无机化合物电池

1、无机化合物电池发展概述 第二组 太阳光辐射主要是以可见光为中心，分布于0.3微米至几微米光谱范围，对应光子能量0.4eV4eV之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备： 能带在1.1eV1.7eV之间(对应光波长范围0.731.13m) 直接能带半导体 组成材料无毒性无毒性 可利用薄膜沉积技术且可大面积制备大面积制备 有良好的光电转换效率效率 具有长期稳定性稳定性 砷化镓砷化镓（GaAsGaAs）太阳能电池）太阳能电池砷化镓砷化镓 （GaAsGaAs）电池）电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs 太阳电池具有较好的

2、性能。 优点 1.光吸收系数高吸收系数高。 2.带隙宽度带隙宽度与太阳光谱匹配。 3.耐高温耐高温性能好。 4.抗辐照抗辐照性能强。 1.1.砷化镓砷化镓基基单结单结太阳能电池太阳能电池 1.1GaAs/GaAs同质结同质结太阳能电池 60年代初A.Gbat等人首次采用扩散法扩散法制备出原理与硅太阳能电池类似的GaAs太阳能电池，其转化效率不到10%。到了70-80年代，采用液相外液相外延技术延技术（LPE）制备的GaAs/GaAs太阳能电池最高效率达到21%。LPE技术存在GaAs表面复 合速率高速率高，多层结构复杂多层结构复杂的生长难以实现和外延层参数难以精确控制等问题，限制了GaAs太阳

3、能电池性能的进一步提高，而GaAs同质结材料密密度大，机械性能差，价格贵度大，机械性能差，价格贵等缺点，也限制了电池的应用空间。这些问题促使人们寻找新的方法研究GaAs太阳能电池。1.2GaAs/Ge异质结太阳能电池 结构：上电极，AlGaAs窗口层窗口层，GaAs发射结构发射结构， GaAs基区基区， GaAs缓冲区缓冲区，Ge衬底衬底，下电极。 20世纪80年代，美国的ASEC公司开始采用有机物化学气相外延淀积 （MOCVD）技术，并采用Ge代替GaAs做衬底，研制出GaAs/Ge异质结太阳能电池。保持了高效率高效率，抗辐射抗辐射和耐高温耐高温的优点，同时Ge机械强度高，价格是GaAs的3

4、0%，MOCVD技术使太阳能电池表面更加平整平整,各层厚度均匀厚度均匀，浓度准确可控浓度准确可控，GaAs电池性能有很大改善，效率也进一步提高。到了20世纪90年代，很快替代了同质结电池。2.砷化镓砷化镓基基多结多结太阳能电池太阳能电池 采用不同禁带宽带不同禁带宽带的-族材料制备的多结叠层多结叠层GaAs太阳能电池，通过禁带宽带由大到小组合，使这些材料可以分别吸收和转换太阳光谱中不同波长的光，大幅提高电池的转换效率。 双结双结叠层电池由两种不同禁带宽度的材料制成，通过隧穿结串接而成，研究比较成熟成熟，主要有AlGaAs / GaAs，GaInP/GaAs, GaInAs/InP等。 在GaIn

5、P/GaAs基础上研制出了三结三结太阳能电池，主要是GaInP/GaAs/Ge，有很好的高温特性，聚光显著提高电流输出，特别实现高倍聚光后，可获得更高的功率输出。 研究发现，结数越多，效率越高结数越多，效率越高，因此四结五结的研制将是太阳能电池研究的热点。3.GaAs3.GaAs基基量子点量子点太阳能电池太阳能电池 量子点是第三代第三代太阳能电池。（第一代是硅非晶硅，第二代是薄膜） 量子点(quantumdots，QDs)又可称为纳米晶，是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米三个维度尺寸均在纳米数量级数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由II BB或IIIBVB元素组成

6、)制成的、稳定直径在220 nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由IIVI族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIV族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。产业发展现状产业发展现状及展望及展望 砷化镓电池主要还是应用应用在宇宙空间探测利用等方面，在地面使用较少。 存在的问题 制备费用高；砷有毒，对于环境安全 和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁；目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制，一般制成带衬底的薄膜电池，需要构造隧道和防止形成寄生的p/n结，这增加了技术的难度 一种比较有前途的光伏

7、发电装置，对促进未来人类新能源利用，创造洁净生存环境是一个好的备选项. 碲化镉（CdTe）太阳能电池 一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池，是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。 第一个碲化镉薄膜太阳能电池是由RCA实验室于1976年在CdTe单晶上镀上In的合金制得的，其光电转换效率为2.1%。20世纪90年代初，碲化镉薄膜太阳能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。目前碲化镉薄膜太阳能电池在实验室中获得的最高光电转换效率已达到17.3%。其商用模块的转换效率也达到了10%左右。 碲化镉薄膜电池的结构结构 一般标准的碲

8、化镉薄膜太阳能电池由五层结构组成: 玻璃衬底 起支架、防止污染和入射太阳光的作用。 TCO层即透明导电氧化层导电氧化层。透光和导电的作用。 CdS窗口层窗口层 n型半导体， 与p型CdTe组成p-n结。 CdTe吸收层吸收层 主体吸光层， 与n型的CdS窗口层形成的 p-n结是整个电池最核心的部分。 背接触层和背电极背接触层和背电极 降低CdTe 和金属电极的接触势垒，引 出电流，使金属电极与CdTe 形成欧姆接触。 碲化镉薄膜电池优点优点 理想的禁带宽度理想的禁带宽度 CdTe的禁带宽度一般为1.45eV，CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配。 高光吸收率高光吸收率 吸收系数在可见光范围高达

9、104cm-1以上，95%的光子可在1m厚的吸收层内被吸收。 转换效率高转换效率高 理论光电转换效率约为28%。 电池性能稳定电池性能稳定 一般设计使用时间为20年。 电池结构简单结构简单 制造成本低成本低，容易实现规模化规模化生产。碲化镉电池发展趋势及展望碲化镉电池发展趋势及展望 问题： 地球上碲的储藏量储藏量是否能满足工业化规模生产及应用；含有重金属元素镉重金属元素镉等 目前，碲化镉薄膜太阳能电池的生产成本正在逐步接近、甚至低于传统发电系统的，这种廉价的清洁能源在全世界范围内引起了关注，各国均在大力研究解决制约碲化镉薄膜太阳能电池发展的因素。 铜铟硒铜铟硒(CIS(CIS)太阳能薄膜电池太

10、阳能薄膜电池CIS太阳电池的典型结构典型结构金属栅状电极减反射膜窗口层(ZnO)缓冲层(CdS或ZnS)吸收层(CIS)金属背电极(Mo)衬底 CIS（CuInSe2、CuInS2的缩写）电池是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物半导体薄膜，薄膜总厚度大约为23微米，直接带隙半导体直接带隙半导体。 CIS薄膜太阳能电池 CIS材料的光吸收系数是现有太阳能电池材料中最高的，可使薄膜做得很薄，减低成本。CIS具有本征缺陷自掺杂特性，不需要其他元素的掺杂，仅通过调整自身元素的成分就可以获得不同的导电类型。通过控制Cu/In与S(Se)/(Cu+In)之比来控制导电类型。 目前，CuInSe2和

11、CuInS2薄膜太阳能电池的光电转换效率分别达到了17.1%和13%，虽比不上多晶硅电池，但其成本低成本低，且发展潜力大潜力大。 进一步掺入掺入Ga元素元素还可以提高CIS电池的整体性能CIS 薄膜太阳能电池的制备薄膜太阳能电池的制备 CIS薄膜的薄膜的制备方法多种多样方法多种多样,大致可以归为三类大致可以归为三类: CuIn的合金过程和的合金过程和Se化分离；化分离；Cu、In、Se一起合金化；一起合金化；CuInSe2化合物的直接喷涂。化合物的直接喷涂。 主要的制备技术包括主要的制备技术包括:真空蒸镀真空蒸镀、电沉积电沉积、反应溅射反应溅射、化化学浸泡学浸泡、快速凝固技术快速凝固技术、化学

12、气相沉积化学气相沉积、分子束外延分子束外延、喷射热解喷射热解等。其中蒸镀法所制备的等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效太阳能电池转换效率最高。电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到了率最高。电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到了广泛研究广泛研究,有相当的应用前景有相当的应用前景 CIS量子点太阳能电池CuInSe2量子点的制备以TOPSe为硒源的热注入法热注入法，以油胺作活化剂液相合成液相合成CuInSe2量子点。CuInS2量子点制备金属有机化合物热注射热注射，油胺活化油胺活化，单源前躯物热解法热解法。基本流程：清洗 ITO 玻璃基板镀背电极（Mo）在背电极上镀CIS用化学水浴法在

13、CIS上沉积缓冲层（CdS或ZnS）镀减反射层（ZnO）蒸镀栅状前电极（Al） CIS量子点太阳能电池典型结构铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜：增加入射率AZO： 低阻，高透，欧姆接触i-ZnO：高阻，与CdS构成n区CdS： 降低带隙的不连续性，缓 冲晶格不匹配问题CIGS： 吸收区，弱p型，其空间电 荷区为主要工作区CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟最关键的吸收层的制备吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法蒸发法、

14、溅射后硒法、电化学沉积法电化学沉积法、喷涂热解法喷涂热解法和丝网印刷法丝网印刷法1.衬底温度保持在约350 左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。2.将衬底温度提高到550一580，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的薄膜。3.保持第二步的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到的薄膜。三步共蒸发法CIGS薄膜太阳能电池的优点 材料吸收率高材料吸收率高,吸收系数高达吸收系数高达105量级量级,直接带隙直接带隙,适合薄膜适合薄膜化化,电池厚度可做到电池厚度可做到23微米微米,降低昂贵的材料成本降低昂贵的材料成本 光学

15、带隙可调光学带隙可调.调制调制Ga/In比比,可使带隙在可使带隙在1.01.7eV间变化间变化,可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配 抗辐射能力强抗辐射能力强.通过电子与质子辐照、温度交变、振动、通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验加速度冲击等试验,光电转换效率几乎不变光电转换效率几乎不变.在空间电源方在空间电源方面有很强的竞争力面有很强的竞争力 稳定性好稳定性好,不存在很多电池都有的光致衰退效应不存在很多电池都有的光致衰退效应 电池电池效率高效率高.小面积可达小面积可达19.9%,大面积组件可达大面积组件可达14.2% 弱光特性好弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能对光照不理想的地区犹显其优异性能.CIGS电池分析1.工业制造方面：优化产量、提高生产能力、降低投资成本和材料损耗；控制CIGS吸收层的沉积时间；减少投入的