碲化鎘薄膜太陽能電池

一、簡(jiǎn)介

　　CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率（28%），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，制成的太陽電池的填充因子高達(dá)F F =0.75。

　　制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，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。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)?；a(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%。

二、發(fā)展

  　人們認(rèn)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(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)過組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì)、研究和優(yōu)化過程. 近年來,不僅有許多國家的研究小組已經(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薄膜太陽電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè),有的已經(jīng)投產(chǎn)。

  　在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國際上許多國家的CdTe薄膜太陽電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW，目前，美國高爾登光學(xué)公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜電池的生產(chǎn)能力為2MW，日本的CdTe電池產(chǎn)量為2.0MW。德國ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽電池組件生產(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薄膜太陽電池。而Solar Cells公司也將進(jìn)一步擴(kuò)大CdTe薄膜太陽電池生產(chǎn)。

三、國內(nèi)CdTe薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)

　　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(yīng)用前景最好的新型太陽電池，它已經(jīng)成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對(duì)象。

　　我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀(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%。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)太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)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(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。最近電池效率已經(jīng)突破13.38%，進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。“十五”期間，CdTe薄膜電池研究被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”重點(diǎn)項(xiàng)目。

　　經(jīng)過多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力，我國正處于實(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薄膜太陽電池研究，由原來的只有內(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能科技開發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產(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，使我國在CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化將得到長足發(fā)展，向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)。

四、存在問題與制約因素

　　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(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10﹪，究其無法耀升為市場(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)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。

　　CdTe太陽能電池作為大規(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的塵埃通過呼吸道對(duì)人類和其他動(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。目前各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發(fā)展的因素，相信上述問題不久將會(huì)逐個(gè)解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會(huì)新的能源成分之一。