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薄膜太阳能电池的分类与发展历史

导读: 为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物,硫化镉,碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。

  薄膜太阳能电池种类

  为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物,硫化镉,碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。

  上述电池中,尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。

  砷化镓太阳能电池

  GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。

  砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的MOCVD,一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术,其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错,反应压力,III-V比率,总流量等诸多参数的影响。 GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ,产品耐高温和辐射,但生产成本高,产量受限,目前主要作空间电源用。以硅片作衬底, MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓,多晶砷化镓,镓铝砷--砷化镓异质结,金属-半导体砷化镓,金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。

  砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法,直接拉制法,气相生长法,液相外延法等。由于镓比较稀缺,砷有毒,制造成本高,此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外,其它III-V化合物如Gasb,GaInP等电池材料也得到了开发。

  1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2%,为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外,该研究所还采用堆叠结构制备GaAs,Gasb电池,该电池是将两个独立的电池堆叠在一起,GaAs作为上电池,下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到31.1%。

  砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

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