薄膜太陽(yáng)能電池的類型與發(fā)電原理

太陽(yáng)能電池現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于我們的生活中，比如太陽(yáng)能路燈、應(yīng)急電源、光伏系統(tǒng)、電池充電等。除了傳統(tǒng)的晶體硅用于太陽(yáng)能電池的制備中，現(xiàn)在薄膜太陽(yáng)能電池也發(fā)展得如火如荼，今天我們講下薄膜太陽(yáng)能電池的類型與發(fā)電原理。



一、薄膜太陽(yáng)能電池的介紹

薄膜型太陽(yáng)能電池由于使用材料較少，就每一模塊的成本而言比起堆積型太陽(yáng)能電池有著明顯的減少，制造程序上所需的能量也較堆積型太陽(yáng)能電池來(lái)的小，它同時(shí)也擁有整合型式的連接模塊，這樣可省下獨(dú)立模塊所需在固定和內(nèi)部連接的成本。未來(lái)薄膜型太陽(yáng)能電池將可能會(huì)取代現(xiàn)今一般常用硅太陽(yáng)能電池，而成為市場(chǎng)主流。

非晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅/多晶硅太陽(yáng)能電池最主要差異是材料的不同，單晶硅/多晶硅太陽(yáng)能電池的材料都疏，而非晶硅太陽(yáng)能電池的材料則是SiH4，因?yàn)椴牧系牟煌狗蔷Ч杼?yáng)能電池的構(gòu)造與晶硅太陽(yáng)能電池稍有不同。

二、薄膜太陽(yáng)能電池的類型

現(xiàn)在，薄膜太陽(yáng)能電池要達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：一是要具有足夠的柔韌性，能夠在大型建筑材料表面附著，二是要實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池一樣的效率，甚至更高。不同的制備技術(shù)所得的薄膜太陽(yáng)能板和傳統(tǒng)的太陽(yáng)能板相比，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。通常對(duì)薄膜太陽(yáng)能板的命名來(lái)自于半導(dǎo)體材料的類型。

1、不定形硅（a-Si）

不定形硅是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太陽(yáng)能電池。這可能是因?yàn)榫w硅早已用在傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池上，人們對(duì)硅電子的性質(zhì)的了解比較透徹。

優(yōu)點(diǎn)：與晶體硅不同，無(wú)定形硅具有較高的太陽(yáng)能吸收率使其做成薄膜結(jié)構(gòu)成為可能，也有效地降低了成本。由于其原料充足、無(wú)毒、物美價(jià)廉的特點(diǎn)，無(wú)定形硅迅速成為第一薄膜法，進(jìn)軍主流。

缺點(diǎn)：由于其轉(zhuǎn)換效率較低，所以大多數(shù)只出現(xiàn)在小規(guī)模、柔性較好的電子產(chǎn)品中。

2、碲化鎘（CdTe）

基于CdTe的太陽(yáng)能電池是第二受歡迎的光伏技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在5%左右，制造過(guò)程簡(jiǎn)單、迅速。可以和硅基材料相媲美，轉(zhuǎn)換效率的提高，也促進(jìn)了它的應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：CdTe比硅基太陽(yáng)能電池便宜，更值得注意的是，它具有最小的碳排放以及投資回收期。盡管CdTe以及其他薄膜材料，在效率方面仍然落后于傳統(tǒng)的c-Si面板。但是，差距在不斷縮小，2015年，一家叫做First Solar的公司做的CdTe太陽(yáng)能面板效率能夠達(dá)到平均商業(yè)效率——16.1%。

缺點(diǎn)：CdTe的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是要用“非常的”材料來(lái)制造，鎘是一種劇毒物質(zhì)，能夠像汞一樣在食物鏈中積累，這就有悖于環(huán)境友好、安全無(wú)毒的理念。許多機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室都在尋找環(huán)境友好、轉(zhuǎn)換效率高的替代物，太陽(yáng)能廠商也在探索回收和循環(huán)利用含鎘材料的方法以解決環(huán)境問(wèn)題。

3、銅銦鎵硒（CIGS）

這種太陽(yáng)能電池是另一種受歡迎的半導(dǎo)體類型。制備CIGS的技術(shù)在歐洲和日本越來(lái)越受到重視，而且世界各地的生產(chǎn)商們使用這種技術(shù)來(lái)充分發(fā)掘環(huán)境友好型材料的轉(zhuǎn)換效率的潛力。

優(yōu)點(diǎn)：CIGS的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種環(huán)境友好型材料，有利于生產(chǎn)商追求長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，這種材料做成的太陽(yáng)能電池相比于其他薄膜材料，具有較高的潛在效率，也有很大的熱阻。由于其不易分解，在一些使用壽命要求較高的設(shè)備中應(yīng)用潛力很大。

缺點(diǎn)：CIGS技術(shù)尚未超過(guò)傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能板，但它近年來(lái)，轉(zhuǎn)化效率也有明顯提升。雖然基于實(shí)驗(yàn)室合成的效率超過(guò)20%，但在實(shí)際應(yīng)用中效率還達(dá)不到實(shí)驗(yàn)值的一半。

4、新的銅鋅錫硫方法（CZTS）

在尋找既環(huán)境友好又原料豐富的太陽(yáng)能電池材料的路上，CZTS被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)。CZTS和CIGS在性能和制備方法上很類似，但其效率更低。

優(yōu)點(diǎn)：CZTS是由地球上儲(chǔ)量豐富的銅、鋅、錫、和硫硒化物所組成。這意味著這種化合物既環(huán)保又便宜。但CdTe和CIGS中的碲和銦在地球中含量卻很稀少。

缺點(diǎn)：CZTS現(xiàn)在仍處在發(fā)展的早期階段，為了達(dá)到商業(yè)化，提出了較高的效率要求，現(xiàn)在所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化效率在7.6%左右。只有效率至少達(dá)到20%，才能成為同類太陽(yáng)能電池的佼佼者。



三、薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理

薄膜，是以pn半導(dǎo)體接面作為光吸收及能量轉(zhuǎn)換的主體結(jié)構(gòu)。在基板上分別涂上二種具不同導(dǎo)電性質(zhì)的p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體，當(dāng)太陽(yáng)光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產(chǎn)生電洞。透過(guò)p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體分別吸引電洞與電子，把正電和負(fù)電分開，在pn接面兩端因而產(chǎn)生電位差。在導(dǎo)電層接上，使電子得以通過(guò)，并與在 pn 接面另一端的電洞再次結(jié)合，電路中便產(chǎn)生電流，再經(jīng)由導(dǎo)線傳輸至負(fù)載。

從光產(chǎn)生電的過(guò)程當(dāng)中可知，薄膜太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的能隙大小、光吸收系數(shù)及載子傳輸特性攸關(guān)，因此廠商就提升轉(zhuǎn)換效率的研發(fā)方向，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。

小結(jié)

如果太陽(yáng)能薄膜電池能夠?qū)⑵錆撃芡耆l(fā)揮出來(lái)，那么不難想象，將來(lái)在城市建筑中，薄膜太陽(yáng)能電池將覆蓋屋頂和房子的正面。在新建房屋中，它們將作為屋面板被整體安裝，美觀及實(shí)用性二者兼得，我們一起期待這一天的到來(lái)。