第四章薄膜太阳能电池

第四章薄膜太阳能电池是太阳能电池领域的一个重要分支，它与传统的单晶硅和多晶硅太阳电池相比，具有显著的技术特点和优势。太阳能电池的工作原理是利用半导体材料将太阳光的能量转化为电能，而薄膜太阳能电池的核心就是通过降低半导体材料的厚度来降低成本和提升制造效率。 太阳每年投射到地球表面的辐射能是巨大的，约为1.05×1018 kW·h，这一数量级的能量足以支持太阳以当前的质量消耗速率持续6×1010年。目前，单晶硅太阳电池的实验室最高效率纪录由澳大利亚新南威尔士大学保持，效率达到了24.7%。 薄膜太阳能电池主要分为几种类型，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅，以及多元化合物电池，例如硅基薄膜电池、燃料敏化太阳能电池(DSSC)、有机薄膜太阳能电池(OPV)、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等。这些薄膜电池的共同特点是材料用量较少，非晶硅太阳电池的厚度甚至小于1微米，远低于晶体硅电池的180-200微米，这大大降低了生产成本。 非晶硅太阳电池的制造过程能耗低，一般只需要200-250℃的温度，而单晶硅的制造则需要在1400℃以上的高温。此外，薄膜电池可以使用多种低价材料作为基板，如陶瓷、石墨和金属片，这进一步降低了制造成本。同时，薄膜太阳能电池的生产工艺更简单，适合连续、大面积、自动化的生产流程。 非晶硅太阳电池的结构与晶体硅有所不同，其原子排列并不具有长程有序性，存在大量悬挂键和空洞，导致非晶硅的光电导低，不利于电荷的分离和传输。然而，通过氢化处理，非晶硅中的悬空键可以被氢原子填充，减少禁带中的悬挂键密度，从而改善材料的电学性能，使得非晶硅太阳电池具有更好的电荷传输效率。 为了克服非晶硅太阳电池效率偏低和性能衰减的问题，科研人员发展了多结叠层电池技术。通过组合不同带隙的材料，可以吸收更宽范围的光谱，提高光子的利用率，从而提升转换效率。例如，非晶硅/非晶硅锗双结结构、非晶硅/微晶硅双结结构，甚至是更复杂的三叠层结构，如非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗和非晶硅/微晶硅/微晶硅结构，都是为了优化光吸收和电荷分离。 在结构设计上，薄膜太阳能电池有两种常见的类型：P-I-N结构和N-I-P结构。P-I-N结构通常沉积在透明衬底上，P层作为光的入射层，而N-I-P结构适用于不透明或透光性较差的衬底，P层作为电池的窗口层，缩短了光生空穴向P层的传输距离，提高了电池性能。 薄膜太阳能电池通过创新的材料选择、结构设计和制造工艺，实现了成本降低和效率提升，为太阳能的广泛应用提供了可能性，同时也推动了绿色能源技术的持续发展。