发展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题

1、发展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题2009.4碲化镉 HYPERLINK /SEARCH/WENZHANG/薄膜太阳能.HTM o 薄膜太阳能 薄膜太阳能电池的发展日益受到重视。碲资源、电池成本、电池生产和使用对环境的影响等问题是碲化镉薄膜太阳能电池发展中受到很多人关注的问题。本文对此进行了分析讨论，最后分析了工业化规模生产碲化镉薄膜太阳能电池组件的关键技术。引言 碲化化镉薄膜膜太阳能能电池的的发展受受到国内内外的关关注，其其小面积积电池的的转换效效率已经经达到了了16.5%，商商业组件件的转换换效率约约9%，组组件的最最高转换换效率达达到111%。国国内四川川大学制制备出转转换效率率为1

2、33.388%的小小面积单单元 HYPERLINK /SEARCH/WENZHANG/太阳能电池.HTM o 太阳能电池 太阳阳能电池池，54ccm2集集成组件件转换效效率达到到7，正正在进行行0.11组件件生产线线的建设设和大面面积电池池生产技技术的研研发。成成本估算算 考虑虑电池的的结构为为玻璃/SnOO2：FF/CddS/CCdTee/ZnnTe/ZnTTe：CCu/NNi，碲碲化镉薄薄膜的厚厚度为55微米，转转换效率率为7%，1MMW碲化化镉薄膜膜太阳能能电池所所消耗的的材料的的成本如如下表所所示。碲化镉薄膜膜太阳能能电池的的材料成成本 可可见，碲碲化镉和和透明导导电玻璃璃构成材材料成

3、本本的主体体，分别别占到消消耗材料料总成本本的455.4%和388.2%。 消耗耗材料的的成本还还可以进进一步降降低，如如将碲化化镉薄膜膜的厚度度减薄11微米，则则碲化镉镉材料的的消耗将将降低220%，从从而使材材料总成成本降低低9.11%，即即从每峰峰瓦6.21元元降为55.644元。如如使用999.9999%纯度的的碲化镉镉，效率率依然能能达到77%，材材料成本本还将进进一步降降低。因因此，材材料成本本达到或或低于每每峰瓦55元人民民币是可可能的。 考虑虑工资、管管理、电电力和设设备折旧旧等其他他成本，碲碲化镉薄薄膜太阳阳能电池池的成本本大约是是每峰瓦瓦13.64元元人民币币或更低低。因此

4、此，即使使销售价价格为每每峰瓦220222元人人民币，约约为 HYPERLINK http:/www.offweeek.ccom/SEAARCHH/WEENZHHANGG/晶体体硅.HHTM oo 晶晶体硅 tt _blaank 晶体硅硅太阳能能电池现现在价格格的600%，也也能保证证制造商商有相当当的利润润空间。 由于于碲化镉镉薄膜太太阳能电电池成本本低，其其发展对对于解决决我国西西部地区区分散居居住人口口的电力力供应具具有重要要意义。碲资源源 碲是是地球上上的稀有有元素，发发展碲化化镉薄膜膜太阳能能电池面面临的首首要问题题就是地地球上碲碲的储藏藏量是否否能满足足碲化镉镉太阳能能电池组组件的

5、工工业化规规模生产产及应用用。工业业上，碲碲主要是是从电解解铜或冶冶炼锌的的废料中中回收得得到。据据相关报报道，地地球上有有碲144.9万万吨，其其中中国国有2.2万吨吨，美国国有2.5万吨吨。 在美美国碲化化镉薄膜膜太阳能能电池制制造商FFirsst SSolaar年产产量255MW的的工厂中中，30003340公公斤碲化化镉即可可以满足足1MWW太阳能能电池的的生产需需要。考考虑到碲碲的密度度为6.25gg/cmm3，镉镉的密度度为8.64gg/cmm3，则则13001440公斤斤碲即可可以满足足1MWW碲化镉镉薄膜太太阳能电电池的生生产需要要。 由以以上数据据可以知知道，按按现已探探明储

6、量量，地球球上的碲碲资源可可以供1100个个年生产产能力为为1000MW的的生产线线用1000年。环境影影响 由于于碲化镉镉薄膜太太阳能电电池含有有重金属属元素镉镉，使很很多人担担心碲化化镉太阳阳能电池池的生产产和使用用对环境境的影响响。多年年来，一一些公司司和专家家不愿步步入碲化化镉太阳阳能电池池的开发发和生产产。那么么，碲化化镉薄膜膜太阳能能电池的的生产和和使用中中镉的排排放究竟竟有多严严重呢？ 为此此，美国国布鲁克克文国家家实验室室的科学学家们专专门研究究了这个个问题。他他们系统统研究了了晶体硅硅太阳能能电池、碲碲化镉太太阳能电电池与煤煤、石油油、天然然气等常常规能源源和核能能的单位位发

7、电量量的重金金属排放放量。在在太阳能能电池的的分析中中，考虑虑了将原原始矿石石加工得得到制备备太阳能能电池所所需材料料、太阳阳能电池池制备、太太阳能电电池的使使用等全全寿命周周期过程程。研究究结果表表明（见见图1），石石油的镉镉排放量量是最高高的，达达到444.3gg /GGWh，媒媒次之，为为3.77g /GWhh。而太太阳能电电池的排排放量均均小于11g /GWhh，其中中又以碲碲化镉的的镉排放放量最低低，为00.3 g / GWWh。与与天然气气相同，硅硅太阳能能电池的的镉排放放量大约约是碲化化镉太阳阳能电池池的两倍倍。图1 太阳阳能电池池组件与与其他能能源的镉镉排放量量的比较较图 他他

8、们还研研究了硅硅太阳能能电池和和碲化镉镉太阳能能电池生生产与使使用中其其他重金金属的排排放。研研究结果果表明（见见图2），碲碲化镉太太阳能电电池的砷砷、铬、铅铅、汞、镍镍等其他他重金属属的排放放量也比比硅太阳阳能电池池的低。该该研究报报告结论论基于对对美国FFirsst SSolaar公司司碲化镉镉薄膜太太阳能电电池生产产线、碲碲化镉太太阳能电电池组件件使用现现场的系系统考察察，和对对其他太太阳能电电池、能能源的实实际生产产企业的的工艺、相相关产品品的使用用环境研研究分析析得出。研研究结果果的科学学性、公公正性得得到国内内外的认认可。研研究者在在20006年欧欧洲材料料年会硫硫系半导导体光伏伏

9、材料分分会作的的报告引引起了与与会人员员的强烈烈关注。图2 硅硅太阳能能电池和和碲化镉镉太阳能能电池的的重金属属排放量量的比较较图 美美国的研研究人员员还针对对碲化镉镉薄膜太太阳能电电池组件件使用过过程中，遇遇到火灾灾等意外外事故造造成组件件损毁时时镉的污污染进行行了研究究。他们们将双玻玻璃封装装的碲化化镉薄膜膜太阳能能电池组组件在模模拟建筑筑物发生生火灾的的情况下下进行试试验，实实验温度度高达111000。结果果表明，高高温下玻玻璃变软软以至于于熔化，化化合物半半导体薄薄膜被包包封在软软化了的的玻璃中中，镉流流失量不不到电池池所含镉镉总量的的0.004%。考考虑到发发生火灾灾的几率率，得出出

10、使用过过程中，镉镉的排放放量不到到0.006mgg/ GGWh。 虽然然实验表表明碲化化镉薄膜膜太阳能能电池组组件的使使用是安安全的，但但是建立立寿命末末期电池池组件和和损毁组组件的回回收机制制可以增增强公众众的信心心。分离离出的CCd、TTe及其其他有用用材料，还还可用于于制造生生产太阳阳能电池池组件所所需的相相关材料料，进行行循环生生产。美美国、欧欧洲的研研究表明明，技术术上是可可行的，回回收材料料的效益益高于回回收成本本。事实实上，美美国Fiirstt Soolarr公司的的碲化镉镉太阳能能电池组组件在销销售时就就与用户户签订了了由工厂厂支付回回收费用用的回收收合同。 综上上所述，碲碲化

11、镉太太阳能电电池在生生产、使使用等方方面是环环境友好好的。 大面面积碲化化镉薄膜膜太阳能能电池组组件制造造的关键键技术 与小小面积单单元电池池相同，硫硫化镉、碲碲化镉、复复合背接接触层等等三层薄薄膜的沉沉积和后后处理是是获得高高效率的的技术关关键。不不同的是是，需要要在电池池的制备备过程中中对在特特定的工工艺环节节分别对对透明导导电薄膜膜、CddS/CCdTee半导体体层、金金属背电电极进行行刻划，实实现单元元电池的的串联集集成。此此外，工工业化大大面积组组件生产产要求工工艺条件件重复性性高，薄薄膜性质质均匀性性好，使使一些在在制备高高效率小小面积单单元电池池时使用用的有效效技术，并并不适用用

12、于大面面积组件件的制造造，需要要发展新新的技术术。图3 碲化化镉薄膜膜太阳能能电池组组件集成成结构示示意图图4 碲化化镉薄膜膜太阳能能电池组组件制备备工艺流流程图 1集成成技术 集成成工艺对对组件的的转换效效率具有有决定性性的影响响。实现现集成的的刻划技技术有机机械刻划划、 HYPERLINK / o 激光 激光光刻划两两种。机机械刻划划的刻划划速度比比激光刻刻划的慢慢得多，而而且对于于如碲化化镉等厚厚度到微微米量级级的较脆脆的薄膜膜，保证证刻槽的的平直无无渣工艺艺难度较较大。激激光刻划划能够获获得较窄窄的刻槽槽，宽度度最低可可到1000微米米。通常常，使用用基频（11.0664微米米） HY

13、PERLINK /SEARCH/WENZHANG/YAG.HTM o YAG YAAG：NNd激光光刻划系系统刻划划透明导导电薄膜膜，使用用倍频（5532nnm）YYAG：Nd激激光刻划划系统刻刻划硫化化镉/碲碲化镉膜膜层和金金属背电电极。激激光刻划划系统有有两种，其其一是移移动样品品实现激激光刻划划，其二二是样品品固定激激光头移移动实现现激光刻刻划。前前者受微微动台的的限制，刻刻划速度度只能达达到3000mmm/Seec5500mmm/SSec，后后者的刻刻划速度度可高达达30000 mmm/SSec以以上。 刻痕痕形貌对对串联集集成的电电子学特特性有极极大影响响。激光光入射方方向、激激光模

14、式式、刻划划速度和和Q开关关调制频频率是决决定刻痕痕形貌的的主要参参量。从从玻璃面面入射比比从薄膜膜面入射射更容易易得到高高质量的的刻痕。图图5是分分别用110644nm激激光和5532nnm的激激光刻划划CdSS/CddTe薄薄膜后，用用探针式式表面轮轮廓分析析仪测量量的刻痕痕形貌。110644nm激激光刻划划的刻槽槽边缘有有高达44微米的的“脊状状峰”，这这不利于于后续沉沉积的背背电极接接触层及及金属背背电极与与透明导导电薄膜膜之间形形成连续续的具有有良好欧欧姆特性性的连接接。图5 CddTe薄薄膜激光光刻划刻刻痕形貌貌 22 碲碲化镉薄薄膜的表表面腐蚀蚀技术 刚沉沉积的碲碲化镉薄薄膜载流

15、流子浓度度低，需需要在含含氧、氯氯的气氛氛下进行行38004550的热处处理。该该工艺同同时也促促进CddS/CCdTee的界面面扩散，减减少界面面的格子子失配程程度和钝钝化了薄薄膜的晶晶界势垒垒。但该该工艺在在碲化镉镉膜面形形成了一一高阻氧氧化层，可可以用化化学腐蚀蚀或离子子刻蚀去去除CddTe膜膜面的高高阻氧化化层。 物理理刻蚀技技术废料料少，容容易和其其他工艺艺环节集集成，但但是不易易获得厚厚度在110nmm1000nmm的高质质量富碲碲层，该该层对于于形成良良好欧姆姆接触特特性的背背电极是是非常关关键的。 化学学腐蚀方方法中，常常用体积积浓度为为0.11%的溴溴甲醇溶溶液作为为腐蚀液液

16、，腐蚀蚀时间88155秒。虽虽然使用用该腐蚀蚀工艺制制备的小小面积电电池转换换效率高高达166.5%，但是是溴甲醇醇溶液在在空气中中容易氧氧化，不不适合工工业化生生产使用用，需要要发展更更稳定的的腐蚀液液和速度度慢的腐腐蚀工艺艺。使用用磷酸-硝酸混混合溶液液可以获获得较好好的腐蚀蚀效果，典典型溶液液的体积积浓度为为（硝酸酸：磷酸酸：水）00.5：70：29.5，室室温下腐腐蚀时间间为1分分钟。降降低硝酸酸浓度和和温度可可以进一一步延长长腐蚀。磷磷硝酸溶溶液沿晶晶界的择择优腐蚀蚀较为严严重，容容易在沉沉积背电电极后形形成局部部的短路路漏电通通道。使使用硝酸酸-冰乙乙酸溶液液可以进进一步减减轻晶体体择优腐腐蚀程度度，获得得更好的的膜面腐腐蚀效果果。图6 不同温温度下使使用硝酸酸-冰乙乙酸腐蚀蚀后碲化化镉的XXRD谱谱图前景展展望 碲化化镉薄膜膜太阳能能电池正正日益受受到国内内外的关关注。全全球最大大的碲化化镉太阳阳能电池池制造商商美美国Fiirstt Soolarr公司正正加速扩扩大产