碲化镉薄膜太阳能电池的展开概略
一、概述& }6 _” ~7 R$ K: U5 P4 r
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱十分匹配，最适合于光电能量转化，是一种杰出的PV资料[1]，具有很高的理论功率（28%）[2]，功能很安稳，一向被光伏界垂青，是技能上展开较快的一种薄膜电池。碲化镉简单堆积成大面积的薄膜，堆积速率也高。CdTe薄膜太阳电池通常以CdS ／CdT e异质结为根底。虽然CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学功能优秀，制成的太阳电池的填充因子高达F F =0.75[3]。! |. s. f) I0 W `3 K
制备CdTe多晶薄膜的多种工艺和技能现已开发出来，如近空间进步、电堆积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸腾等[4]。丝网印刷烧结法：由含CdTe、CdS浆料进行丝网印刷CdTe、CdS 膜，然后在600～700℃可控气氛下进行热处理1h 得大晶粒薄膜. 近空间进步法：选用玻璃作衬底，衬底温度500～600℃，堆积速率10μm/min. 真空蒸腾法：将CdTe 从约700℃加热钳埚中进步，冷凝在300～400℃衬底上，典型堆积速率1nm/s. 以CdTe 吸收层，CdS 作窗口层半导体异质结电池的典型结构：减反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背电极。电池的实验室功率不断攀升，最近突16%。20世纪90年代初，CdTe电池已完成了规划化出产，但商场展开缓慢，商场份额一向徜徉在1%左右。商业化电池功率平均为8%-10%[5]。/ L2 d: c/ B4
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为了更好地、更体系地研讨CdTe系太阳电池，本文扼要介绍CdTe薄膜太阳能电池的国内外的研讨展开与工业展开情况，以及存在的问题、限制要素等。
# {+ ]% Q7 X, I” q* W二、国外CdTe薄膜太阳能电池工业展开情况与趋势( r. w- e+ z. Q9 N” [
CdTe薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中展开较快的一种光伏器材。美国南佛罗里达大学于1993年用进步法在1cm2 面积上做出功率为15.8 %的太阳电池[6] , 随后，日本Matsushita Battery报导了CdTe基电池以CdTe 作吸收层,CdS 作窗口层的n-CdS/ P – CdTe 半导体异质结电池,其典型结构为MgF2/ 玻璃/ SnO2∶F/ n-CdS/ P- dTe/ 背电极,小面积电池最高转化功率16%[7]，成为其时CdTe薄膜太阳能电池的最高纪录，近年来,太阳电池的研讨方向是高转化功率、低本钱和高安稳性. 因而,以CdTe为代表的薄膜太阳电池倍受重视，Siemens报导了面积为3600cm2电池转化功率到达11.1％的水平。美国国家可再生动力实验室供给了Solar Cells lnc的面积为 6879cm2CdTe薄膜太阳电池的测验效果，转化功率到达7.7％；Bp Solar的CdTe薄膜太阳电池，面积为4540cm2，功率为8.4％，面积为706cm2的太阳电池，转化功率到达10.1％；Goldan Photon的CdTe太阳电池，面积为3528cm2，转化功率为7.7％。详细情况如表1[7-11]。( g$ q) s9 L/ S$ I( g0 [4 K; Z$ G
表1 CdTe 薄膜太阳电池参数表[7-11], o0 K7 F# a* o( L/ ?’ y; {
小面积单体电池6 ^& c0 l8 ^+ U7 m: C! e6 V
研讨机构 面积/cm2 开路电压/V 转化功率/%
) ]# } {; 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
. j& Q3 c) w {) N# ?, ?1 c$ {
大面积单体电池
7 k2 a8 E9 q; g; o+ c研讨机构 面积/cm2 转化功率/% 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
人们认为,CdTe 薄膜太阳电池是太阳能电池中最简单制作的,因而它向商品化展开最快. 进步功率便是要对电池结构及各层资料工艺进行优化,恰当减薄窗口层CdS 的厚度,可削减入射光的丢失,然后添加电池短波响应以进步短路电流密度,较高转化功率的CdTe 电池就选用了较薄的CdS 窗口层而创了最高纪录.要下降本钱,就有必要将CdTe 的堆积温度降到550 ℃以下,以适于廉价的玻璃作衬底;实验室效果走向工业,有必要经过组件以及出产形式的规划、研讨和优化进程. 近年来,不只要许多国家的研讨小组现已可以在低衬底温度下制作出转化功率12%以上的CdTe 太阳电池,并且在大面积组件方面获得了可喜的展开,许多公司正在进行CdTe薄膜太阳电池的中试和出产厂的建造,有的现已投产.
” ^. x* b$ f9 ?$ O在广泛深化的使用研讨根底上，国际上许多国家的CdTe薄膜太阳电池已由实验室研讨阶段开端走向规划工业化出产。1998年美国的CdTe电池产值就为0.2MW，现在，美国高尔登光学公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜电池的出产能力为2MW[12]，日本的CdTe电池产值为2.0MW。德国ANTEC公司将在Rudisleben建成一家年产10MW的CdTe薄膜太阳电池组件出产厂，估计其出产本钱将会低于＄1.4/w。该组件不光功能优秀，并且出产工艺先进，使得该光伏组件具有完美的外型，能在建筑物上运用，既拓宽了使用面，又可替代某些建筑资料而使电池本钱进一步下降。BP Solar公司方案在Fairfield出产CdTe薄膜太阳电池。而Solar Cells公司也将进一步扩展CdTe薄膜太阳电池出产。
# k3 X6 m$ ]- O9 i! V) _三、国内CdTe薄膜太阳能电池工业展开情况与趋势
f. G1 C$ @; {9 K” f碲化镉薄膜太阳电池的制作本钱低，现在，已获得的最高功率为16%，是使用远景最好的新式太阳电池，它现已成为美、德、日、意等国研讨开发的首要目标。
b k( h! @7 Q我国CdTe薄膜电池的研讨工作开端于上世纪80年代初。内蒙古大学选用蒸腾技能、北京太阳能研讨所选用电堆积技能（ED）研讨和制备CdTe薄膜电池，后者研制的电池功率到达5.8%[13]。80年代中期至90年代中期，研讨工作处于中止状况。90年代后期，四川大学太阳能资料与器材研讨地点冯良桓教授的带领下在我国展开了碲化镉薄膜太阳电池的研讨，在“九五”期间，承当了科技部赞助的科技攻关方案课题：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。选用近空间进步技能研讨CdTe薄膜电池，并获得很好的成果。最近电池功率现已打破13.38%[14]，进入了国际先进队伍。“十五”期间，CdTe薄膜电池研讨被列入国家高技能研讨展开方案“863”要点项目。
% |- i8 O’ w” O& S9 I$ L经过多年几代科学工作者的不懈努力，我国正处于实验室根底研讨到使用工业化的快速展开阶段，并方案树立年产值0.5MW的中试出产线。CdTe薄膜太阳电池研讨，由本来的只要内蒙古大学、四川大学、新疆大学等几家科研院所进行这方面的根底研讨，到本年的四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司新式薄膜CdTe/CdS太阳能电池中心资料工业化，为期两年，将建造具有年产碲化镉50吨的出产线、硫化镉10吨出产线，使我国在CdTe薄膜太阳电池工业化将得到长足展开，向国际领先水平跨进。5 v. E; ~; C- l! b* B8 p* U
四、存在问题与限制要素/ K+ o# T& Y, J
CdTe薄膜太阳电池较其他的薄膜电池简单制作，因而它向商品化展开最快。已由实验室研讨阶段走向规划化工业出产。下一步的研制要点，是进一步下降本钱、进步功率并改善与完善出产工艺。CdTe太阳能电池在具有许多有利于竞赛的要素下，但在2002年其全球市占率仅0.42﹪，现在CdTe电池商业化产品功率已超越10﹪，究其无法耀升为商场干流的原因，大至有下列几点：一、模块与基材资料本钱太高，全体CdTe太阳能电池资料占总本钱的53﹪，其间半导体资料只占约5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量必然无法敷衍很多而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法定心的承受此种光电池。$ {$ f [: U& {9 h
CdTe太阳能电池作为大规划出产与使用的光伏器材，最值得重视的是环境污染问题。有毒元素Cd对环境的污染和对操作人员健康的损害是不容忽视的。咱们不能在获取清洁动力的一起，又对人体和人类生存环境形成新的损害。有效地处理抛弃和破损的CdTe组件，技能上很简单。而Cd是重金属，有剧毒，Cd的化合物与Cd相同有毒。其首要影响，一是含有Cd的尘土经过呼吸道对人类和其他动物形成的损害；二是出产废水废物排放所形成的污染。因而，对破损的玻璃片上的Cd和Te应去除并收回，对损坏和抛弃的组件应进行妥善处理，对出产中排放的废水、废物应进行契合环保规范的处理。现在各国均在大力研讨处理CdTe薄膜太阳能电池展开的要素，信任上述问题不久将会逐一处理，然后使碲化镉薄膜电池成为未来社会新的动力成分之一。
