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新型矿石金属材料在电池中的应用与发展

时间:2014-05-12 10:11:53

作者:世邦机器

目前,晶体铅锌太阳能电池是较主要的阳能电池材料。然而,铅锌并不是理想的光伏材料,光的吸收率很低,在波长0.5~1.0μm范围内,光的吸收系数低于104cm-1,因此要吸收90%的光,所需铅锌材料的厚度至少为100μm,成本很高。另外,铅锌的禁带宽度为1.12eV,并非对应理想产生光伏响应的禁带宽度1.5eV,因此铅锌材料太阳能电池的理论转换效率较低,约为25%。现在铅锌矿石加工设备实验室理想的转换效率已经达到24.7%,多晶铅锌太阳能电池为19 8%但其成本非常高。目前的研究表明,单一发展铅锌矿生产线晶体铅锌太阳能电池无法与常规能源相竞争。为了制造低成本高效率的太阳能电池,研制新材料新结构的太阳能电池变得非常必要。

作为一种非常重要的薄膜材料,CdTe的禁带宽度为1.45eV,其禁带宽度随温度变化系数为(2.3~5. 4)×10-44eV/K,非常接近光伏材料的理想禁带宽度,而且它是直接带隙材料,具有很高的光吸收系数,如在可见光部分,其光吸收系数在105cm-1左右,就只需要几个微米的厚度便可以吸收90%的光。CdTe太阳能电池的理论转换效率在29%左右。

虽然同质结N-CdTe/P-CdTe也可以作太阳能电池,但是转换效率很低,一般小于10%,其原因是:CdTe的光吸收系数很高,使大部分光在电池表面1~2μm内就已被吸收并且激发出电子和空穴对,但是这些少数载流子几乎在表面就被复合掉,即在电池的表面形成“死区”.从而导致其转换效率低。为了避免这种现象,一般是在CdTe的表面生长一层“窗口材料”CdS薄膜。CdS是宽禁带半导体材料,带隙为2.42eV,与CdTe有相对较好的晶格、化学和热膨胀匹配。目前,实验室里CdTe/CdS太阳能电池的理想转换效率为16. 5%,距其理论转换效率还有不小的差距。

N型CdS窗口材料是制作高效率CdTe太阳能电池的必要的组成部分,其掺杂浓度为1016cm-2,厚度在50 ~100cm之间,而且薄膜均匀以减少短路效应。生长CdS薄膜的方法很多,如物理气相沉积( PVD)、金属有机物气相沉积(MOCVD)、封闭空间升华-凝华法(CSS)、化学水浴法(CBD)、丝网印刷法(SP)、化学气相输运法(CVTG)和电沉积法(ED)。其中,化学水浴法是应用较广泛的生长方法,该法具有可控性好、均匀性好、成本低等特点。

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