太阳能光伏技术的薄膜电池分类结果

12．4．2．1 薄膜电池发展现状

从20世纪80年代以来，薄膜太阳电池及其组件由于在降低光伏发电成本方面的优势，一直吸引着人们的研究热情，其中三种薄膜电池技术被认为最有可能实现大规模应用，也即非晶硅、铜铟硒和碲化镉。目前，薄膜电池在研究，发展和产业化方面取得了巨大进展，产品遍及各个领域，从计算器等消费类产品的小电池片到包括居民、建筑和建筑一体化并网发电在内的大面积发电组件。

12．4．2．2 硅基薄膜太阳电池

非晶硅薄膜电池工艺技术简单，发展比较成熟，是第一个商业化的薄膜组件，目前已经形成年产几十兆瓦的生产规模。自1976年，Carlson和Wronski［6］首次报道第一个非晶硅a－Si（η＝2．4%）太阳电池以来，人们在材料和电池结构等方面进行了广泛深入的研究，并取得了巨大的进展。1981年，Tawada和Hamakawa［7］等人采用p型a－SiC：H薄膜作为非晶硅太阳电池的窗口层，使非晶硅太阳电池的转换效率实现了历史性的突破，达到7．1%。1982年，Catalano［8］使用p型a－SiC：H，使单结非晶硅电池的效率达到了10．1%。1996年，D．Fischer［9］等人提出非晶／微晶叠层电池的设想，制造的双结电池初始效率达到13%，稳定效率为10%。1997年，Yang［10］等人利用a－Si／a－SiGe／a－SiGe三结叠层结构；获得光电转换效率初始值14．6%，稳定值13%的电池，而到2011年，Uni－Solar利用非晶／锗硅／纳米硅电池技术，更是将效率提高到16．4%。2009年6月份，在美国举行的IEEE第34届太阳能年会上，Uni－Solar报道了大面积实用化（400cm2）聚酰亚胺衬底电池，采用卷对卷批产技术，利用激光切割技术形成集成化组件，质量比功率超过1 600Wp／kg，最高达到2 000Wp／kg，效率达到11．2%（AM1．5），整个组件的质量比功率达到565Wp／kg。这是目前实用化柔性薄膜电池及组件的质量比功率最高的纪录。代表了空间用柔性薄膜电池的最高水平。

图12．27　p－i－n型单结非晶硅电池（a）和p－i－n型多结非晶硅电池（b）

非晶硅电池按各层制备的顺序可以分为p－i－n型和n－i－p型，又可分为单结和多结电池，如图12．27和12．28所示。单结非晶硅电池的效率较低，光致衰减严重。但随着技术的飞速发展，采用纳米硅、纳米锗硅材料和非晶硅材料组成多结太阳电池，就可以获得较高的效率，稳定性也很好。

图12．28　n－i－p型单结非晶硅电池（a）和n－i－p型多结非晶硅电池（b）

12．4．2．3 铜铟镓硒薄膜太阳电池 (www.xing528.com)

铜铟硒薄膜太阳电池为典型的多晶化合物薄膜半导体器件，是在玻璃或其他廉价衬底上沉积多层薄膜而构成（见图12．29），其核心层材料铜铟硒（CuInSe2）吸收80%以上太阳光谱［11，12］，对器件整体性能的影响起着至关重要的作用，1992年电池效率已达到14．8%［13］。然而CuInSe2（带隙Eg≈1．04eV）材料与太阳光谱的匹配并不理想，近年来通过对CuInSe2掺入适量的Ga来调整带隙（Eg介于1．04～1．67eV之间），形成四元化合物铜铟镓硒Cu（In1－xGax）Se2薄膜，并通过工艺调控获得梯度带隙结构，使光电转换效率得到显著的提高，最近在AM1．5测试条件下玻璃衬底电池已达到20．3%（0．4cm2），不锈钢衬底柔性电池效率达17．5%（0．4cm2）。瑞士联邦技术研究院研制的小面积聚酰亚胺衬底铜铟镓硒电池效率达到20．4%（AM1．5），质量比功率超过2 000Wp／kg（裸电池），为该类衬底太阳电池的世界纪录；但是铜铟镓硒电池要求较高的制作温度（＞500℃）限制了衬底材料（如超轻柔性聚酯膜膜）的选择，增加了衬底的处理难度。美国Ascent公司在聚酰亚胺衬底上获得效率达到11%（AM1．5）的批量试生产，为此类衬底电池的最高记录。铜铟镓硒在地面及空间环境考核验证中表现出性能稳定、抗辐射能力强等特点［14］，无论在地面规模光伏发电还是在空间飞行器动力电源的应用上具有广阔的市场前景，是极具潜力的低成本薄膜电池之一。

图12．29　铜铟硒基薄膜太阳电池典型结构

12．4．2．4 碲化镉薄膜太阳电池

碲化镉（CdTe）的禁带宽度为1．45eV，是具有闪锌矿结构的Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体材料。CdTe是直接带隙半导体，薄膜厚度为2μm时即可吸收98%以上能量高于带隙宽度的光子，吸收系数～106 cm－1。光强为100mW·cm－2时，CdTe电池的最大光电流为30．5mA／cm2，理论极限效率可达27%。所以CdTe是制备太阳电池的理想半导体材料。

1963年，Cusano［15］报道了第一个异质结CdTe薄膜电池，结构为n－CdTe／p－Cu2－xTe电池，效率7%。该电池存在与Cu2－xS／CdS类似的稳定性问题，之后由于未能发现与n－CdTe匹配形成良好异质结的其它材料，研究重点转向p－CdTe／n－CdS异质结电池。Adirovich［16］首先在透明导电玻璃上沉积CdS、CdTe薄膜，发展了现在普遍采用的CdTe太阳电池基本结构“玻璃／TCO／CdS／CdTe”［17］。1972年Bonnet和Rabenhorst［18］报道了转换效率为5%～6%的以渐变带隙CdSxTe1－x薄膜作为吸收层的太阳电池。1982年Tyan和Perez－Albuerne等人报道了效率为10%的n－ITO／p－CdTe结构的CdTe太阳电池［19］。1993年Ferekides等人制备出效率的CdTe太阳电池达15．8%［20］。2001年，NREL的吴选之等创造CdTe电池光电转换效率最高纪录，电池效率高达16．5%（Voc为845mV；Jsc为25．88mA／cm2；FF为75．5%）［21］。

图12．30　单结CdTe／CdS异质结电池的基本结构

单结电池结构如图12．30所示，TCO（一般为ZnO）作为前电极，CdS作为窗口层，CdTe为吸收层，CdS与CdTe形成异质结。光透过玻璃、TCO和CdS，被CdTe吸收，光生载流子通过TCO和背电极收集。