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do i: 10. 3969/ j. issn 0253 9608. 2010. 03. 006
Chinese J o ur nal of N atur e
Vo l. 32 No . 3
薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势
赵颖戴松元孙云! 冯良桓?
教授, 中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031; ! 教授, 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所, 天津 300071; ?教授, 四川大学材料科学与工程学院, 成都 610064
关键词硅基薄膜太阳电池
碲化镉薄膜太阳电池
铜铟镓硒薄膜太阳电池
染料敏化太阳电池
笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述, 包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化合物薄膜太阳电池、以及染料敏化电池等, 对每种技术分别从国内外研究现状以及产业化状况进行介绍。光照时存在 S W 效应, 使得非晶硅电池呈现光致衰退现
前
言
象。此外, 非晶硅材料带隙较宽, 难以吸收 700 nm 波长以上的光, 限制了其对太阳光的利用率。相较于非晶硅, 其它两种材料带隙较窄, 可更充分吸收长波长的光。特别是微晶硅材料, 被认为是一种非晶与微晶硅颗粒组成的混合相材料, 其带隙调变可以通过制备过程中的氢稀释比调整实现, 最低可接近单晶硅的 1. 1 eV, 因此, 微晶硅材料制备不会带来额外的工艺复杂性, 与现有的非晶硅技术兼容性更好。而且微晶硅材料稳定性高, 微晶硅电池基本无衰退; 所以, 微晶硅材料更加具有应用潜力。为充分利用太阳光谱, 将不同带隙的硅基薄膜组合, 形成多结叠层结构。如图 1 所示, 采用非晶硅/ 微晶硅叠层电池相对于非晶硅电池而言, 具有两方面优点: 一是拓宽电池长波光谱响应, 提高太阳光的利用率; 二是降低了较不稳定的非晶硅顶电池厚度, 有利于提高整体稳定性。因此, 国际公认非晶硅/ 微晶硅叠层太阳电池是硅薄膜电池的下一代技术, 是实现高效、低成本薄膜太阳电池的重要技术途径, 是薄膜电池新的产业化发展方向。
目前市场上应用的太阳电池仍以单晶硅/ 多晶硅电池为主, 但薄膜太阳电池被公认为未来太阳电池发展的主要方向, 并已成为国际上研究最多的太阳电池技术之一。这是因为薄膜太阳电池具有生产制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产等突出优势。它另外一
个特点是可被制成柔性可卷曲形状, 这使得其应用环境更加广泛, 例如在建筑光伏一体化、荒漠电站等领域均具有广阔的应用前景。近些年来, 薄膜电池技术发展迅速, 部分技术已经实现大规模生产。中国在薄膜电池基础研究方面已经取得了较大进展, 部分成果已经达到, 为大规模产业化打下了良好的基础。目前, 中国的研究机构与产业界正密切合作, 积极进行薄膜太阳电池的中试或产业化技术与设备的攻关。目前, 主流的薄膜太阳电池技术包括硅基薄膜电池、化合物电池、染料敏化电池等。本文针对上述薄膜电池的研究现状以及产业化情况进行介绍。
薄膜太阳电池进展
1 硅基薄膜太阳电池
1. 1 研究进展按照硅基薄膜太阳电池本征层采用的材料, 可以将其分为三种类型, 即非晶硅电池、微晶硅电池以及硅锗合金电池等[1] 。其中非晶硅电池技术发展最早, 目前已经比较成熟, 已实现大规模生产技术。但是非晶硅材料在
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图 1 非晶硅和微晶硅材料光谱响应曲线
目前, 底电池技术主要分为硅锗合金电池或微晶硅电池两个方向, 前者的代表研究机构为美国联合太阳能公司
自然杂志
第 32 卷第 3 期
专题综述
究机构则采用微晶硅底电池技术。表 1 中所列为上述研究机构的代表性成果, 这些成果代表了其所在领域的最高水平。
( USSC) ; 而以瑞士微技术研究所( IM T) 、德国余利希光伏研究所( J lich IPV 5 ) 、及日本先进技术研究中心以( NAIST)
[2, 3]
、荷兰乌特勒支大学( Utrecht) 为代表的众多研
表1 时间 2010 2009 2009 2009 2009 2008 2009 初始效率( 稳定效率) ( 12. 52% ) 12. 83% 8. 3% 6. 3% 6. 4% 8. 2% 8. 8% 10% ( 9. 47% ) 11. 7% 11. 5% 10% 9. 5% ~ 8. 2% 10. 7% ( 9. 3% ) 13. 5%
国际硅基薄膜电池主要研究单位及成果沉积速率 1~