碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展概況
一、概述& }6 _" ~7 R$ K: U5 P4 r
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽(yáng)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(yáng)電池通常以CdS ／CdT e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(yáng)電池的填充因子高達(dá)F F =0.75[3]。! |. s. f) I0 W??`3 K
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，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)模化生產(chǎn)，但市場(chǎng)發(fā)展緩慢，市場(chǎng)份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%[5]。/ L2 d: c/ B4
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為了更好地、更系統(tǒng)地研究CdTe系太陽(yáng)電池，本文簡(jiǎn)要介紹CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的國(guó)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(wèn)題、制約因素等。
# {+ ]% Q7 X, I" q* W二、國(guó)外CdTe薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)( r. w- e+ z. Q9 N" [
CdTe薄膜太陽(yáng)電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國(guó)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(yáng)電池[6] , 隨后，日本Matsushita??Battery報(bào)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(shí)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄，近年來(lái),太陽(yáng)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(yáng)電池倍受關(guān)注，Siemens報(bào)道了面積為3600cm2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1％的水平。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供了Solar Cells lnc的面積為 6879cm2CdTe薄膜太陽(yáng)電池的測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.7％；Bp Solar的CdTe薄膜太陽(yáng)電池，面積為4540cm2，效率為8.4％，面積為706cm2的太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.1％；Goldan??Photon的CdTe太陽(yáng)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) s9 L/ S$ I( g0 [4 K; Z$ G
表1 CdTe 薄膜太陽(yáng)電池參數(shù)表[7-11], o0 K7 F# a* o( L/ ?' y; {
小面積單體電池6 ^& c0 l8 ^+ U7 m: C! e6 V
研究機(jī)構(gòu)? ? ? ? 面積/cm2? ? ? ? 開(kāi)路電壓/V? ? ? ? 轉(zhuǎn)換效率/%
) ]# }??{; a9 E3 v$ k/ @Matsushita? ? ? ? 1.0? ? ? ???? ? ? ? 16
9 g' }, C??|/ F6 s! aUSF? ? ? ? 0.928? ? ? ? 0.845? ? ? ? 15.8
1 r$ b# Z% Q* fSCI? ? ? ? 0.27? ? ? ? 0.839? ? ? ? 13.3
2 @- p- d3 C; z2 i5 sCSM? ? ? ? 0.10? ? ? ? 0.778? ? ? ? 12.91 H( H! W8 X& K/ @5 d8 v6 W
NREL? ? ? ? 0.69? ? ? ? 0.823? ? ? ? 12.82 |9 i??_, n( C9 u( a# j* A/ @! g
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大面積單體電池
7 k2 a8 E9 q; g; o+ c研究機(jī)構(gòu)? ? ? ? 面積/cm2? ? ? ? 轉(zhuǎn)換效率/% ? ? ? ? 功率/W
2 a/ A/ B7 a* z??]+ V& sBP Solar? ? ? ? 4540? ? ? ? 8.4? ? ? ? 38.22 Y2 H- o! j) j/ Z9 F
SCI? ? ? ? 6728? ? ? ? 9.1? ? ? ? 61
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人們認(rèn)為,CdTe 薄膜太陽(yáng)電池是太陽(yáng)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(duì)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(jià)的玻璃作襯底;實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè),必須經(jīng)過(guò)組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì)、研究和優(yōu)化過(guò)程. 近年來(lái),不僅有許多國(guó)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(yáng)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(yáng)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(guó)際上許多國(guó)家的CdTe薄膜太陽(yáng)電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開(kāi)始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國(guó)的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW，目前，美國(guó)高爾登光學(xué)公司 (Golden Photo)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(guó)ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)廠，預(yù)計(jì)其生產(chǎn)成本將會(huì)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。BP Solar公司計(jì)劃在Fairfield生產(chǎn)CdTe薄膜太陽(yáng)電池。而Solar Cells公司也將進(jìn)一步擴(kuò)大CdTe薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)。
# k3 X6 m$ ]- O9 i! V) _三、國(guó)內(nèi)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)
??f. G1 C$ @; {9 K" f碲化鎘薄膜太陽(yáng)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(yáng)電池，它已經(jīng)成為美、德、日、意等國(guó)研究開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。
??b??k( h! @7 Q我國(guó)CdTe薄膜電池的研究工作開(kāi)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(yáng)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(yáng)能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)下在我國(guó)開(kāi)展了碲化鎘薄膜太陽(yáng)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(jì)劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽(yáng)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(jī)。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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”重點(diǎn)項(xiàng)目。
% |- i8 O' w" O& S9 I$ L經(jīng)過(guò)多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力，我國(guó)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(jì)劃建立年產(chǎn)量0.5MW的中試生產(chǎn)線。CdTe薄膜太陽(yáng)電池研究，由原來(lái)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(yáng)能科技開(kāi)發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽(yáng)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(guó)在CdTe薄膜太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化將得到長(zhǎng)足發(fā)展，向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)。5 v. E; ~; C- l! b* B8 p* U
四、存在問(wèn)題與制約因素/ K+ o# T& Y, J
CdTe薄膜太陽(yáng)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)模化工業(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(yáng)能電池在具備許多有利于競(jìng)爭(zhēng)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(guò)10﹪，究其無(wú)法耀升為市場(chǎng)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(yáng)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(shì)必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤(pán)的倚賴(lài)此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無(wú)法放心的接受此種光電池。$ {$ f??[: U& {9 h
CdTe太陽(yáng)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(wèn)題。有毒元素Cd對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)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(shí)，又對(duì)人體和人類(lèi)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(jiǎn)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(guò)呼吸道對(duì)人類(lèi)和其他動(dòng)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(duì)破損的玻璃片上的Cd和Te應(yīng)去除并回收，對(duì)損壞和廢棄的組件應(yīng)進(jìn)行妥善處理，對(duì)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(guó)均在大力研究解決CdTe薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素，相信上述問(wèn)題不久將會(huì)逐個(gè)解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來(lái)社會(huì)新的能源成分之一。