新能源-薄膜太陽能電池的應(yīng)用、類型及發(fā)展方向

發(fā)布日期：2019-07-10 00:00 來源：http://m.thamestown.cn 點(diǎn)擊：

　太陽能是自然界中重要的能量來源，太陽能電池板通過直接過程采集光能轉(zhuǎn)換為電能，與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電不需要經(jīng)過熱能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，不依賴燃料供給，無需冷卻、無污染和噪聲，維護(hù)保養(yǎng)容易。

　　1 太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域

　　太陽能電池開始的應(yīng)用是從人造衛(wèi)星的搭載開始，近年來隨著技術(shù)的不斷積累進(jìn)步，光伏材料的性能不斷提高，一些新型太陽能電池也已接近實(shí)用化。密切關(guān)注跟蹤新技術(shù)的發(fā)展方向，加快在軍事與民用領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

　　1.1 空間飛行器

　　人造衛(wèi)星、宇宙飛船等在軌空間飛行器上提供能源的太陽能電池，由于使用環(huán)境特殊，要求光伏材料具有高效率、耐高低溫沖擊、抗高能粒子輻射等性能?？臻g太陽能電池在空間領(lǐng)域目前使用較多的是化合物型太陽能電池，GaAs光伏電池雖然抗輻照能力強(qiáng)，但由于單晶材料成本高、機(jī)械強(qiáng)度較差，不符合空間電源高可靠性等要求，后來逐步采用Ge單晶替代GaAs制備單結(jié)電池。單結(jié)的化合物型電池只能吸收特定光譜的太陽光，轉(zhuǎn)換效率不夠高。目前常用不同禁帶寬度的III-V族材料制備的多結(jié)疊層電池，按禁帶寬度大小疊合，分別選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽光譜的不同區(qū)域，可大幅度提高光電轉(zhuǎn)換效率?？臻g太陽能電池產(chǎn)品制造過程復(fù)雜，價(jià)格較高，因此暫不適合地面應(yīng)用。

　　1.2 近地飛行器

　　固定翼飛機(jī)、飛艇、氣球等近地飛行器要保證長時(shí)滯空，必須采用能夠長期工作的電能采集設(shè)備。美日等國的臨近空間長航時(shí)飛行器均采用在表面鋪設(shè)輕質(zhì)高效光伏陣列，并與儲(chǔ)能裝置相結(jié)合，作為飛行器能源動(dòng)力來源。飛艇和氣球的蒙皮在升空過程中氣壓作用下膨脹，會(huì)對(duì)不可延展的硅基電池和延展性較差的各種薄膜電池造成破壞，要求粘接結(jié)合在表面的光伏材料具有可卷曲性、適度的伸縮性，大面積柔性薄膜太陽能電池是艇用光伏材料的好選擇。

　　1.3 野戰(zhàn)光伏電站

　　便攜式的光伏組件展開撤收快速、隱蔽性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)模塊化組裝，可維護(hù)性高。小規(guī)模太陽能電池卷組可配置到戰(zhàn)術(shù)單位，作為獨(dú)立蓄電單位，分布式生產(chǎn)電能。大規(guī)模光伏陣列電池輸出功率高，可以與野戰(zhàn)微電網(wǎng)聯(lián)接作為大中型電站使用。美軍近年來加快了電站建設(shè)速度，陸軍在位于新墨西哥州白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場建設(shè)了4.5MW光伏電站，又先后在亞利桑那州謝拉維斯塔、瓦丘卡堡軍事基地建造了18MW太陽能項(xiàng)目，本寧堡基地的30MW超大規(guī)模光伏電站，在81萬平方米用地上使用了134000張?zhí)柲茈姵匕?。美國海軍在珍珠港—希卡姆?lián)合基地、夏威夷海軍陸戰(zhàn)隊(duì)基地建設(shè)的光伏陣發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為17MW，美國空軍在內(nèi)華達(dá)州內(nèi)利斯空軍基地建設(shè)的19 MW的光伏電站。

　　1.4光伏建筑一體化

　　剛性太陽能光伏發(fā)電已廣泛應(yīng)用于在建筑屋頂和外墻，柔性薄膜電池組件可以充分利用掩體、建筑、帳篷等外表面，根據(jù)需要做成透光和部分透光的，又能更好阻擋外部紅外線的進(jìn)入發(fā)揮隔熱功能，形狀適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、安裝布設(shè)簡便。美軍采用柔性太陽能發(fā)電篷布，代號(hào)是PowerShade、TEMPERFly以及QUADrant，包括三種尺寸，功率分別為3KW、800W、200W，采用以聚酰亞胺為基底層的無定形硅，將光伏發(fā)電薄膜集成到帳篷上，輕便并且粘連強(qiáng)度好，即使強(qiáng)風(fēng)情況下篷布完全被揭起，光伏薄膜也不會(huì)與基底脫開，數(shù)據(jù)顯示篷布可以減少80%～90%太陽熱輻射。

　　1.5 電子設(shè)備自供能

　　單兵配備的電子裝備數(shù)量越來越多，如夜視與瞄準(zhǔn)具、定位設(shè)備、通信設(shè)備、測距儀和數(shù)字終端設(shè)備等，這些設(shè)備要保持不中斷運(yùn)行狀態(tài)需要持續(xù)補(bǔ)充電能，連接外部電源充電或更換電池較為繁瑣。將柔性太陽能薄膜和電子設(shè)備外表面結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)光伏自供能，可為各種小功率電子設(shè)備提供電力。

　　1.6 可穿戴電源

　　柔性光伏材料可以與紡織物或涂層復(fù)合，變?yōu)楦鞣N可穿戴太陽能電源，比如太陽能電池背包、帽子、頭盔與服裝等，裝備和車輛的表面也可以在戰(zhàn)場用于行進(jìn)中發(fā)電。有機(jī)化合物等光伏材料在物理性質(zhì)上能夠模擬自然環(huán)境，所以具有一定的隱身能力。

　　2 .0太陽能電池的主要類型

　　從光伏材料的類型分類，主要包括硅基太陽能電池、無機(jī)化合物太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池。相比于傳統(tǒng)的太陽能電池，薄膜太陽能電池所需的沉積溫度更低、材料用量更少，而且隨著新型光伏材料的快速發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)卷對(duì)卷的連續(xù)方式生產(chǎn)、大規(guī)模的絲網(wǎng)印刷以及噴墨印刷等制備工藝，因此薄膜太陽能電池的應(yīng)用更加靈活。

　　2.1 硅基太陽能電池

　　主要有非晶硅( a-Si )、微晶硅( μc-Si:H )和多晶硅( p-Si )薄膜等幾類。由于硅是一種間接帶隙材料，在帶隙對(duì)應(yīng)的波長附近對(duì)光子僅有非常低的吸收系數(shù)，尤其是在800～1100nm的波長范圍，對(duì)光子的吸收長度達(dá)到10μm～3mm，遠(yuǎn)超出了薄膜太陽能電池中核心吸收層(硅薄膜)的厚度，在此光譜范圍對(duì)近紅外波段的光吸收系數(shù)不高，限制了其光電轉(zhuǎn)換效率，而且非晶硅光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延長而衰減，即所謂的光致衰退(S-W)效應(yīng)，光致穩(wěn)定性不好?？梢酝ㄟ^采用有不同帶隙的多結(jié)迭層，降低表面光反射，使用更薄的吸收層等方法進(jìn)行改進(jìn)。微晶硅薄膜材料具有過渡層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高，光致衰退效應(yīng)相對(duì)較弱，制備技術(shù)能與現(xiàn)有非晶硅薄膜電池兼容。但微晶硅薄膜太陽能電池帶隙較窄、吸收系數(shù)低，在材料制備中生長速率較低沉、積速率較慢的問題，不利于降低制造成本。多晶硅薄膜材料在長波段具有高的光敏性，可見光吸收系數(shù)較高，光照穩(wěn)定性較高。材料制備工藝相對(duì)簡單，無光致衰退效應(yīng)，但成本依然較高。

　　2.2 無機(jī)化合物太陽能電池

　　主要包括砷化鎵( GaAs )III-V 族化合物、硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)及銅銦硒類薄膜電池等。III-V族化合物半導(dǎo)體光伏材料如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，其禁帶寬度在1.0~1.5eV，與太陽光譜匹配較好，具有直接帶隙且太陽光吸收波段寬，在可見光范圍內(nèi)，GaAs等材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于硅基材料，化合物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化效率是非晶硅的兩倍以上，不過成本則是非晶硅的十倍。GaAs光伏材料組成元素的原子量較大，造成材料本身相對(duì)質(zhì)量大，由于Ga比較稀缺，As有毒，所以其發(fā)展受到了限制，還不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

　 CIGS 是由銅、銦、鎵以及硒所組成的多元化合物半導(dǎo)體光伏材料。該材料是由硒化銅銦(CIS)以及硒化銅鎵所組成的固溶體。CIGS屬于四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，其能隙依據(jù)銦、鎵比例的不同可從1.0eV(硒化銅銦)變化至1.7eV(純硒化銅鎵)。CIGS屬于多晶薄膜的形式，其晶體結(jié)構(gòu)不同于硅晶體，是異質(zhì)界面系統(tǒng)，具有近似佳的光學(xué)能隙，光吸收率高，其能隙還可以通過Ga和Al部分取代In，或S部分取代Se進(jìn)行調(diào)節(jié)，厚度為2～3μm，具有長期穩(wěn)定性好、無光誘導(dǎo)衰變、抗輻射能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。單結(jié)理論效率高30%，目前所能達(dá)到不到20%。電池的基本結(jié)構(gòu)為基底上濺鍍一層約0.5~1.0μm的Mo背電極以利于空穴傳導(dǎo)，CIGS光吸收層約為1.5~2.0μm，往上是約0.05μm 厚的N型半導(dǎo)體CdS，兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層約0.1μm 厚的N型 i-ZnO 層，防止電池元件效能下降，再濺鍍A-ZnO作為透明導(dǎo)電層窗口。目前常用的真空蒸發(fā)法和濺射法制備易造成原材料的浪費(fèi)，In為稀有元素，制備過程中材料性質(zhì)易變。

　　為了進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率，構(gòu)筑多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)是一種直接的方法。由于任何單一半導(dǎo)體材料只能將太陽光譜中一定范圍的光能有效地轉(zhuǎn)換成電能，從根本上制約了效率的提高。因此將具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料組合起來，分別吸收利用不同波長范圍的入射光，頂層電池的能帶高。往下依次減少，這樣能量高的光子被上面能帶高的電池吸收，而能量低的光子則能透過上面的電池而被下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽能電池的效率，由此產(chǎn)生了雙結(jié)、三結(jié)等多結(jié)疊層太陽能電池。

　　2.3 有機(jī)太陽能電池

　　有機(jī)太陽能電池是以有機(jī)半導(dǎo)體作為實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的活性材料，與無機(jī)太陽能電池相比，它具有成本低、厚度薄、質(zhì)量輕、制造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低。有機(jī)太陽能電池主要有單層結(jié)構(gòu)的肖特基電池、雙層p-n異質(zhì)結(jié)電池以及P型和N型半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的體相異質(zhì)結(jié)電池。但是現(xiàn)階段仍存在激子結(jié)合能大、電子遷移率低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低且壽命短等缺點(diǎn)，研究方向是提高材料的電導(dǎo)率、成膜技術(shù)、器件工藝制作水平和開發(fā)新的材料等。

　　2.4 敏化太陽能電池

　　以有機(jī)敏化分子作為吸光的主要材料，包括染料敏化和量子點(diǎn)敏化，目前染料敏化太陽能電池光電效率穩(wěn)定在13%以上，制作成本僅為硅太陽能電池的1/5~1/10，材料來源廣泛，成本低廉，對(duì)設(shè)備要求低，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。量子點(diǎn)材料的量子限制效應(yīng)可以調(diào)節(jié)能級(jí)結(jié)構(gòu)，使其吸收光譜能夠匹配太陽光光譜;量子點(diǎn)吸收一個(gè)光子能夠產(chǎn)生多個(gè)光子;量子點(diǎn)電子態(tài)與光陽極導(dǎo)帶間的部分重合提供了電子的快速傳遞，阻礙了電子—空穴對(duì)的復(fù)合。它與染料敏化太陽能電池不同點(diǎn)在于采用不同的量子點(diǎn)來替代有機(jī)染料作為光吸收體，并且通過調(diào)整不同的量子點(diǎn)組成、尺寸及結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)太陽光全光譜吸收進(jìn)而產(chǎn)生更多的光生電子。

　　2.5 鈣鈦礦太陽能電池

　　鈣鈦礦太陽能電池是使用具有AMX3鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)類型材料作為光吸收層的一類電池，經(jīng)過幾年的發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化效率飛速增長到了22.1%，逼近了單晶硅太陽能電池25%的高轉(zhuǎn)化效率。由于具有更低的材料成本和制備成本，被視為可能替代硅的新一代太陽能電池。可分為n-i-p和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p結(jié)構(gòu)是指電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，而正好p-i-n結(jié)構(gòu)正好相反。柔性鈣鈦礦電池本身膜厚極小，在一定程度上具有較好的彎曲能力，還具備開路電壓高、適用溫度范圍寬、弱光性好、溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)太陽光照角度不敏感，同時(shí)材料的制備溫度較低(<150℃)，適合直接在柔性基底上進(jìn)行制備。

　　3 薄膜太陽能電池應(yīng)用發(fā)展方向

　　軍用電源對(duì)質(zhì)量體積、功率、可靠性等要求較高，太陽能電池材料的實(shí)際性能指標(biāo)亟需進(jìn)一步提高，要繼續(xù)在提升能源轉(zhuǎn)化效率，增強(qiáng)便攜性、環(huán)境適應(yīng)性和器件穩(wěn)定性等方面開展研究，提高低溫制備技術(shù)的成熟度，加快推動(dòng)卷對(duì)卷印刷等連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)工藝的進(jìn)步。

　　3.1 提高轉(zhuǎn)化效率

　　能量轉(zhuǎn)換效率越高，可提供的輸出功率越大，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備就越節(jié)能。從光電轉(zhuǎn)化過程中可知，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的帶隙大小、光吸收系數(shù)及載流子傳輸特性相關(guān)。為提高光電轉(zhuǎn)換效率，首先必須不斷研究開發(fā)新的高效光伏材料，開發(fā)新的太陽能電池制備技術(shù)，改進(jìn)材料本身結(jié)構(gòu)性能來提高太陽能電池材料的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)還要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，在電池表面層采用減少反射、增加透射的措施，改進(jìn)透明電極的透過率，減小光在電池表面的反射損耗。在電池光吸收層進(jìn)行光譜波段轉(zhuǎn)換，或采用疊層電池以及多個(gè)PN結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)等，盡可能利用太陽能全光譜。改善材料的成膜性和載流子的遷移距離。載流子遷移率高、壽命長，光生電子和空穴能夠移動(dòng)足夠長的距離而被外電路收集形成電流，電池中的能量損耗就小。

　　3.2 增強(qiáng)便攜性

　　提高功率重量比，可以有效減輕設(shè)備重量。功率重量比越高，單位質(zhì)量或體積的發(fā)電設(shè)備能提供的功率越大。CIGS類薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率和面積比功率稍高，但非晶硅類薄膜電池的質(zhì)量比功率稍高。為滿足未來裝備發(fā)展的需要，能源裝備正逐步達(dá)到更高能量密度、功率密度的目標(biāo)，因此應(yīng)積極采取各種辦法，研究“更小、更輕、更持久”的大面積電池便攜式太陽能電池，以減輕單兵負(fù)重和裝備重量。太陽能電池的每個(gè)結(jié)是由多層結(jié)構(gòu)層疊而成，由于不同材料對(duì)光的吸收率存在差異，同樣吸收95%的太陽光，GaAs、鈣鈦礦電池僅需幾微米的厚度，多元化合物需要數(shù)十微米，而硅基電池則需要大于150μm。因此選擇吸收率高的材料制成的薄膜太陽能電池，質(zhì)量可大幅減小。光電轉(zhuǎn)換效率的提升可以減小太陽能電池的體積和重量，在滿足輸出功率同時(shí)也增強(qiáng)了便攜性。

　　3.3改善環(huán)境適應(yīng)性

　　實(shí)際環(huán)境需要在多云、陰雨或霧霾等戶外氣候條件仍能保持一定強(qiáng)度的發(fā)電能力。通常情況特定類型的光伏材料僅對(duì)某些波長范圍的光體現(xiàn)出良好的吸收，而改善電池弱光響應(yīng)，就必須提升材料質(zhì)量，要求器件在整個(gè)可見光范圍內(nèi)保持較高的吸收。戰(zhàn)場使用的能源設(shè)備還應(yīng)具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在較大的晝夜溫差、交變應(yīng)力、振動(dòng)和噪聲沖擊性等惡劣條件下正常工作。柔性太陽能電池使用的大問題是光伏材料的彎折穩(wěn)定性，傳統(tǒng)多結(jié)電池每個(gè)結(jié)至少有三層不同材料，層數(shù)越多，彎折穩(wěn)定性的解決難度越大。多次彎折后器件效率下降的重要原因是襯底本身的破裂、光伏材料與襯底的結(jié)合，因此優(yōu)化提高各膜層的質(zhì)量，保持各膜層界面間的良好接觸等是方面主要努力方向。

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