非晶硅電池的優點有哪些?

非晶硅電池具有如下優點：

(1)制造成本低。這是因為：①半導體層光吸收系數比晶體硅大一個數量級，電池厚度只需1μｍ左右，約為晶體硅電池的１／３００，可節省大量硅材料。②可直接沉積出薄膜，沒有切片損失。③可采用集成技術在電池制備過程中一次完成組件，工藝過程簡單。④電池的ｐｉｎ結是在２００℃左右的溫度下制造的，比晶體硅電池的８００～１０００℃的高溫低得多，能源消耗小。⑤電池的單片面積可大到
０．７～１．０ｍ２，組裝方便，易于實現大規模生產。
?２　能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅電池的生產能耗僅為１００ｋＷ·ｈ左右，能源回收期僅為ｌ～１．５ａ，比晶體硅低得多。
?３　發電量多。據測試，在相同條件下，非晶硅電池的發電量較單晶硅電池高８％左右，較多晶硅電池高１３％左右。
?４　售價低。目前約比晶體硅電池的售價約低１／４～１／３。
影響非晶硅電池作為地面電源應用的最主要問題，是效率低、穩定性差。目前實驗室效率已達１５％，但生產中電池組件的穩定效率僅為５．５％～７．５％。引起效率低、穩定性差的主要原因是光誘導衰變，即所謂的Ｓ－Ｗ效應。用氫稀釋硅烷方法生長的ａ－Ｓｉ和ａ－ＳｉＧｅ薄膜可以抑制光誘導衰變，提高效率。使用雙疊層、三疊層或多疊層結構可以增加光譜響應，提高效率。但從工業化生產和地面電源應用的要求來看，問題還遠未得到令人滿意的解決，仍有許多工作要做。關于非晶硅電池的衰降問題，許多科研人員已進行多年的研究實驗，并還在繼續進行著，主要內容有：①高質量本征非晶硅材料的研究?包括晶化技術　，減少光生亞穩態密度，提高穩定性。②高質量ｎ型和ｐ型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高摻雜效率，增強內建電場，提高電池的穩定性。③改善非晶硅電池內部界面，降低界面態，減小界面復合，提高輸運效率、轉換效率和電池的穩定性。④優質ａ－Ｓｉ：Ｇｅ合金材料的研究，進一步完善雙結、三結、多帶隙非晶硅電池，提高效率和電池的穩定性。

?二　碲化鎘(ＣｄＴｅ)系薄膜大陽能電池

這種電池系由ＣｄＴｅ、ＣｄＳ和其他Ⅱ－Ⅵ族化合物通過相對簡單且成本低的工藝沉積在襯底上經干燥和燒結而成。目前實驗室效率達到１６．５％，中試線效率達到１０％，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。該電池如果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。Ｃｄ是重金屬，有劇毒，Ｃｄ的化合物與Ｃｄ一樣，也是有毒的。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。

?三　硒銦銅(ＣＩＳ)系薄膜太陽能電池

ＣＩＳ薄膜是一種Ｉ－Ⅲ－Ⅵ族化合物半導體，具有黃銅礦、閃鋅礦兩個同素異形的晶體結構。摻入鎵?Ｇａ　即形成為四元化合物。ＣＩＳ?硒銦銅　和ＣＩＧＳ?硒銦鎵銅　的制備方法很多，歸納起來大致有物理方法和化學方法兩種。經過多年的研發，ＣｄＳ／ＣｕＩｎＳｅ２電池組件的效率已達１１％，ＣｄＳ／ＣｕＩｎＧａＳｅ２電池組件的效率已達１８％，并已建立起了工業化生產線。該電池的主要優點是：具有較高的光吸收率，比非晶硅電池效率高，可達２０％左右；生產成本低，僅為晶體硅電池的１／３～１／２。今后應在提高電池的穩定性和改進與完善工業化生產工藝技術等方面進一步開展研究。這種電池能否成為可以廣泛生產應用的光伏器件，最為關鍵的問題是銦的資源保證問題，因為世界銦的資源十分有限。同時，鎘的污染問題也是應加關注的問題。

?四　多晶硅薄膜太陽能電池

多晶硅(ｐｏｌｙ－Ｓｉ)薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百ｎｍ級，大顆粒尺寸可達μｍ級。高質量的半導體多晶硅薄膜的許多性能參數，都可用單晶硅?Ｃ－Ｓｉ　薄膜和非晶硅氫合金?ａ－Ｓｉ：Ｈ　薄膜的參數來代替。多晶硅薄膜在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩定性，因此被公認為是高效、低耗的理想光伏器件材料。

近年來制備ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜材料的工藝技術有很大發展。用ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜代替ａ－ＳｉＧｅ作為底部電池在進一步提高硅基薄膜太陽能電池性能方面顯示出許多優勢：①其帶隙可做到１．１２ｅＶ，與ａ－Ｓｉ／ａ－ＳｉＧｅ／ａ－ＳｉＧｅ薄膜電池相比，ａ－Ｓｉ／ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜電池能吸收更小能量的太陽光子，具有更高的轉換效率極限；②ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜沒有光致衰退效應。理論計算表明，ａ－Ｓｉ／ｐｏｌｙ－Ｓｉ疊層電池的效率可達２８％。Ｋａｎｅｋａ公司設計的ＳＴＡＲ結構的多晶硅薄膜電池，效率已達１０．７％?＜５μｍ　，且無光致衰降現象；另一種ＳＯＩ結構的多晶硅薄膜電池?１０ｃｍ×ｌ０ｃｍ　，獲得了高達１４．２２％的效率。Ｈ．Ｍｏｒｉｋａｗａ等更制備出了效率高達１６％的多晶硅薄膜電池。理論和實踐均表明，多晶硅薄膜太陽能電池很有可能成為２１世紀最有前途的一種薄膜太陽能電池。

多晶硅薄膜電池既具有節省硅原料用量和簡化硅片制造工藝的特點，又具有晶體硅電池轉換效率高和穩定性能好的優點。它只有晶體硅電池厚度的３％左右。因此，要得到同樣的轉換效率，對薄膜材料的質量?少數載流子的擴散長度　要求僅是對硅片要求的１／３０。在制造工藝上，多晶硅薄膜電池集電池和組件于一體，從而大大降低了生產成本。

多晶硅薄膜可在６００℃以下的低溫沉積，隨后用激光加熱晶化或固相結晶等方法形成。電池襯底可采用玻璃甚至塑料類的柔性材料。也可以直接在高溫下生長形成多晶硅薄膜，生長溫度大于１０００℃，硅的沉積速率約為５ｎｍ／ｍｉｎ。生長溫度高就需要選擇耐高溫襯底材料，目前通常采用低質量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高溫下生長薄膜，獲得的多晶硅薄膜具有較好的結晶性，晶粒尺寸較大。低溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用ＣＶＤ方法。由低溫沉積的薄膜，晶粒尺寸較小，獲得的電池效率不高。要獲得１０％～１５％的效率，晶粒尺寸須大于１００ｎｍ。高溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用液相外延、區熔再結晶?ＺＭＲ　及ＬＰＣＶＤ，ＡＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ等方法。先在耐高溫襯底材料上生長厚度為１０～２０ｎｍ的多晶硅薄膜，再利用晶體硅電池常規制備工藝進行ｐ－ｎ結及電極制備。美國Ａｓｔｒｏ Ｐｏｗｅｒ公司在耐高溫襯底上制備的多晶硅薄膜電池效率已達１６％，而且認為通過降低多層減反射膜中氧化層的厚度到１００Ａ，并增加基體材料擴散長度，電池效率可達１８％。

澳大利亞ＢＰ Ｓｏｌａｒ公司是世界著名的從事多晶硅薄膜電池產業化開發的公司，目前中試線生產的電池組件效率已達８．５％，生產成本約在１．９５美元／Ｗｐ，并正在生產ｌｍ２面積的組件。

多晶硅薄膜電池具有上述的效率高、性能穩定及成本低的優點，是降低太陽能電池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下問題：①多晶硅薄膜低溫沉積，質量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低。②多晶硅薄膜高溫沉積，能耗高，尚缺少適于生長優質多晶硅薄膜的廉價而優良的襯底材料。因而今后應著重研發如下問題：①大面積、大晶粒薄膜的生長技術；②進一步提高薄膜的生長速率；③薄膜缺陷的控制技術；④優質、價廉襯底材料的研發；⑤電池優良設計、表面結構技術及背反射技術等的研究。

三、關于超高效太陽能電池的研究探索

太陽輻射能轉換成電能的卡諾循效率可達９５％，而目前太陽能電池理論效率的上限僅為３３％，這說明太陽能電池的光電轉換效率還有很大潛力。研究表明，造成太陽能電池能量損失的主要因素有：①第一位的損失是熱損失，光生載流子對能很快地將能帶多余的能量以熱的形式損失掉。②另一主要損失是電子－空穴對引起的。③還有一部分能量是由ｐ－ｎ結和接觸電壓損失引起的。為減少熱損失，可設法讓通過電池的光子能量恰好大于能帶能量，使光子的能量激發出的光生載流子無多余的能量可損失。為減少電子－空穴結合所造成的損失，可設法延長光生載流子壽命，這可通過消除不必要的缺陷來實現。減少ｐ－ｎ結的接觸電壓損失，可通過聚集太陽光以加大光子密度的方法來實現。

基于以上分析，為進一步提高太陽能電池的光電轉換效率，澳大利亞和美國分別提出了第三代太陽能電池的概念進行研究探索。目前由馬丁·格林教授領導的新南威爾士大學第三代太陽能電池研究中心，正積極開展超高效?＞５０％　太陽能電池的理論研究工作和科學實驗工作。研究的重點是如何充分收集由價帶躍遷到高層導帶的載流子。目前研究實驗的電池主要有超晶格電池、“熱載流子”電池、新型“疊層”電池和“熱光伏”電池等。

此外，將納米等新材料應用于新型光伏器件的研究開發，近年來引起科研人員的關注，開展了一些研究探索，認為是很有希望的研發方向。

?