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狡猾的铁腭:薄膜太阳能电池研究进展

时间:2018-11-27来源:大力神电池点击:
摘 要 薄膜太阳能电池是有效利用新能源的新型光伏器件。本文综述了硅基类、化合物类以及染料敏化三种薄膜太阳能电池研究现状,并展望了未来的发展前景。 【关键词】薄膜太阳能
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摘 要 薄膜太阳能电池是有效利用新能源的新型光伏器件。本文综述了硅基类、化合物类以及染料敏化三种薄膜太阳能电池研究现状,并展望了未来的发展前景。

【关键词】薄膜太阳能电池 硅 化合物 染料敏化

随着不可再生能源减少,环境污染日益严重,人们逐渐加大了对可再生能源的需求。太阳能属于可再生能源的一种,具有资源丰富、环保清洁的优势,使得太阳能电池研究成为重点。而薄膜太阳能电池以其生产成本低、轻型化、耗材少、弱光响应良好等特点倍受研究者关注,其中主要有硅基类、化合物类以及染料敏化三种薄膜太阳能电池。接下来本文将对这三种薄膜太阳能电池的特点进行综合评述,并对其发展前景进行展望。

1 硅基类薄膜太阳能电池

硅基类薄膜太阳能电池根据材料具体可以分为非晶硅、多晶硅以及微晶硅薄膜太阳能电池。其中,非晶硅薄膜太阳能电池因以玻璃、不锈钢等为衬底而研制出来的,所以被认为是现阶段环保性能最好的电池。它的研究开始于1976年,随后在全世界范围内引起了重要影响。

非晶硅薄膜太阳能电池具有质量轻,光吸收好,耐高温等特点,其中,Villar.F等通过HWCVD方法制备了效率为4.6%的非晶硅薄膜电池;日本三菱重工也研制出面积达到1.4米*1.1米、效率为8%的高效太阳能电池;现阶段,非晶硅薄膜太阳能光电效率最高可达9.5%。国内对其进行研究则开始于上世纪八十年代,研制出面积分别为0.01米*0.01米与0.3米*0.3米的单结非晶硅薄膜太阳能电池。但非晶硅材料也存在一些不足,如转换效率低、光照稳定性差等,经研究发现可通过采用多带隙多结叠层、减少i层厚度以及减少光反射率等方法,来提高了光照稳定性及转换效率。

多晶硅薄膜太阳能电池不仅具有晶体硅太阳能电池的高效率及稳定性,而且具有材料用量少,生产成本低的优势。日本Kaneka公司利用PECVD工艺在玻璃基板上制备了厚约2μm的p-i-n型多晶硅太阳能电池,效率为12%;日本京工陶瓷公司在后来研制出面积为0.15米*0.15米的电池,效率达到17%。国内对其研究开始于1996年,效率目前达到了13.6%。

微晶硅薄膜太阳能电池具有制备工艺与非晶硅薄膜电池兼容、光谱响应宽及基本没有光致衰退的特点。1994年Meier等通过VHF-PECVD工艺研制出厚约1.7μm、面积约0.25cm2的微晶硅电池,效率达到4.6%。国内南开大学通过VHF-PECVD技术,研制出沉积速率为1.2nm/s的电池,效率可达6.3%。但目前微晶硅薄膜太阳能电池的沉积速率较低,因此需要作进一步研究。

2 化合物类薄膜太阳能电池

化合物半导体材料大多为直接带隙,而且禁带宽度大,因此采用化合物制备的薄膜太阳能电池具有光吸收系数大、抗辐射性能良好以及温度系数小等特点。化合物类薄膜太阳能电池主要包括砷化镓、碲化镉以及铜铟硒三种薄膜太阳能电池。其中以铜铟硒薄膜太阳能电池最具代表性,对其研究开始于上世纪70年代,波音公司通过真空蒸发研制出铜铟硒薄膜太阳能电池,效率达到9%。研究发现,往铜铟硒薄膜太阳能电池里掺入镓、硫等材料,能调节禁带宽度,从而提高转换效率。美国NREL基于三步共蒸发法,获得了19.9%的效率,并一直保持世界纪录;直到2010年,德国ZSW基于蒸发法,将效率提高到20.3%。国内南开大学通过蒸发硒化法也获得了14%的效率。但是,所用的铟和硒均是稀有元素,难以满足大规模生产,因此寻找廉价的替代元素成为了研究热点。

3 染料敏化薄膜太阳能电池

染料敏化薄膜太阳能电池是模仿光合作用所研制出的光电化学电池,具有成本低、工艺简单、质量轻及效率高等特点。1991年,M.Gr?tzel的研究小组研制出了效率为7.1%的染料敏化电池;在2005年,M.Gr?tzel等人又将效率提高到12.3%。国内在染料敏化薄膜太阳能电池上的研究也已接近世界先进水平,小面积电池效率为11%,同时,长春应化所开发出的C101染料可获得9%的效率。但是在转换效率、耐久性及稳定性方面还有很大的发展空间,因此,寻找低成本、性能好的染料仍然为当前研究重点。

4 结语

综上所述,以上三种薄膜太阳能电池都有各自的特点,相信随着研究的广泛开展,在不久的将来,这些薄膜太阳能电池都会有新的技术突破,获得更高的转换效率,并被广泛应用到人们日常生活中,减少环境污染的同时也减少不可再生能源的消耗。

参考文献

[1]FernandoVillar, etal.Amorphous silicon thin film solar cells deposited entirely by hot-wire chemical vapour deposition at low temperature(<150℃).Thin solid films,2009,517(12):3575.

[2]HiromuTakatsuka,et al.World's largest amorphous silicon photovoltaic module.Thin solid films, 2006, 506:13.

[3]Meier J,et al.Complete microcrystalline p-i-n solar cell--Crystalline or amorphous cell behavior. Applied Physics Letters, 1994, 65(7):860.

[4]Miguel A,et al.SHORT COMMUNICATION: ACCELERATED PUBLICATION:Diode characteristics in state-of-the-art ZnO/CdS/Cu(In1-xGax)Se2solar cells.Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2005, 13(3):209.

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[6]谭智实.我国高性能染料敏化太阳能电池研究取得重要进展[J].科技信息, 2008, 5(4):3.

作者单位

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广东省广州市 510535

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