詳細分析太陽能電池技術(下）
光伏產業網訊
發布日期：2018-09-13
核心提示：
詳細分析太陽能電池技術(下）
鈣鈦礦型太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，即是將染料敏化太陽能電池中的染料作了相應的替換。
如圖示，鈣鈦礦太陽能電池由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。
其中，電子傳輸層一般為致密的TiO2納米顆粒，以阻止鈣鈦礦層的載流子與FTO中的載流子復合。通過調控TiO2的形貌、元素摻雜或使用其它的n型半導體材料如ZnO等手段來改善該層的導電能力，以提高電池的性能。
下圖為鈣鈦礦太陽能電池的結構及其載流子傳輸機制
鈣鈦礦太陽能電池中的物理過程
在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。這就是鈣鈦礦太陽能電池優異性能的來源。
然后，這些未復合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到TiO2等電子傳輸層，最后被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最后被金屬電極收集。
當然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應該降到最低。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產生光電流。
薄膜太陽能電池
薄膜太陽能電池就是根據其厚度特征定義出來的。硅晶太陽能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽能電池的吸光層只有1微米厚。
薄膜太陽能電池的生產者們開始減少吸光材料的層數，比如基體上的半導體、涂層玻璃等。用作半導體的材料不需要很厚，因為它們吸收太陽能非常高效。所以，薄膜太陽能電池輕質、耐用、簡單。
根據所用半導體的類型，薄膜太陽能電池主要有以下三類：非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒。
非晶硅是傳統硅晶太陽能電池的改進版，它們被廣泛應用于太陽能電子器件中，但是非晶硅也存在著一些缺點和不足。
非晶硅太陽能電池最大的問題之一就是其半導體所用的材料，硅在市場上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不夠高。因此，這種電池正經歷著顯著的沒落。
更薄的非晶硅電池克服了這一缺點，但是厚度減小后的電池吸收光能的效率更低了。非晶硅電池適用于小尺寸器件，比如說計算器，但不適用于大尺寸器件，比如靠太陽能供電的建筑物。
無硅薄膜光電技術的良好發展開始克服非晶硅存在的問題，如碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。
基于玻璃的銅銦鎵硒太陽能電池
基于玻璃的銅銦鎵硒太陽能電池
基于箔條的銅銦鎵硒太陽能電池
薄膜太陽能電池背后的基礎科學知識與傳統的硅晶電池還是相同的。光電轉換電池需要依賴于半導體。半導體以純物質存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結合時便能夠導電。當半導體材料被混合或摻雜磷后，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導體。當半導體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是P型半導體。
薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導體和P型半導體連接起來，這就是連接面。即使在沒有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導體穿過連接面到達P型半導體，產生一個小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過連接面形成電流。
傳統的太陽能電池在P型半導體和N型半導體中加入硅，而最新一代的薄膜太陽能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代硅。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統中進行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠是正確的。
銅銦鎵硒太陽能電池有兩種基本的外形。玻璃態的電池需要用鉬制造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因為箔條可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負電極之間插入的是半導體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導體和P型半導體的角色，用于傳到電極之間產生的電流。
碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結構。它的一個電極由一層滲了銅的碳膠制成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘制成。所用的半導體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導體和P型半導體的角色。
太陽能電池的未來發展方向
薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術,它節省了硅原料的使用和硅片制造工藝?與目前常見的硅片太陽能電池相比,硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右,可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.2美元?此外,這種高科技新產品可與建筑物屋頂?墻體材料如玻璃幕墻融為一體,既可并網發電又能節約建筑材料?美化環境?
第三代聚光太陽能(CPV)發電方式,正逐漸成為太陽能領域的焦點?光伏發電經歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池,目前產業化進程正逐漸轉向高效的CPV系統發電?
與前兩代電池相比,CPV采用多結的III-V族化合物電池,具有大光譜吸收?高轉換效率等優點。而且所需的電池面積不大,以相對廉價的聚光器件替代昂貴的半導體材料,在大規模應用于發電時可有效降低成本?降低生產能耗?
太陽能作為一種持久?普遍?巨大的能源,可以說是取之不盡用之不竭?相比于其他能源,太陽能的利用是潔凈?無污染的,利用太陽能不會對生態環境造成污染?當人類面臨能源與環境危機時,迫切的需要找到一種清潔,高效且相對充足的能源形勢來滿足社會經濟的發展,而太陽能則是最好的選擇之一?
目前太陽能的開發方式主要為太陽能電池的形勢,經過短短幾十年的發展,太陽能電池已具備相當成熟的技術并應用于人們生產生活的方方面面?相信,隨著技術水平的不斷提高,太陽能電池會得到更大的發展,造福于人類社會?