現代太陽能電池材料研究與進展

許亮（棗莊學院　光電工程學院，山東　棗莊　277160）

現代太陽能電池材料研究與進展

許亮
（棗莊學院光電工程學院，山東棗莊277160）

摘要：本文基于筆者多年在太陽能技術領域的生產管理、調研及教學的相關經驗，在長期調研及進行相關理論研究的基礎上，以半導體光伏效應的原理為基礎，介紹了當今半導體光伏技術領域的材料的生產、研究及發展狀況，對相關半導體材料及光伏技術領域的研究有著重要的參考價值和借鑒意義.

關鍵詞：太陽能；半導體；能帶

隨著社會發展對于綠色能源的需求，太陽能光伏發電成為近十幾年來發展最為迅速的技術.本文以筆者對光伏技術的理論知識為基礎，對當前太陽能電池的原材料的開發研究及應用狀況進行系統的調研和探討，對當今光伏業界紛繁復雜的半導體材料進行系統的總結，對相關半導體材料技術的發展方向起到借鑒作用.

1　太陽能電池基本原理及相應性能參數

1.0基本原理

太陽能電池的核心組件為一個P-N結結構，其勢壘區的內建電場E由N端指向P端.受光時若入射的光子能量hv大于該PN結半導體的禁帶寬度，則半導體價帶電子吸收光子能量后，克服禁帶的能量勢壘躍遷至導帶成為自由電子，同時在價帶留下空穴，即在半導體內產生光生電子-空穴對，其受到PN結內建電場E的作用分別向N端和P端定向移動，使N極、P極兩端分別帶負、正電，當在PN結兩端接入電路既有光生電流的產生，完成電能的輸出，稱為“光伏效應”[1].具體原理結構如圖1-1所示.

圖1-1

1.1性能參數

太陽能電池的性能參數主要包括：短路電流Isc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF和轉換效率η 等[2].

1.1.1短路電流Isc

短路電流Isc為太陽能電池正負電極短接時的電流，由歐姆定律，其由太陽能電池的光生電壓和內阻決定.

1.1.2開路電壓Voc

開路電壓Voc為太陽能電池兩端開路時的輸出電壓，由1.0的內容可知，其取決于PN結內建電場的大小及光生載流子的濃度.通常禁帶寬度越大的半導體材料，電子從導帶躍遷回價帶的能量改變量越大，因此復合作用減小，光生載流子可保持較高濃度；但禁帶寬度過大會影響半導體對光子的吸收.

1.1.3最大輸出功率Pmax

最大輸出功率Pmax為太陽能電池所能輸出的最大功率，此時太陽能電池的輸出電壓和輸出電流分別記為Vop 和Iop，則最大輸出功率Pmax=Vop×Iop，由歐姆定律，電池的輸出電壓及輸出功率與負載有關.

1.1.4填充因子FF

填充因子FF為最大輸出功率Pmax與其短路電流Isc、開路電壓Voc的乘積之比：

填充因子FF反映了太陽能電池的輸出效率，其值小于1.

1.1.5轉換效率η

轉換效率η為太陽能電池的最大輸出功率與入射到太陽能電池表面的光的能量之比，即：

它反映了太陽能電池將光能裝換成電能的能力.

由前述太陽能電池基本原理可知，其性能取決于以下因素：（1）電池板PN結，尤其是PN結勢壘區的受光面積. （2）電池板對光子的吸收能力.禁帶過寬的半導體光子吸收系數較低，故轉換效率不高.（3）載流子遷移率，較高的遷移率使載流子更容易在PN結內建電場的作用下向電池兩級定向漂移而形成電壓.

因此，當前主要通過利用半導體工藝不斷改進太陽能電池的結構和采用不同的半導體材料以增加光電轉換效率兩個方面來提升太陽能電池的性能.

2　太陽能電池的原材料

2.0前述

太陽輻射光譜的分布范圍以0.3μm的紫外線到數μm的紅外線為主，對應的光子能量約在0.4eV到4eV之間.因此理想的太陽能電池材料帶隙寬度適中，最好在1.leV 到1.7eV之間；同時最好為直接能隙，其較間接能隙而言更易激發出光生載流子.基于上述要求，當前太陽能電池材料主要有單晶硅，多晶硅，化合物半導體等.

2.1硅基太陽能電池

硅作為原料豐富且工藝最成熟的半導體，因較高的轉換效率和穩定性好的優點，在短期內將依然是太陽能電池的主流材料.

2.1.1單晶硅

單晶硅是研究應用最早的太陽能材料.純凈單晶硅的禁帶寬度適中約為1.12eV，故光吸收能力較好；單晶硅非平衡載流子壽命較長，在幾十微秒至1毫秒之間，在能夠提供穩定轉換效率的傳統材料中，單晶硅的轉換效率最高，目前已有轉換效率25%的報道[3]，規模化生產的單晶硅電池效率可達16%-18%左右.

但單晶硅生產成本高，而單晶硅太陽能電池單純從電池結構上改進以進一步提高轉換效率的空間不大，雖然早在2002年曾有在將單晶硅制作成球狀以增大受光面積提高轉換效率的報道[4]，但直到目前仍未有突破性進展.

2.1.2多晶硅

多晶硅的原子基本排列形式與單晶硅相同但排列晶面不同，因此多晶硅各向異性不明顯，電阻率較大，晶體缺陷相對較多，轉換效率比單晶硅略低，目前規模化生產的多晶硅電池的轉換效率在15%-17%左右.

多晶硅可采用熱分解硅烷、改良西門子法和區域熔煉法等方法實現[5]，生產成本較低；同時由于制作方法的不同，多晶硅材料的基片為方形，而單晶硅基片的四角為圓弧形，因此多晶硅電池板具有更好的面積利用率，如圖2-1所示.上述優點使多晶硅成為當前市場產量和占有率最高的太陽能電池.

2.1.3非晶硅

非晶硅的禁帶寬度隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV之間，在0.35-0.75um的可見光波段的吸收系數比單晶硅高40倍，因此開路電壓高于晶體硅且只需很薄的非晶硅即可對太陽能進行有效吸收，用料省，且非晶硅較晶體硅的制備工藝簡單，成本低.

非晶硅材料由于原子排列的非周期性使其在制作電池組件時不必考慮其與襯底材料的晶格不匹配問題，因此制作大面積非晶硅電池板時，選擇襯底材料較容易.

但非晶硅的材料的轉換效率較低且易老化失效，故難以滿足長期的穩定使用，因此當前非晶硅太陽能電池的發展使用仍很有限.

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體

Ⅲ-Ⅴ族化合物通常為直接帶隙的材料，光吸收系數好且材料特性隨溫度的變化不明顯，因此在目前的光伏業界得到廣泛的開發應用，同時，Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池的結構也由基本的單個PN結的結構普遍過渡為多個PN結疊加的結構，以提高開路電壓.

Ⅲ-Ⅴ族化合物種類較多，其中最具代表性的為GaAs，而三元甚至四元的Ⅲ-Ⅴ族材料如InGaAs、GaInP、InGaP、AlGaInP等也被廣泛研究應用.

2.2.1 GaAs

GaAs為直接帶隙材料且禁帶寬度為1.42eV，較好的處于太陽能光譜的光子能量值之間；電子遷移率高；抗輻射性好，因此GaAs的研究起步雖然稍晚，但研究進展很快.GaAs穩定的轉換效率接近26%，為Ⅲ-Ⅴ族材料最高的.為進一步提高轉換效率，當前普遍將GaAs結合多種Ⅲ-Ⅴ族材料混合使用，采用聚光技術的GaInP/GaAs/Ge的太陽能電池轉換效率已達40.7%.同時，良好的光吸收系數使GaAs基太陽能電池只需3-5μm即可對太陽光充分吸收，而傳統的硅材料需要幾十甚至上百μm[6].

另一方面，GaAs材料生產成本高且較硅材料易碎，密度大，重量重，上述缺點成為制約GaAs廣泛應用的重要因素.

2.2.2　 InP

InP材料同樣為直接帶隙材料但轉換效率略低，但室溫下其電子遷移率很高，約為4500cm2/v?s，同時具有比GaAs更好的抗輻射性能.InP單晶體的硬度比GaAs更小，更易碎；生長工藝困難，成本極高，難以普及應用.因此，現階段單純使用InP材料的太陽能電池較少應用，大多將其制作成GaInP三元化合物與GaAs結合，作為疊層電池使用.

2.3其它化合物半導體太陽能電池

除Ⅲ-Ⅴ族材料之外，當前研究應用相對較多的包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化鎘CdTe及Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ族化合物如：銅銦硒（CIS）、銅銦鎵硒（CIGS）等.這些化合物也為直接帶隙且禁帶寬度適中，均在1eV-1.6eV之間，同樣是光伏技術的熱點材料.

2.3.1 CdTe

CdTe材料最大的優點為光吸收系數極高，厚度為1μm 的CdTe即可將大于其帶隙能量的99%的輻射能量吸收掉；其禁帶寬度約為1.46eV，理論轉換效率高達30%[7]，目前有實驗室階段轉換效率17.3%的報道[8]，商業化的CdTe電池轉換效率在8%-10%[9]，當前單純使用CdTe的情況較少，典型的應用為將CdTe與另一種Ⅱ-Ⅵ族化合物CdS疊加使用.

雖然目前采用在高溫下真空升華沉積的方法制備出了高效的CdTe太陽能電池[10]；但Cd元素為有毒物質，容易產生環境污染，故CdTe的生產成本很高，導致一直未形成大規模的批量化生產；同時CdTe材料容易受潮老化，對封裝技術要求較高，這些成為當前制約CdTe應用的主要因素.

2.3.2 CIS及CIGS

CIS為多晶CuInSe2，禁帶寬度約為1.05eV，因此光譜響應特性好.CIS同樣有極佳的光吸收系數，吸收率可達105/cm[11]，成為制作薄膜太陽能電池的優選材料.隨著半導體材料工藝的發展，將CIS中的部分In元素用Ga代替，得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物晶體材料CuIn1-xGaxSe2，簡稱CIGS. CIGS為直接帶隙且禁帶寬度可隨著In元素的含量而在禁帶寬度在1.05-1.69ev之間變化，因此禁帶寬度可調為其特性優勢.CIGS具有與CIS同等數量級的光吸收系數且穩定性好，轉換效率在12%-18%之間的CIGS太陽能材料在各國均有報道，美國可再生能源實驗室曾有19.9%的報道.

CIS、CIGS材料中In、Se元素來源相對較少且Se元素有毒，因此制造工藝復雜，當前大面積的制作應用較少，產業化生產仍處在開發階段，具中投顧問產業研究中心2010年的數據，09年全球CIGS的光伏產能約為660MW.另外，在當前CuIn1-xGaxSe2領域，開始用Al元素部分的代替In、Ga元素或用S元素部分代替Se元素的研究，但遠未取得實質性進展.

2.4異質結材料

圖2-2

異質PN結的兩端為不同能帶結構的半導體，如圖2-2所示，PN結A側材料的禁帶寬度明顯較B側寬.將A側材料作為迎光面，由于A測材料禁帶寬，光子吸收系數小，光線可以較好的到達PN結部位，當光線進入PN結時，由于禁帶寬度迅速變小，光子吸收系數大大提高，大量光子集中在PN結附近區域被吸收而產生開路電壓.因此，異質結太陽能電池的轉換效率較高.

目前異質結太陽能電池的材料主要為CIGS或CIS材料-CdS/ZnO雙層材料異質結，或非晶硅-晶體硅異質結，非晶SiC-晶體硅異質結等.

異質結由于兩端材料不同，通常在兩種材料之間加入緩變層以緩解兩端不同材料的晶格不匹配率.例如CIGS或CIS材料-CdS/ZnO雙層材料異質結中，通常采用OVC高分子半導體材料，其成分為Cu（In1-xGax)3Se5或Cu（In1-xGax) 2Se3.5，通過逐漸調整X的值至CIGS或CIS材料中Ga的含量，有效的緩解了異質結兩端材料晶格不匹配的現象，改善了異質結的特性.

除采用不同材料制作異質結外，也可以采用調整工藝參數的辦法使同一種材料具有漸變的禁帶寬度制備異質結.采用漸變帶隙材料制作異質結，避免了采用由于兩側材料不一致造成的晶格失配問題，因此無需引入緩變層.目前工藝技術較為成熟的漸變帶隙材料主要為多晶硅.

3　結語

隨著光伏技術的不斷進步，太陽能電池的材料研究方向始終沿著高吸收系數、高穩定性和低成本的路線不斷發展，從單一的半導體材料的到多種半導體材料的混合，從帶隙突變的異質半導體PN結到帶隙漸變的異質PN結.隨著半導體材料加工技術的日益先進，未來必將會有更高性能、更低成本的半導體材料的太陽能電池的出現，為人類社會做出更大的貢獻.

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中圖分類號：TM914

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）07-0060-03