薄膜太阳能电池的分类与发展历史

薄膜太阳能电池种类
为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓 III- V 族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。
上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓 III- V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。
砷化镓太阳能电池
GaAs 属于 III- V 族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在 250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约 30%，特别适合做高温聚光太阳电池。
砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为 4—6 英寸，比硅晶圆的 12 英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品 IC 成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的 MOCVD，一种是物理的 MBE。GaAs 等 III- V 化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE 和 LPE 技术，其中 MOVPE 方法制备 GaAs 薄膜电池受衬底位错，反应压力，III- V 比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或 MOCVD 技术制备。用 GaAs 作衬底的光电池效率高达 29.5%(一般在 19.5% 左右)，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD 技术异质外延方法制造 GaAs 电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓，多晶砷化镓，镓铝砷 – 砷化镓异质结，金属 - 半导体砷化镓，金属 – 绝缘体 – 半导体砷化镓太阳电池等。
砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。除 GaAs 外，其它 III- V 化合物如 Gasb，GaInP 等电池材料也得到了开发。
1998 年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的 GaAs 太阳能电池转换效率为 24.2%，为欧洲记录。首次制备的 GaInP 电池转换效率为 14.7%。另外，该研究所还采用堆叠结构制备 GaAs，Gasb 电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs 作为上电池，下电池用的是 Gasb，所得到的电池效率达到 31.1%。
砷化镓(GaAs)III- V 化合物电池的转换效率可达 28%，GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是 GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs 电池的普及。
铜铟硒电池
铜铟硒 CuInSe2 简称 CIC.CIS 材料的能降为 1.leV，适于太阳光的光电转换，另外，CIS 薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS 用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。
CIS 电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜，铟和硒，硒化法是使用 H2Se 叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的 CIS。CIS 薄膜电池从 80 年代最初 8% 的转换效率发展到目前的 15% 左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的 CIS 电池，其光电转换效率为 15.3%(面积 1cm2)。1995 年美国可再生能源研究室研制出转换效率 17.l% 的 CIS 太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到 2000 年 CIS 电池的转换效率将达到 20%，相当于多晶硅太阳能电池。CIS 作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉，性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
碲化镉太阳能电池
CdTe 是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙 1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的 PV 材料，具有很高的理论效率（28%），性能很稳定，一直被光伏界看重，是技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe 薄膜太阳电池通常以 CdS /CdT e 异质结为基础。尽管 CdS 和 CdTe 和晶格常数相差 10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制成的太阳电池的填充因子高达 F F =0.75。
制备 CdTe 多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来，如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等。丝网印刷烧结法：由含 CdTe、CdS 浆料进行丝网印刷 CdTe、CdS 膜，然后在 600～700℃可控气氛下进行热处理 1h 得大晶粒薄膜. 近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度 500～600℃，沉积速率 10μm/min. 真空蒸发法：将 CdTe 从约 700℃加热钳埚中升华，冷凝在 300～400℃衬底上，典型沉积速率 1nm/s. 以 CdTe 吸收层，CdS 作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射膜 / 玻璃 /（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/ 背电极。电池的实验室效率不断攀升，最近突 16%。20 世纪 90 年代初，CdTe 电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在 1% 左右。商业化电池效率平均为 8%-10%。
人们认为，CdTe 薄膜太阳电池是太阳能电池中最容易制造的，因而它向商品化进展最快。提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化，适当减薄窗口层 CdS 的厚度，可减少入射光的损失，从而增加电池短波响应以提高短路电流密度，较高转换效率的 CdTe 电池就采用了较薄的 CdS 窗口层而创了最高纪录。要降低成本，就必须将 CdTe 的沉积温度降到 550 ℃以下，以适于廉价的玻璃作衬底；实验室成果走向产业，必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程。近年来，不仅有许多国家的研究小组已经能够在低衬底温度下制造出转换效率 12% 以上的 CdTe 太阳电池，而且在大面积组件方面取得了可喜的进展，许多公司正在进行 CdTe 薄膜太阳电池的中试和生产厂的建设。有的已经投产。
在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的 CdTe 薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1998 年美国的 CdTe 电池产量就为 0.2MW，目前，美国高尔登光学公司 (Golden Photo)在 CdTe 薄膜电池的生产能力为 2MW，日本的 CdTe 电池产量为 2.0MW。德国 ANTEC 公司将在 Rudisleben 建成一家年产 10MW 的 CdTe 薄膜太阳电池组件生产厂，预计其生产成本将会低于＄1.4/W。该组件不但性能优良，而且生产工艺先进，使得该光伏组件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓宽了应用面，又可取代某些建筑材料而使电池成本进一步降低。BP Solar 公司计划在 Fairfield 生产 CdTe 薄膜太阳电池。而 Solar Cells 公司也将进一步扩大 CdTe 薄膜太阳电池生产。
CdTe 薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于 1993 年用升华法在 1cm2 面积上做出效率为 15.8 % 的太阳电池，随后，日本 Matsushita Battery 报道了 CdTe 基电池以 CdTe 作吸收层，CdS 作窗口层的 n -CdS/ P – CdTe 半导体异质结电池，其典型结构为 MgF2/ 玻璃 / SnO2:F/ n-CdS/ P- dTe/ 背电极，小面积电池最高转换效率 16%，成为当时 CdTe 薄膜太阳能电池的最高纪录，近年来，太阳电池的研究方向是高转换效率，低成本和高稳定性. 因此，以 CdTe 为代表的薄膜太阳电池倍受关注，Siemens 报道了面积为 3600cm2 电池转换效率达到 11.1% 的水平。美国国家可再生能源实验室提供了 Solar Cells lnc 的面积为 6879cm2CdTe 薄膜太阳电池的测试结果，转换效率达到 7.7%；Bp Solar 的 CdTe 薄膜太阳电池，面积为 4540cm2，效率为 8.4%，面积为 706cm2 的太阳电池，转换效率达到 10.1%；Goldan Photon 的 CdTe 太阳电池，面积为 3528cm2，转换效率为 7.7%。
碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，目前，已获得的最高效率为 16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。
我国 CdTe 薄膜电池的研究工作开始于上世纪 80 年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术（ED）研究和制备 CdTe 薄膜电池，后者研制的电池效率达到 5.8%。80 年代中期至 90 年代中期，研究工作处于停顿状态。90 年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。采用近空间升华技术研究 CdTe 薄膜电池，并取得很好的成绩。最近电池效率已经突破 13.38%，进入了世界先进行列。“十五”期间，CdTe 薄膜电池研究被列入国家高技术研究发展计划“863”重点项目。
经过多年几代科学工作者的不懈努力，我国正处于实验室基础研究到应用产业化的快速发展阶段，并计划建立年产量 0.5MW 的中试生产线。CdTe 薄膜太阳电池研究，由原来的只有内蒙古大学、四川大学、新疆大学等几家科研院所进行这方面的基础研究，到今年的四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司新型薄膜 CdTe/CdS 太阳能电池核心材料产业化，为期两年，将建设拥有年产碲化镉 50 吨的生产线、硫化镉 10 吨生产线，使我国在 CdTe 薄膜太阳电池产业化将得到长足发展，向世界领先水平迈进。
CdTe 薄膜太阳电池较其他的薄膜电池容易制造，因而它向商品化进展最快。已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。CdTe 太阳能电池在具备许多有利于竞争的因素下，但在 2002 年其全球市占率仅 0.42﹪，目前 CdTe 电池商业化产品效率已超过 10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：一、模块与基材材料成本太高，整体 CdTe 太阳能电池材料占总成本的 53﹪，其中半导体材料只占约 5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。
CdTe 太阳能电池作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。有毒元素 Cd 对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。我们不能在获取清洁能源的同时，又对人体和人类生存环境造成新的危害。有效地处理废弃和破损的 CdTe 组件，技术上很简单。而 Cd 是重金属，有剧毒，Cd 的化合物与 Cd 一样有毒。其主要影响，一是含有 Cd 的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害；二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的 Cd 和 Te 应去除并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。目前各国均在大力研究解决 CdTe 薄膜太阳能电池发展的因素，相信上述问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉薄膜电池成为未来社会新的能源成分之一。
作为第二代薄膜太阳能电池的代表性材料，碲化镉 / 硫化镉 CdTe/CdS 将成为未来最有潜力的薄膜太阳能电池材料，美国可再生能源研究所 (NREL) 及美国第一太阳能公司 (First Solar Inc) 已经使该系列太阳能电池从实验室走向规模生产。