碲化鎘薄膜太陽能電池的發(fā)展概況

一、概述&}6_"~7R$K:U5p4r

CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的pV材料[1]，具有很高的理論效率（28%）[2]，性能很穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽電池通常以CdS／CdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良，制成的太陽電池的填充因子高達(dá)FF=0.75[3]。!|.s.f)I0W`3K

制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，如近空間升華、電沉積、pVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等[4]。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜，然后在600～700℃可控氣氛下進(jìn)行熱處理1h得大晶粒薄膜.近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500～600℃，沉積速率10μm/min.真空蒸發(fā)法：將CdTe從約700℃加熱鉗堝中升華，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1nm/s.以CdTe吸收層，CdS作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/p-CdTe/背電極。電池的實(shí)驗(yàn)室效率不斷攀升，最近突16%。20世紀(jì)90年代初，CdTe電池已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，但市場發(fā)展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%[5]。/L2d:c/B4

J3h&@0^1{3O

為了更好地、更系統(tǒng)地研究CdTe系太陽電池，本文簡要介紹CdTe薄膜太陽能電池的國內(nèi)外的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，以及存在的問題、制約因素等。

#{+]%Q7X,I"q*W二、國外CdTe薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(r.w-e+z.Q9N"[

CdTe薄膜太陽電池是薄膜太陽電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達(dá)大學(xué)于1993年用升華法在1cm2面積上做出效率為15.8%的太陽電池[6],隨后，日本MatsushitaBattery報道了CdTe基電池以CdTe作吸收層,CdS作窗口層的n-CdS/p-CdTe半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池,其典型結(jié)構(gòu)為MgF2/玻璃/SnO2∶F/n-CdS/p-dTe/背電極,小面積電池最高轉(zhuǎn)換效率16%[7]，成為當(dāng)時CdTe薄膜太陽能電池的最高紀(jì)錄，近年來,太陽電池的研究方向是高轉(zhuǎn)換效率、低成本和高穩(wěn)定性.因此,以CdTe為代表的薄膜太陽電池倍受關(guān)注，Siemens報道了面積為3600cm2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1％的水平。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供了SolarCellslnc的面積為6879cm2CdTe薄膜太陽電池的測試結(jié)果，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.7％；BpSolar的CdTe薄膜太陽電池，面積為4540cm2，效率為8.4％，面積為706cm2的太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.1％；Goldanphoton的CdTe太陽電池，面積為3528cm2，轉(zhuǎn)換效率為7.7％。詳細(xì)情況如表1[7-11]。(g$q)s9L/S$I(g0[4K;Z$G

表1CdTe薄膜太陽電池參數(shù)表[7-11],o0K7F#a*o(L/?'y;{

小面積單體電池6^&c0l8^+U7m:C!e6V

研究機(jī)構(gòu)面積/cm2開路電壓/V轉(zhuǎn)換效率/%

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大面積單體電池

7k2a8E9q;g;o+c研究機(jī)構(gòu)面積/cm2轉(zhuǎn)換效率/%功率/W

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人們認(rèn)為,CdTe薄膜太陽電池是太陽能電池中最容易制造的,因而它向商品化進(jìn)展最快.提高效率就是要對電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化,適當(dāng)減薄窗口層CdS的厚度,可減少入射光的損失,從而增加電池短波響應(yīng)以提高短路電流密度,較高轉(zhuǎn)換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創(chuàng)了最高紀(jì)錄.要降低成本,就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下,以適于廉價的玻璃作襯底;實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè),必須經(jīng)過組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計、研究和優(yōu)化過程.近年來,不僅有許多國家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的CdTe太陽電池,而且在大面積組件方面取得了可喜的進(jìn)展,許多公司正在進(jìn)行CdTe薄膜太陽電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè),有的已經(jīng)投產(chǎn).

"^.x*b$f9?$O在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國際上許多國家的CdTe薄膜太陽電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW，目前，美國高爾登光學(xué)公司(Goldenphoto)在CdTe薄膜電池的生產(chǎn)能力為2MW[12]，日本的CdTe電池產(chǎn)量為2.0MW。德國ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽電池組件生產(chǎn)廠，預(yù)計其生產(chǎn)成本將會低于＄1.4/w。該組件不但性能優(yōu)良，而且生產(chǎn)工藝先進(jìn)，使得該光伏組件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓寬了應(yīng)用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進(jìn)一步降低。BpSolar公司計劃在Fairfield生產(chǎn)CdTe薄膜太陽電池。而SolarCells公司也將進(jìn)一步擴(kuò)大CdTe薄膜太陽電池生產(chǎn)。

#k3X6m$]-O9i!V)_三、國內(nèi)CdTe薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢

f.G1C$@;{9K"f碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低，目前，已獲得的最高效率為16%，是應(yīng)用前景最好的新型太陽電池，它已經(jīng)成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對象。

bk(h!@7Q我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀(jì)80年代初。內(nèi)蒙古大學(xué)采用蒸發(fā)技術(shù)、北京太陽能研究所采用電沉積技術(shù)（ED）研究和制備CdTe薄膜電池，后者研制的電池效率達(dá)到5.8%[13]。80年代中期至90年代中期，研究工作處于停頓狀態(tài)。90年代后期，四川大學(xué)太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽電池的研究，在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池的研制”。采用近空間升華技術(shù)研究CdTe薄膜電池，并取得很好的成績。最近電池效率已經(jīng)突破13.38%[14]，進(jìn)入了世界先進(jìn)行列?！笆濉逼陂g，CdTe薄膜電池研究被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”重點(diǎn)項(xiàng)目。

%|-i8O'w"O&S9I$L經(jīng)過多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力，我國正處于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展階段，并計劃建立年產(chǎn)量0.5MW的中試生產(chǎn)線。CdTe薄膜太陽電池研究，由原來的只有內(nèi)蒙古大學(xué)、四川大學(xué)、新疆大學(xué)等幾家科研院所進(jìn)行這方面的基礎(chǔ)研究，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產(chǎn)業(yè)化，為期兩年，將建設(shè)擁有年產(chǎn)碲化鎘50噸的生產(chǎn)線、硫化鎘10噸生產(chǎn)線，使我國在CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化將得到長足發(fā)展，向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)。5v.E;~;C-l!b*B8p*U

四、存在問題與制約因素/K+o#T&Y,J

CdTe薄膜太陽電池較其他的薄膜電池容易制造，因而它向商品化進(jìn)展最快。已由實(shí)驗(yàn)室研究階段走向規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。下一步的研發(fā)重點(diǎn)，是進(jìn)一步降低成本、提高效率并改進(jìn)與完善生產(chǎn)工藝。CdTe太陽能電池在具備許多有利于競爭的因素下，但在2002年其全球市占率僅0.42﹪，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過10﹪，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點(diǎn)：一、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的53﹪，其中半導(dǎo)體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運(yùn)藏量有限，其總量勢必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。${$f[:U&{9h

CdTe太陽能電池作為大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用的光伏器件，最值得關(guān)注的是環(huán)境污染問題。有毒元素Cd對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。我們不能在獲取清潔能源的同時，又對人體和人類生存環(huán)境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件，技術(shù)上很簡單。而Cd是重金屬，有劇毒，Cd的化合物與Cd一樣有毒。其主要影響，一是含有Cd的塵埃通過呼吸道對人類和其他動物造成的危害；二是生產(chǎn)廢水廢物排放所造成的污染。因此，對破損的玻璃片上的Cd和Te應(yīng)去除并回收，對損壞和廢棄的組件應(yīng)進(jìn)行妥善處理，對生產(chǎn)中排放的廢水、廢物應(yīng)進(jìn)行符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的處理。目前各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發(fā)展的因素，相信上述問題不久將會逐個解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會新的能源成分之一。