上实现了每平方厘米34.1毫安的光电流密度。

多晶硅薄膜太阳能电池

太阳能电池的效率有多种不同类型,通常不同类型效率之间很难进行直接比较。这个研究使用的是稳定的光电转换效率。

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350-450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积工艺。此外,液相外延法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

佐井田村指出,太阳能电池只要暴露在光照、湿度、温度等条件下,转换效率就会发生一定程度的衰减,因此大多数太阳能电池都通过“初始”效率来进行评价。如果电池是像晶体硅这样的材料,性能上还相对稳定;而如果涉及无定形硅即非晶硅,情况将完全不同,在经过暴晒后其导电性能会显著衰退,这种特性被称为SWE效应。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用
LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ
Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%,日本三菱公司用该法制备电池,效率达16.42%。

许多因素都可能导致光诱导降解硅太阳能电池,一种应对措施是在衬底采用蜂窝结构。此前蜂窝状纹理大多用于单结太阳能电池,其仅由一个半导体材料制成,只吸收一个波长的光。而在新研究中,科学家发现这种结构同样可用于多结太阳能电池,这类电池可以吸收多个波长的光,比单结电池具有更优异的陷光性能。为进一步提高效率,他们还对蜂窝纹理进行了精细的控制,并加入了一种蛾眼结构的防反射膜。

液相外延法的原理是通过将硅熔融在母体里,降低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12.2%。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒,并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池,称之为“硅粒”太阳能电池,但有关性能方面的报道还未见到。

为了作出公正的比较,研究人员对暴露在阳光中一段时间的太阳能电池进行测试。结果表明,这种电池的初始效率可达14.5%,稳定效率也有13.6%。

非晶硅薄膜太阳能电池

尽管刷新了一项新的纪录,研究人员认为该电池还有很大的改进空间,在提高太阳能电池顶部层的性能,并解决光谱失配问题之后,其稳定效率将有望突破14%。

开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和
降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速发展,其实早在70年代初,Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作,近几年它的研制工作得到了迅速发展,目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。

非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料,但由于其光学带隙为1.7eV,
使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰退S一W效应,使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于:

①它把不同禁带宽度的材科组台在一起,提高了光谱的响应范围;

②顶电池的i层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保证i层中的光生载流子抽出;

③底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰退效应减小;

④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等,反应原料气体为H2稀释的SiH4,衬底主要为玻璃及不锈钢片,制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,创下新的记录;第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%,三带隙三叠层电池最高转换效率为13%。
上述最高转换效率是在小面积电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12.5%,日本中央研究院采用一系列新措施,制得的非晶硅电池的转换效率为13.2%。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多,南开大学的耿新华等采用工业用材料,以铝背电极制备出面积为20X20cm2、转换效率为8.28%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池。
非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点,有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

非晶硅太阳电池的制造方法

制造非晶硅太阳电池的方法有多种,最常见的是辉光放电法,还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空,充入氢气或氩气稀释的硅烷,用射频电源加热,使硅烷电离,形成等离子体。由于外解沉积温度低,可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜,易于大面积化(05rn×l.0m),成本较低,多采用pin结构。为提高效率和改善稳定性,有时还制成三层Pin等多层叠层式结构,或是插入一些过渡层。

非晶硅太阳电池的优势:

材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料,如玻璃、不锈钢、塑料等,价格低廉。硅薄膜仅有数千埃厚度,昂责的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺,生产的耗电量小/能量回收时间短。

易于形成大规模生产能力。这是因为:核心工艺适合制作持大面积无结构缺陷的a—Si合金薄膜;只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构;生产可全流程自动化。

品种多,用途广。薄膜的a-Si太阳电池易子实现集成化。器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造,可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高,暗电导、良低,适合作制作室内用的低功耗电源,如手表电池、计算器电池等。由于a—Si膜的硅网结构力学性能结实。适合在柔性的衬底上制作轻型的大“电池”。灵活多样的制造方法,可以制造建筑集成的电池,适合户用屋顶电站的安装。

虽然非晶体硅太阳能电池依然面临着转化效率低、生产投资成本高等问题,但国际上都在不断深入技术研究,其发展前景还是被普遍看好。预计在上游硅材料供应紧张的情况下,到2008年非晶体硅太阳能电池的市场占有率将由目前的10%提高到20%左右。

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来源:ks99

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