非晶硅太�電池是指通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置�
1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池,基本組成成分是非晶硅化合物,又稱為a-Si太陽能電�和無定型硅太陽能電池�
隨著煤炭、石油等�(xiàn)有能源的頻頻告急和生態(tài)�(huán)境的惡化,使得人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源。其中包括水�、風(fēng)能和太陽能,而太陽能以其�(chǔ)量巨�、安�、清潔等�(yōu)�(shì)使其必將成為21世紀(jì)的最主要能源之一。太陽是一�(gè)巨大的能源,其輻射出來的功率約為 其中� 被地球截�,這部分能量約� 的能量闖過大氣層到達(dá)地面,在正對(duì)太陽的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能��
目前太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏�(fā)電兩種形�。太陽能熱發(fā)電是利用聚光集熱器把太陽能聚集起�,將一定的工質(zhì)加熱到較高的溫度(通常為幾百攝氏度到上千攝氏度�,然后通過常規(guī)的熱�(jī)�(dòng)�(fā)電機(jī)�(fā)電或通過其他�(fā)電技�(shù)將其�(zhuǎn)換成電能。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接�(zhuǎn)�?yōu)殡娔艿囊环N技�(shù)。目前光—電�(zhuǎn)換器有兩種:一種是光—伽伐尼電池,另一種是光伏效應(yīng)。由一�(gè)或多�(gè)太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件,將光伏組件串�(lián)起來再配合上功率控制器等部件就形成了光伏�(fā)電裝�。因?yàn)楣夥l(fā)電規(guī)模大小隨�、能�(dú)立發(fā)�、建�(shè)�(shí)間短、維�(hù)起來也簡(jiǎn)單.所以從70年代開始光伏�(fā)電技�(shù)得到迅速發(fā)�,日�、德�(guó)、美�(guó)都大力發(fā)展光伏產(chǎn)�(yè),他們走在了世界的前列,我國(guó)在光伏研究和�(chǎn)�(yè)方面也奮起直�,現(xiàn)在以每年20%的速度迅速發(fā)��
1970年代的能源危�(jī)�1973年發(fā)生的石油危機(jī)告訴我們一�(gè)事實(shí):能源問題是人類21世紀(jì)面臨的的�(huán)境問�。據(jù)�(bào)�,以�(xiàn)在人類對(duì)石油和煤炭等能源材料的消耗速度�(jì)算,全球的石油儲(chǔ)量可以維持人類使�43�,而煤�?jī)?chǔ)量夠人類使用200年。能源問題早已經(jīng)引起全世界的�(guān)�。發(fā)展新能源和可再生能源是全人類的共�(shí),也�21世紀(jì)世界�(jīng)�(jì)�(fā)展中決定性的選擇。從目前的替代能源的情況�,風(fēng)能、地?zé)?、核能、潮汐能、太陽能�,其中只有太陽能才是一種取之不盡用之不�、無污染的清潔能源,因此也只有大力發(fā)展太陽能,并且也只能是使太陽能被人類更好地更有效地利用才能從根本上解決人類面臨的能源問題�
�(fā)展太陽能,首先應(yīng)從發(fā)展太陽能電池入手。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝�。太陽能電池的工作原理是,太陽光照在半導(dǎo)體P-N �(jié)上,形成空穴-電子�(duì),在P-N �(jié)電場(chǎng)的作用下,N 型半�(dǎo)體的空穴往P 型區(qū)移動(dòng),P 型區(qū)中的電子往N 型區(qū)移動(dòng),接通電路后就形成電�。太陽能電池是一種重要的可再生能�,既可作為獨(dú)立能�,亦可實(shí)�(xiàn)并網(wǎng)�(fā)�,而且是零污染排放。通過太陽能轉(zhuǎn)換的電能再用于工廠生�(chǎn)、日常使�,以此讓太陽能服�(wù)于人�。早期的太陽能電池,主要原料是晶體硅,并且成本較高,因此只用于太空探索方�。由于晶體硅成本較高,且晶體硅太陽能電池消耗硅材料較多,另外由于科技的發(fā)展,終于�1974年Carlson在實(shí)�(yàn)室內(nèi)研制出最早的非晶硅太陽能電池。非晶硅電池(a-Si)是用沉積在�(dǎo)電玻璃或不銹鋼襯底上的非晶硅薄膜制成的太陽能電池。Carlson研制出最早的非晶硅太陽能電池,揭開了非晶硅太陽能電池在光電子器件或PV 組件中應(yīng)用的幄幕,但是當(dāng)�(shí)的非晶硅�(zhuǎn)換效率很低,不到1%�
隨后非晶硅太陽能電池開始快速發(fā)�,并且轉(zhuǎn)換效率逐漸提高�
1977年,Carlson等研制成功了能量�(zhuǎn)換效率達(dá)5.5%的非晶硅肖特基勢(shì)壘電��1978年,日本大阪大學(xué)研制出非晶硅PIN電池,轉(zhuǎn)換效率達(dá)4.5%�1981年秋,大阪大�(xué)又制備出了改�(jìn)的a-SiC:H/a-Si:H PIN異質(zhì)�(jié)太陽能電�, 其能量轉(zhuǎn)換效率突破了 8%, 其中, P 型寬禁帶 a-SiC:H 被用來作為電池的窗口材料�1982�,這種a-SiC:H/a-Si:H PIN異質(zhì)�(jié)太陽能電池的效率又突破了10%;到1987�,非晶硅電池�(zhuǎn)換效率已�(dá)12%�1990�,日本Sanyo(三陽)公司生產(chǎn)的非晶硅太陽能電�,轉(zhuǎn)換效�15.8%�1994年,日本出現(xiàn)了采用PECVD方法制備的Back Surface Field�(jié)�(gòu)的非晶硅電池,轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.9%�
非晶硅太陽電池是以玻�、不銹鋼及特種塑料為襯底的薄膜太陽電�,結(jié)�(gòu)如圖所示。為減少串聯(lián)電阻,通常用激光器將TCO膜、非晶硅(A-si)膜和�(Al)電極膜分別切割成條狀,如�2所示。國(guó)際上采用的標(biāo)�(zhǔn)條寬�1cm,稱為一�(gè)子電�,用�(nèi)部連接的方式將各子電池串連起�,因此集成型電池的輸出電流為每�(gè)子電池的電流,總輸出電壓為各�(gè)子電池的串聯(lián)電壓。在�(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)電流、電壓的需要選擇電池的�(jié)�(gòu)和面�,制成非晶硅太陽電池�
層為普通玻�,是電池的基底�
第二層為TCO,即透明氧化物導(dǎo)電膜,一方面光從它穿過被電池吸收,所以要求它的光透過率高;另一方面作為電池的一�(gè)電極,所以要求它能夠?qū)щ?。TCO一般制備成絨面,主要起到減少反射光從而增加光的吸收率的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底沉積形成�。太陽能電池的層為P�,即窗口層;其次是i�,即太陽能電池的本征�,光生載流子主要在這一層產(chǎn)�;然后是n�,起到連接i極和背電極的作用。是背電極和Al/Ag電極�
由于a-Si(非晶�)多缺陷的特點(diǎn),a-Si的p-n�(jié)是不�(wěn)定的,而且光照�(shí)光電�(dǎo)不明�,幾乎沒有有效的電荷收集。所以,a-Si太陽能電池基本結(jié)�(gòu)不是p-n�(jié)而是p-i-n�(jié)。摻硼形成P區(qū),摻磷形成n區(qū),i為非雜質(zhì)或輕摻雜的本征層(�?yàn)榉菗诫s的a-Si是弱n�)。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢(shì),以收集電荷。同�(shí)兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸,為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū),此區(qū)中光生電�、空穴是光伏電力的源泉。入射光盡可能多地�(jìn)入i區(qū),限度地被吸�,并有效地轉(zhuǎn)換為電能,因此對(duì)i區(qū)要求是既保證限度地吸收入射光,又要保證光生載流子限度地輸�(yùn)到外電路�
非晶體硅�(jié)�(gòu)的長(zhǎng)程無序破壞了晶體硅電子躍遷的�(dòng)量守恒選擇定�,相�(dāng)于使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材�。它�(duì)光子的吸收系�(shù)很高,通常0.5μm左右厚度的a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以,p-i-n�(jié)�(gòu)的a-Si電池的厚度取0.5μm左右,而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度�10nm量級(jí)�
非晶硅太陽電池的方法有很多種,包括等離子增強(qiáng)型化�(xué)氣相沉積,反�(yīng)濺射�、輝光放電法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等�
1、反�(yīng)濺射法:首先利用紅外光激光對(duì)TCO�(dǎo)電玻璃基片�(jìn)行激光刻�;激光刻線后�(jìn)行超聲清�;基片清洗后裝入專用沉積夾具,推入烘箱�(jìn)行預(yù)�;預(yù)熱后沉積夾具推入PECVD沉積真空�,利用PECVD沉積工藝,�(jìn)行非晶硅沉積;而后利用綠激光對(duì)沉積好非晶硅的基片�(jìn)行第二次激光刻線,刻線后�(jìn)行清�;然后對(duì)清洗好的基片利用PVD技�(shù),鍍金屬背電極復(fù)合膜,作為金屬背電極�(fù)合膜之一的氧化鋅層沉積在非晶硅層表面,其他金屬背電極層沉積在氧化鋅層之上;然后利用綠激光對(duì)沉積好金屬背電極的基片�(jìn)行第三次激光刻線,刻線后�(jìn)行清�,至此,電池芯片�(jié)�(gòu)已經(jīng)形成;之后對(duì)電池芯片�(jìn)行層壓封�,并安裝接線盒及引出�(dǎo)�;,�(duì)組件�(jìn)行性能檢測(cè),合格品裝箱。根�(jù)生產(chǎn)的光伏組件的大小�(guī)�,生�(chǎn)周期一般需要三至四小時(shí)�
2、等離子增強(qiáng)型化�(xué)氣相沉積方法:采用一連串沉積室,在生�(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序,以�(shí)�(xiàn)大批量生�(chǎn)。同�(shí),非晶硅太陽電池很薄,可以制成疊層式,或采用集成電路的方法制�,在一�(gè)平面上,用適�(dāng)?shù)难谀9に?,一次制作多�(gè)串聯(lián)電池,以獲得較高的電��
3、輝光放電法:將一石英容器抽成真空,充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷,用射頻電源加熱,使硅烷電離,形成等離子�,非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上�
太陽能電池的種類有很�,按材料來分,有硅基太陽能電池(單晶,多�,非晶),化合物半導(dǎo)體太陽能電池(砷化鎵(GaAs�,磷化銦(InP�,碲化鎘(CdTe�, 銅銦鎵硒(CIGS)),有�(jī)聚合物太陽能電池(酞青,聚乙炔),染料敏化太陽能電池,納米晶太陽能電�;按�(jié)�(gòu)來分,有體結(jié)晶型太陽能電池和薄膜太陽能電池�
?�?)材料和制造工藝成本低
首先,非晶硅太陽能電池可以節(jié)省很多的硅材�。非晶硅具有較高的光吸收系數(shù),特別是�0.3-0.75μm的可見光波段,它的吸收系�(shù)比單晶硅要高出一�(gè)�(shù)量級(jí),因而它比單晶硅�(duì)太陽輻射的吸收效率要�40倍左右,用很薄的非晶硅膜就能吸收90%有用的太陽光�。一般情況下非晶硅電池的厚度小于0.5um,而晶體硅太陽電池的基本厚度為240-270um,相�200多�,因此非晶硅太陽能電池要節(jié)省很多的硅材�。材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅�,這種氣體,化�(xué)工業(yè)可大量供�(yīng),且�(jià)格十分便��
由于反應(yīng)溫度�,可�200℃左右的溫度下制�,因此可以在玻璃、不銹鋼�、陶瓷板、柔性塑料片上淀積薄�,易于大面積化生�(chǎn),成本較�。單節(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的生�(chǎn)成本目前可降�1.2美元/Wp。疊層非晶硅薄膜電池的成本可降至1美元/Wp以下�
綜上,從原材料及生產(chǎn)工藝上來考慮,非晶硅的生�(chǎn)相對(duì)來說成本很低,并且這也成為非晶硅太陽能電池的優(yōu)�(shì)�
?�?)能量返回期�
由于制造非晶硅電池原材料及較低溫生�(chǎn)能源消耗少,在每一階段,制造非晶硅太陽能電池所需消耗的電能比生�(chǎn)單晶硅太陽能電池�,因此它的能量返回期較�。以�(zhuǎn)換效率為6%的非晶硅太陽電池,其生產(chǎn)用電�1.9度電/瓦,由它�(fā)電后返回的時(shí)間約�1.5-2�,能量返回期�。而其他多晶硅、單晶硅電池的發(fā)電返回時(shí)間一�6年以��
?�?)適于大批量生產(chǎn)
非晶硅材料是由氣相淀積形成的,目前已被普遍采用的方法是等離子增強(qiáng)型化�(xué)氣相淀(PECVD)�。此種制作工藝可以連續(xù)在多�(gè)真空淀積室完成,從而實(shí)�(xiàn)大批量生�(chǎn)。采用玻璃基板的非晶硅太陽能電池,其主要工序(PECVD)與TFT-LCD陣列生產(chǎn)相似,生�(chǎn)方式均具有自�(dòng)化程度高、生�(chǎn)效率高的特點(diǎn)�
?�?)品種多,用途廣
晶硅可以在任何形狀的基底上制作,并且可以可以在柔性基底或者很薄的不銹鋼和塑料基底上制備超輕量�(jí)的太陽能電池;非晶硅太陽電池可做成集成型,器件功�、輸出電�、輸出電流都可自由設(shè)�(jì)制造,可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)�??梢暂^方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)�。由于光吸收系數(shù)高,暗電�(dǎo)很低,適合制作室�(nèi)用的微低功耗電源,如手表電�、計(jì)算器電池等;由于a-Si膜的硅網(wǎng)�(jié)�(gòu)力學(xué)性能�(jié)�(shí),適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池;靈活多樣的制造方�,可以制造建筑集成的電池,適合用戶屋頂電站的安裝�
?�?)高溫性能�
�(dāng)太陽能電池工作溫度高于標(biāo)�(zhǔn)�(cè)試溫�25℃時(shí),其輸出功率�(huì)有所下降;非晶硅太陽能電池受溫度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多�
�6)弱光響�(yīng)�、充電效率高
非晶硅材料的吸收系數(shù)在整�(gè)可見光范圍內(nèi),在�(shí)際使用中�(duì)低光�(qiáng)光有較好的適�(yīng)�
非晶硅太陽能電池由于其成本低,重量輕等特性在今后的民用乃至工�(yè)�(yīng)用上有著極大的發(fā)展前�,因此大力發(fā)展非晶硅太陽能電池是�(gè)可持�(xù)�(fā)展的選擇,但有兩�(gè)主要問題一直制約著非晶硅太陽能電池的發(fā)展:�(zhuǎn)換效率低和穩(wěn)定性問題�
?�?)壽命短,穩(wěn)定性問�
在光的不斷照射下�(huì)�(fā)生所謂Staebler-Wronski效應(yīng),光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)下降到原來的25%,這本�(zhì)上正是非晶硅中有太多的以懸鍵為代表的缺陷,致使結(jié)�(gòu)不穩(wěn)��
非晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照�(shí)間的延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退效應(yīng),使得電池性能不穩(wěn)��
光致衰退效應(yīng)也稱S-W效應(yīng),a-Si:H薄膜�(jīng)較長(zhǎng)�(shí)間的�(qiáng)光照射或電流通過,在其�(nèi)部將�(chǎn)生缺陷而使薄膜的使用性能下降,稱為Steabler-Wronski效應(yīng)。對(duì)S-W效應(yīng)的起因以及造成衰退的微觀�(jī)�,目前沒有形成�(tǒng)一的觀�(diǎn)�
總的看法如下�
沒有摻雜的非晶硅薄膜由于其結(jié)�(gòu)缺陷,存在懸掛鍵、斷�、空穴等,�(dǎo)致其電學(xué)性能差而很難做成有用的光電器件。所�,必須�(duì)其�(jìn)行氫摻雜以飽和它的部分懸掛鍵,降低其缺陷態(tài)密度,即形成所謂的a-Si:H薄膜。在這種a-Si:H薄膜材料�,能夠�(wěn)定存在的是Si-H鍵和與晶體硅類似的Si-Si�,這些鍵的鍵能較大,不容易被打斷。然而由于a-Si:H材料�(jié)�(gòu)上的無序,使得一些Si-Si鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化而使Si-Si鍵處于應(yīng)變狀�(tài)。高�(yīng)變的Si-Si鍵的化學(xué)�(shì)與H相當(dāng),可以被外界能量打�,形成Si-H鍵或重新組成更強(qiáng)的Si-Si�。如果斷裂的�(yīng)變Si-Si鍵沒有重�(gòu),則a-Si:H薄膜的懸掛鍵密度增加。而S-W效應(yīng)就是由于光照�(dǎo)致在帶隙中產(chǎn)生了新的懸掛鍵缺陷態(tài)(深能�(jí)),這種缺陷�(tài)�(huì)影響a-Si:H薄膜材料的費(fèi)米能�(jí)EF的位�,從而使電子的分布情況發(fā)生變�,�(jìn)而一方面引起光學(xué)性能的變�,另一方面�(duì)電子的復(fù)合過程產(chǎn)生影�。這些缺陷�(tài)成為電子和空穴的額外�(fù)合中�,使得電子的俘獲截面增�,壽命下降�
?�?)光電轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)比晶體硅�
�(xiàn)今市�(chǎng)上的晶體硅的光電�(zhuǎn)化效率為12%,最近面世的晶體硅的光電�(zhuǎn)化效率已�(jīng)提高�18%,在�(shí)�(yàn)室里,甚至可以達(dá)�29%(�(duì)�:綠色植物的葉綠體的光電轉(zhuǎn)化效率小�1%),然而非晶硅的光電轉(zhuǎn)化效率一直沒有超�10%�
?�?)大�(guī)模地成本�(fā)電站
1996年美�(guó)APS公司在美�(guó)加州建了一�(gè)400千瓦的非晶硅電站,引起光伏�(chǎn)�(yè)振動(dòng)�
Mass公司(歐洲第三大太陽能系統(tǒng)公司)去年從中�(guó)�(jìn)口約5MWp的非晶硅太陽能電��
日本CANECA公司年產(chǎn)25MWp的非晶硅太陽能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站(約每�500KWp-1000KWp)�
德國(guó)RWESCHOOTT公司也具�30MWp年產(chǎn)�,全部用于建大�(guī)模太陽能電站。我�(guó)的安徽省蚌埠市在光伏�(fā)電產(chǎn)�(yè)取得重大突破�2兆瓦非晶硅太陽能示范電站�(xiàng)目建�(shè)條件已落�(shí),年�(nèi)將竣工運(yùn)�(yíng)�
�2)與建筑相配�,建造太陽能�
非晶硅太陽能電池可以制成半透明�,如作為建筑的一部分,白天既能發(fā)電又能使部分光線透過玻璃�(jìn)入室�(nèi),為室內(nèi)提供十分柔和的照�(紫外線被濾掉)能擋�(fēng)�,又能發(fā)�;美�(guó),歐洲和日本的太陽能電池廠家已生�(chǎn)這種非晶硅瓦。同�(shí)�(yīng)該在建筑�(shè)�(jì)�(shí)考慮建筑與太陽能相結(jié)�,即從建筑的�(shè)�(jì)階段就應(yīng)該開始考慮安裝太陽能電池的需�,使太陽能電池和建筑有機(jī)地結(jié)合在一�,使建筑物上的半透明的非晶硅太陽能電池一方面可以做普通玻璃使用,保證室內(nèi)光照及隔離外界的作用,另一方面可以做太陽能電池使用,將照射在其表面的太陽光吸收并轉(zhuǎn)換為電能,再電能�(chǔ)存在特定的電能存�(chǔ)裝置�,以保證室內(nèi)的照明及其他的生活需求�
?�?)太陽能照明光源
太陽能照明是以太陽能為能�,通過太陽能電池實(shí)�(xiàn)光電�(zhuǎn)�,白天用蓄電池積�、貯存電�,晚上通過控制器對(duì)電光源供�,實(shí)�(xiàn)所需要的功能性照�。對(duì)太陽能照明光源的要求:由于雨、雪、雷電冰雹的浸蝕和干�,必須具有合理的安全防護(hù)等級(jí)和防雷接�;連續(xù)陰雨天需要太陽能電池�、蓄電池具有足夠的容量等。由于非晶硅太陽能電池的技�(shù)�(yōu)�(shì),因�,同樣功率的非晶硅太陽能燈具,其照明�(shí)間要比晶體硅太陽能路燈的照明�(shí)間長(zhǎng)20%,而其成本每瓦要低�10元人民幣。另外,由于非晶硅太陽能電池的弱光效�(yīng)�(yōu)于晶體硅太陽能電�,所以在較弱的光照條件下,比如清晨和傍晚或者是陰雨天氣,非晶硅太陽能電池也能吸收并�(zhuǎn)換光能,從而保證太陽能照明光源正常工作。以上原因使得非晶硅太陽能電池的在太陽能照明光源中的�(yōu)�(shì)更加突顯�
�4)弱光下使用
晶硅電池組件�(duì)于波�(zhǎng)�780nm以上的光源有一定光電轉(zhuǎn)化能�,弱光發(fā)電特性突�,且制備成本相對(duì)晶硅電池�,然而在這�(gè)波長(zhǎng)范圍�(nèi)晶硅電池組件是無法發(fā)生伏打效�(yīng)�,就是說晶硅電池在這�(gè)波長(zhǎng)范圍�(nèi)很難�(fā)�。由于非晶硅太陽能電池在的弱光效�(yīng)�,已被廣泛用于光伏玩�、草坪燈、太陽能鑰匙扣、太陽能�、太陽能手表、太陽能�(jì)算器、太陽能顯示牌等不直接受光照等場(chǎng)合下�
?�?)其他場(chǎng)合的�(yīng)�
?、偬柲苄盘?hào)�
航海、航空和陸上交通信�(hào)燈的作用至關(guān)重要,許多地方電�(wǎng)不能供電,而太陽能信號(hào)燈可解決供電問題,光源以小顆粒定向發(fā)光的LED為主。取得了良好的經(jīng)�(jì)效益和社�(huì)效益�
②太陽能景觀�
�(yīng)用于廣場(chǎng)、公�、綠地等�(chǎng)所,采用各種造型的小功率LED�(diǎn)光源、線光源,也有冷陰極造型燈來美化�(huán)�。太陽能景觀燈可以不破壞綠地而得到較好的景觀照明效果�
?、厶柲苁蛛�?BR> 采用LED作為光源,可以在野外活動(dòng)或緊急情況時(shí)使用�
維庫電子�,電子知�(shí),一查百��
已收錄詞�166730�(gè)