碲化鎘薄膜太陽能電池的發展概況

一、概述& }6 _" ~7 R$ K: U5 P4 r
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉換，是一種良好的PV材料[1]，具有很高的理論效率（28%）[2]，性能很穩定，一直被光伏界看重，是技術上發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 ／CdT e異質結為基礎。盡管CdS和CdTe和晶格常數相差10%，但它們組成的異質結電學性能優良，制成的太陽電池的填充因子高達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已經開發出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網印刷、濺射、真空蒸發等[4]。絲網印刷燒結法：由含CdTe、CdS漿料進行絲網印刷CdTe、CdS 膜，然后在600～700℃可控氣氛下進行熱處理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 作窗口層半導體異質結電池的典型結構：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實驗室效率不斷攀升，最近突16%。20世紀90年代初，CdTe電池已實現了規模化生產，但市場發展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。商業化電池效率平均為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外的研究進展與產業發展狀況，以及存在的問題、制約因素等。
# {+ ]% Q7 X, I" q* W二、國外CdTe薄膜太陽能電池產業發展狀況與趨勢( r. w- e+ z. Q9 N" [
CdTe薄膜太陽電池是薄膜太陽電池中發展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學于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Matsushita??Battery報道了CdTe基電池以CdTe 作吸收層,CdS 作窗口層的n-CdS/ P - CdTe 半導體異質結電池,其典型結構為MgF2/ 玻璃/ SnO2∶F/ n-CdS/ P- dTe/ 背電極,小面積電池最高轉換效率16%[7]，成為當時CdTe薄膜太陽能電池的最高紀錄，近年來,太陽電池的研究方向是高轉換效率、低成本和高穩定性. 因此,以CdTe為代表的薄膜太陽電池倍受關注，Siemens報道了面積為3600cm2電池轉換效率達到11.1％的水平。美國國家可再生能源實驗室提供了Solar Cells lnc的面積為 6879cm2CdTe薄膜太陽電池的測試結果，轉換效率達到7.7％；Bp Solar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，轉換效率達到10.1％；Goldan??Photon的CdTe太陽電池，面積為3528cm2，轉換效率為7.7％。詳細情況如表1[7-11]。( g$ q) s9 L/ S$ I( g0 [4 K; Z$ G
表1 CdTe 薄膜太陽電池參數表[7-11], o0 K7 F# a* o( L/ ?' y; {
小面積單體電池6 ^& c0 l8 ^+ U7 m: C! e6 V
研究機構? ? ? ? 面積/cm2? ? ? ? 開路電壓/V? ? ? ? 轉換效率/%
) ]# }??{; 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研究機構? ? ? ? 面積/cm2? ? ? ? 轉換效率/% ? ? ? ? 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
9 T4 x0 e( ~) n& ^; e" `GP? ? ? ? 3528? ? ? ? 7.7? ? ? ? 27.2
) e. " F. R: ^% B" qMatsushita? ? ? ? 1200? ? ? ? 8.7? ? ? ? 10
' m/ N! d6 l7 Y1 ^ , I1 [7 i& G; D% L4 O+ J
人們認為,CdTe 薄膜太陽電池是太陽能電池中最容易制造的,因而它向商品化進展最快. 提高效率就是要對電池結構及各層材料工藝進行優化,適當減薄窗口層CdS 的厚度,可減少入射光的損失,從而增加電池短波響應以提高短路電流密度,較高轉換效率的CdTe 電池就采用了較薄的CdS 窗口層而創了最高紀錄.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;實驗室成果走向產業,必須經過組件以及生產模式的設計、研究和優化過程. 近年來,不僅有許多國家的研究小組已經能夠在低襯底溫度下制造出轉換效率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展,許多公司正在進行CdTe薄膜太陽電池的中試和生產廠的建設,有的已經投產.
" ^. x* b$ f9 ?$ O在廣泛深入的應用研究基礎上，國際上許多國家的CdTe薄膜太陽電池已由實驗室研究階段開始走向規模工業化生產。1998年美國的CdTe電池產量就為0.2MW，目前，美國高爾登光學公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜電池的生產能力為2MW[12]，日本的CdTe電池產量為2.0MW。德國ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產10MW的CdTe薄膜太陽電池組件生產廠，預計其生產成本將會低于＄1.4/w。該組件不但性能優良，而且生產工藝先進，使得該光伏組件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓寬了應用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進一步降低。BP Solar公司計劃在Fairfield生產CdTe薄膜太陽電池。而Solar Cells公司也將進一步擴大CdTe薄膜太陽電池生產。
# k3 X6 m$ ]- O9 i! V) _三、國內CdTe薄膜太陽能電池產業發展狀況與趨勢
??f. G1 C$ @; {9 K" 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%，是應用前景最好的新型太陽電池，它已經成為美、德、日、意等國研究開發的主要對象。
??b??k( h! @7 Q我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀80年代初。內蒙古大學采用蒸發技術、北京太陽能研究所采用電沉積技術（ED）研究和制備CdTe薄膜電池，后者研制的電池效率達到5.8%[13]。80年代中期至90年代中期，研究工作處于停頓狀態。90年代后期，四川大學太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽電池的研究，在“九五”期間，承擔了科技部資助的科技攻關計劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研制”。采用近空間升華技術研究CdTe薄膜電池，并取得很好的成績。最近電池效率已經突破13.38%[14]，進入了世界先進行列。“十五”期間，CdTe薄膜電池研究被列入國家高技術研究發展計劃“863”重點項目。
% |- i8 O' w" O& S9 I$ L經過多年幾代科學工作者的不懈努力，我國正處于實驗室基礎研究到應用產業化的快速發展階段，并計劃建立年產量0.5MW的中試生產線。CdTe薄膜太陽電池研究，由原來的只有內蒙古大學、四川大學、新疆大學等幾家科研院所進行這方面的基礎研究，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產業化，為期兩年，將建設擁有年產碲化鎘50噸的生產線、硫化鎘10噸生產線，使我國在CdTe薄膜太陽電池產業化將得到長足發展，向世界領先水平邁進。5 v. E; ~; C- l! b* B8 p* 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，因而它向商品化進展最快。已由實驗室研究階段走向規模化工業生產。下一步的研發重點，是進一步降低成本、提高效率并改進與完善生產工藝。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電池商業化產品效率已超過10﹪，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點：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﹪，其中半導體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運藏量有限，其總量勢必無法應付大量而全盤的倚賴此種光電池發電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。$ {$ f??[: U& {9 h

CdTe太陽能電池作為大規模生產與應用的光伏器件，最值得關注的是環境污染問題。有毒元素Cd對環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境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件，技術上很簡單。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應去除并回收，對損壞和廢棄的組件應進行妥善處理，對生產中排放的廢水、廢物應進行符合環保標準的處理。目前各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發展的因素，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。