碲化镉薄膜太阳能电池的发展概况

碲化镉薄膜太阳能电池的发展概况

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，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料[1]，具有很高的理论效率（28%）[2]，性能很稳定，一直被光伏界看重，是技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池通常以CdS ／CdT e异质结为基础。尽管CdS和CdTe和晶格常数相差10%，但它们组成的异质结电学性能优良，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术已经开发出来，如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等[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. 近空间升华法：采用玻璃作衬底，衬底温度500～600℃，沉积速率10μm/min. 真空蒸发法：将CdTe 从约700℃加热钳埚中升华，冷凝在300～400℃衬底上，典型沉积速率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。电池的实验室效率不断攀升，最近突16%。20世纪90年代初，CdTe电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在1%左右。商业化电池效率平均为8%-10%[5]。/ L2 d: c/ B4

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为了更好地、更系统地研究CdTe系太阳电池，本文简要介绍CdTe薄膜太阳能电池的国内外的研究进展与产业发展状况，以及存在的问题、制约因素等。
# {+ ]% Q7 X, I" q* W二、国外CdTe薄膜太阳能电池产业发展状况与趋势( r. w- e+ z. Q9 N" [
CdTe薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm2 面积上做出效率为15.8 %的太阳电池[6] , 随后，日本Matsushita  Battery报道了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,小面积电池最高转换效率16%[7]，成为当时CdTe薄膜太阳能电池的最高纪录，近年来,太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性. 因此,以CdTe为代表的薄膜太阳电池倍受关注，Siemens报道了面积为3600cm2电池转换效率达到11.1％的水平。美国国家可再生能源实验室提供了Solar Cells lnc的面积为 6879cm2CdTe薄膜太阳电池的测试结果，转换效率达到7.7％；Bp Solar的CdTe薄膜太阳电池，面积为4540cm2，效率为8.4％，面积为706cm2的太阳电池，转换效率达到10.1％；Goldan  Photon的CdTe太阳电池，面积为3528cm2，转换效率为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
研究机构        面积/cm2        开路电压/V        转换效率/%
) ]# }  {; 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
. j& Q3 c) w  {) N# ?, ?1 c$ {
大面积单体电池
7 k2 a8 E9 q; g; o+ c研究机构        面积/cm2        转换效率/%         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
人们认为,CdTe 薄膜太阳电池是太阳能电池中最容易制造的,因而它向商品化进展最快. 提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化,适当减薄窗口层CdS 的厚度,可减少入射光的损失,从而增加电池短波响应以提高短路电流密度,较高转换效率的CdTe 电池就采用了较薄的CdS 窗口层而创了最高纪录.要降低成本,就必须将CdTe 的沉积温度降到550 ℃以下,以适于廉价的玻璃作衬底;实验室成果走向产业,必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程. 近年来,不仅有许多国家的研究小组已经能够在低衬底温度下制造出转换效率12%以上的CdTe 太阳电池,而且在大面积组件方面取得了可喜的进展,许多公司正在进行CdTe薄膜太阳电池的中试和生产厂的建设,有的已经投产.
" ^. x* b$ f9 ?$ O在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的CdTe薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1998年美国的CdTe电池产量就为0.2MW，目前，美国高尔登光学公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜电池的生产能力为2MW[12]，日本的CdTe电池产量为2.0MW。德国ANTEC公司将在Rudisleben建成一家年产10MW的CdTe薄膜太阳电池组件生产厂，预计其生产成本将会低于＄1.4/w。该组件不但性能优良，而且生产工艺先进，使得该光伏组件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓宽了应用面，又可取代某些建筑材料而使电池成本进一步降低。BP Solar公司计划在Fairfield生产CdTe薄膜太阳电池。而Solar Cells公司也将进一步扩大CdTe薄膜太阳电池生产。
# k3 X6 m$ ]- O9 i! V) _三、国内CdTe薄膜太阳能电池产业发展状况与趋势
  f. G1 C$ @; {9 K" f碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，目前，已获得的最高效率为16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。
  b  k( h! @7 Q我国CdTe薄膜电池的研究工作开始于上世纪80年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术（ED）研究和制备CdTe薄膜电池，后者研制的电池效率达到5.8%[13]。80年代中期至90年代中期，研究工作处于停顿状态。90年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。采用近空间升华技术研究CdTe薄膜电池，并取得很好的成绩。最近电池效率已经突破13.38%[14]，进入了世界先进行列。“十五”期间，CdTe薄膜电池研究被列入国家高技术研究发展计划“863”重点项目。
% |- i8 O' w" O& S9 I$ L经过多年几代科学工作者的不懈努力，我国正处于实验室基础研究到应用产业化的快速发展阶段，并计划建立年产量0.5MW的中试生产线。CdTe薄膜太阳电池研究，由原来的只有内蒙古大学、四川大学、新疆大学等几家科研院所进行这方面的基础研究，到今年的四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太阳能电池核心材料产业化，为期两年，将建设拥有年产碲化镉50吨的生产线、硫化镉10吨生产线，使我国在CdTe薄膜太阳电池产业化将得到长足发展，向世界领先水平迈进。5 v. E; ~; C- l! b* B8 p* U
四、存在问题与制约因素/ K+ o# T& Y, J
CdTe薄膜太阳电池较其他的薄膜电池容易制造，因而它向商品化进展最快。已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。CdTe太阳能电池在具备许多有利于竞争的因素下，但在2002年其全球市占率仅0.42﹪，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：一、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53﹪，其中半导体材料只占约5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。$ {$ f  [: U& {9 h

CdTe太阳能电池作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。有毒元素Cd对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。我们不能在获取清洁能源的同时，又对人体和人类生存环境造成新的危害。有效地处理废弃和破损的CdTe组件，技术上很简单。而Cd是重金属，有剧毒，Cd的化合物与Cd一样有毒。其主要影响，一是含有Cd的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害；二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的Cd和Te应去除并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。目前各国均在大力研究解决CdTe薄膜太阳能电池发展的因素，相信上述问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉薄膜电池成为未来社会新的能源成分之一。