Внедрение солнечных элементов и материалов

Вступление

Солнечная энергия - неиссякаемый источник возобновляемой энергии для человека. Это также чистая энергия и не вызывает загрязнения окружающей среды. В области эффективного использования солнечной энергии Solar Photoelectric Utilization - один из самых популярных проектов последних лет, который является наиболее быстрорастущей и динамичной областью исследований. С этой целью были разработаны и разработаны солнечные элементы. Производство солнечных элементов в основном основано на полупроводниковых материалах. Его принцип работы заключается в использовании фотоэлектрических материалов для поглощения световой энергии и последующего фотоэлектрического преобразования. По используемым материалам солнечные элементы можно разделить на: 1. Кремниевые солнечные элементы; 2. Неорганические соли, такие как соединение арсенида галлия III-V, сульфид кадмия, селен меди, индия и другие многокомпонентные соединения в качестве материалов; 3. Функциональные макромолекулярные материалы, полученные на солнечных элементах; 4. Нанокристаллические солнечные элементы и т. Д. Независимо от того, какой материал используется для изготовления батареи, общие требования к материалам солнечных элементов следующие: 1. Запрещенная зона полупроводникового материала не должна быть слишком широкой; 2. Должен быть высокий КПД фотоэлектрического преобразования; 3. Сам по себе материал не вызывает загрязнения окружающей среды; 4. Материал прост в промышленном применении, и его характеристики стабильны. Исходя из вышеизложенных соображений, кремний является наиболее идеальным материалом для солнечных элементов, что является основной причиной того, что солнечные элементы являются в основном кремниевыми материалами. Однако с постоянным развитием новых материалов и развития соответствующих технологий солнечные элементы, основанные на других деревенских материалах, демонстрируют все более привлекательные перспективы. В этой статье кратко рассматриваются типы солнечных элементов и их исследовательский статус, а также обсуждается развитие и тенденции солнечных элементов.

1 кремниевый солнечный элемент

1.1 монокристаллический кремниевый солнечный элемент

Среди солнечных элементов кремниевой серии монокристаллические кремниевые солнечные элементы обладают наивысшей эффективностью преобразования и самой совершенной технологией. Высокопроизводительные элементы из монокристаллического кремния основаны на высококачественных монокристаллических кремниевых материалах и соответствующих процессах термической обработки. В настоящее время процесс электрического заземления монокристаллического кремния практически завершен. Обычно используются текстура поверхности, пассивация области излучения, зональное легирование и другие технологии. Разработанные батареи в основном включают планарные монокристаллические кремниевые батареи и монокристаллические кремниевые батареи с решетчатым электродом. Повышение эффективности преобразования в основном зависит от обработки микроструктуры поверхности и процесса легирования монокристаллического кремния. В этом отношении Немецкий институт солнечной системы имени Франсуа Фрайбурга сохраняет лидирующие в мире показатели. Институт использовал литографию для текстурирования поверхности клетки, чтобы создать структуру перевернутой пирамиды. И нанести на поверхность 13 нм. Толстый оксидный пассивирующий слой сочетается с двумя антибликовыми покрытиями. Соотношение ширины и высоты затвора увеличивается за счет улучшенного процесса гальваники: эффективность преобразования батареи, полученной вышеупомянутым способом, составляет более 23%, что является большим значением - 23,3%. Эффективность преобразования одноэлектроформных солнечных элементов большой площади (225 см2), изготовленных Kyocera, составляет 19,44%. Пекинский научно-исследовательский институт солнечной энергии также активно исследует и разрабатывает высокоэффективные солнечные элементы из кристаллического кремния, а также разрабатывает планарные высокоэффективные монокристаллические кремниевые элементы (2 см на 2 см). Эффективность преобразования составляет 19,79%, а эффективность преобразования кристаллической кремниевой батареи заглубленного электрода затвора с канавками (5 x 5 см) составляет 8,6%.

Эффективность преобразования монокристаллических кремниевых солнечных элементов, несомненно, является самой высокой и по-прежнему доминирует в крупномасштабных приложениях и промышленном производстве, но из-за цены на материалы из монокристаллического кремния и соответствующего громоздкого процесса производства батарей стоимость монокристаллического кремния высока. . Нет, существенно снизить его стоимость очень сложно. Чтобы сохранить высококачественные материалы и найти альтернативу монокристаллическим кремниевым элементам, были разработаны тонкопленочные солнечные элементы, типичными представителями которых являются тонкопленочные солнечные элементы из поликристаллического кремния и тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния.

1.2 тонкопленочные солнечные элементы из поликремния

Типичный солнечный элемент из кристаллического кремния изготавливается на высококачественной кремниевой пластине толщиной от 350 до 450 мкм, которую выпиливают из поднятого или литого слитка кремния. Следовательно, реальный расход кремниевого материала больше. В целях экономии материалов пленки поликристаллического кремния осаждаются на недорогие подложки с середины 1970-х годов, но из-за размера выращенных кремниевых пленок ценные солнечные элементы так и не были изготовлены. Чтобы получить пленку с крупной зернистостью, люди не прекращали исследований и предлагали множество методов. В настоящее время тонкопленочные батареи из поликристаллического кремния в основном изготавливаются путем химического осаждения из паровой фазы, включая химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LPCVD) и химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), усиленное плазмой. Кроме того, методы жидкофазной эпитаксии (LPPE) и напыления также могут быть использованы для изготовления тонкопленочных батарей из поликристаллического кремния.

Химическое осаждение из паровой фазы в основном использует SiH2Cl2, SiHCl3, Sicl4 или SiH4 в качестве реакционного газа для реакции с определенной защитной атмосферой с образованием атомов кремния и их осаждения на нагретой подложке. Материал подложки обычно выбирают из Si, SiO2, Si3N4 и т.п. Однако было обнаружено, что трудно сформировать большие кристаллические зерна на некремниевой подложке, и легко образовать пустоты между кристаллическими зернами. Чтобы решить эту проблему, тонкий слой аморфного кремния осаждается на подложку с помощью LPCVD, а затем слой аморфного кремния отжигается для получения более крупных кристаллических зерен, а затем на затравочный кристалл. Таким образом, нанесение толстой пленки поликремния, несомненно, является важным звеном технологии рекристаллизации. Современная технология в основном включает кристаллизацию твердой фазы и перекристаллизацию средней точки плавления. В дополнение к процессу рекристаллизации в тонкопленочных батареях из поликристаллического кремния используются почти все технологии для изготовления монокристаллических кремниевых солнечных элементов, и эффективность преобразования солнечных элементов, полученная таким образом, значительно повышается. Эффективность преобразования поликристаллических кремниевых элементов, изготовленных на подложке FZSi Фрайбургским научно-исследовательским институтом солнечной энергии в Германии, составила 19%. Корпорация Mitsubishi в Японии использовала этот метод для изготовления батарей с КПД 16,42%.

Принцип метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) заключается в снижении температуры кремниевой пленки за счет плавления кремния в матрице. Американская компания Astropower использует LPE для изготовления батареи с КПД 12,2%. Чэнь Чжелиан из Китайского технологического центра развития оптоэлектроники использовал жидкофазную эпитаксию для выращивания кремниевых зерен на кремниевых пластинах металлургического качества и разработал новый тип солнечных элементов, подобных тонкопленочным солнечным элементам из кристаллического кремния, которые получили название солнечной энергии «кремниевые зерна». Батарея, но отчетов о работоспособности не видел.

Поликристаллические кремниевые тонкопленочные батареи намного менее эффективны, чем монокристаллический кремний, и не имеют проблемы снижения эффективности, и могут быть изготовлены на недорогих материалах подложки, которые намного дешевле, чем монокристаллические кремниевые элементы, и более эффективны, чем пленки из аморфного кремния . Таким образом, батареи, тонкопленочные батареи из поликремния скоро будут доминировать на рынке солнечной энергии.

1.3 тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния

Две ключевые проблемы при разработке солнечных элементов: повышение эффективности преобразования и снижение затрат. Благодаря низкой стоимости и удобству массового производства тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния, они получили широкое признание и быстрое развитие. Фактически, еще в начале 1970-х годов Карлсон и др. начали разрабатывать аморфные кремниевые элементы. В течение года его научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы быстро развивались. В настоящее время многие компании в мире производят такую аккумуляторную продукцию.

Аморфный кремний, как солнечный материал, является хорошим материалом для батарей, но поскольку его оптическая ширина запрещенной зоны составляет 1,7 эВ, сам материал нечувствителен к длинноволновой области спектра солнечного излучения, что ограничивает эффективность преобразования солнечных элементов из аморфного кремния. . Кроме того, его фотоэлектрическая эффективность будет ослабевать с продолжением времени освещения, так называемый эффект фотодеградации SW, что делает работу батареи нестабильной. Решением этих проблем является изготовление тандемного солнечного элемента, который изготавливается путем нанесения одного или нескольких Pin-элементов на подготовленный p, i, n-слойный однопереходный солнечный элемент. Ключевые проблемы ламинированного солнечного элемента для повышения эффективности преобразования и решения проблемы нестабильности однопереходной батареи заключаются в следующем: 1. он объединяет материалы с различной шириной запрещенной зоны для улучшения спектрального диапазона отклика; 2 верхний слой батареи тоньше. Интенсивность электрического поля, создаваемого освещением, не сильно меняется, обеспечивая извлечение фотогенерируемых носителей в i-слое; 3 носитель, генерируемый нижней ячейкой, составляет примерно половину одной ячейки, и эффект фотоиндуцированного распада снижен; Батареи подключены последовательно.

Существует множество методов подготовки тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния, включая реактивное распыление, PECVD, LPCVD и т. Д. В качестве исходного реакционного газа используется SiH4, разбавленный H2, подложка в основном состоит из стекла и нержавеющей стали, и готовится аморфный кремний. Одноэлементный аккумулятор и тандемный солнечный элемент можно производить отдельно из пленки с помощью различных аккумуляторных процессов. В настоящее время исследования солнечных элементов из аморфного кремния достигли двух крупных успехов: эффективность преобразования первого и третьего солнечных элементов из аморфного кремния с многослойной структурой достигла 13%, установив новый рекорд; годовая производственная мощность второго трехслойного солнечного элемента составляет 5 МВт. Однопереходный солнечный элемент производства United Solar Corporation (VSSC) имеет максимальную эффективность преобразования 9,3%, а максимальная эффективность преобразования трехзонной трехслойной батареи составляет 13%.

Вышеупомянутая максимальная эффективность преобразования была получена на батарее небольшой площади (0,25 см2). В литературе сообщается, что эффективность преобразования однопереходных солнечных элементов из аморфного кремния превышает 12,5%. Academia Sinica приняла ряд новых мер для достижения эффективности преобразования 13,2% для ячеек из аморфного кремния. В Китае не так много исследований по аморфным кремниевым тонкопленочным батареям, особенно по ламинированным солнечным элементам. Ян Синьхуа из Нанкайского университета использует промышленные материалы, поэтому изготовлен задний электрод площадью 20 × 20 см2 и эффективностью преобразования 8,28%. Ламинированные Si / a-Si солнечные элементы.

Солнечные элементы из аморфного кремния обладают большим потенциалом благодаря их высокой эффективности преобразования, низкой стоимости и небольшому весу. Но в то же время из-за низкой устойчивости напрямую влияет на его практическое применение. Если проблема стабильности может быть решена и проблема коэффициента конверсии улучшена, то солнечный элемент из аморфного кремния, несомненно, является одним из основных продуктов развития солнечного элемента.

2 многосоставных тонкопленочных солнечных элемента

Чтобы найти альтернативы монокристаллическим кремниевым элементам, помимо разработки поликристаллического кремния, тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния и продолжают разрабатывать солнечные элементы из других материалов. Среди них в основном это соединение арсенида галлия III-V, сульфид кадмия и тонкопленочные батареи с селенидом меди и висмута. Среди перечисленных выше батарей, хотя эффективность поликристаллических тонкопленочных элементов из сульфида кадмия и теллурида кадмия выше, чем у тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния, их стоимость ниже, чем у монокристаллических кремниевых элементов, и их также легко производить в массовом порядке. , но поскольку кадмий очень токсичен, он серьезно загрязняет окружающую среду, поэтому не является идеальной заменой кристаллическим кремниевым солнечным элементам.

Соединения арсенида галлия (III-V) и тонкие пленки селенида меди-индия привлекли к себе всеобщее внимание из-за их высокой эффективности преобразования. GaAs представляет собой составной полупроводниковый материал класса III-V с запрещенной зоной 1,4 эВ, что является показателем высокой поглощающей способности солнечного света, и поэтому является идеальным материалом для батарей. При изготовлении составных тонкопленочных батарей III-V, таких как GaAs, в основном используются технологии MOVPE и LPE, а на тонкопленочные батареи GaAs, полученные методом MOVPE, влияют многие параметры, такие как дислокация подложки, давление реакции, соотношение III-V и общий поток. показатель.

Помимо GaAs, были также разработаны другие соединения III-V, такие как Gasb, GaInP и другие материалы для аккумуляторов. В 1998 году эффективность преобразования GaAs солнечных элементов, произведенных Фрайбургским научно-исследовательским институтом солнечной системы в Германии, составила 24,2%, что было зарегистрировано в Европе. Эффективность преобразования первой подготовленной батареи GaInP составила 14,7%. См. Таблицу 2. Кроме того, институт также использует многослойную структуру для изготовления батарей GaAs, Gasb, которые складываются из двух отдельных элементов. GaAs используется в качестве верхней батареи, а Gasb используется в качестве нижней батареи. КПД аккумулятора составляет 31,1%. .

Медь индий селен CuInSe2 сокращенно CIC. Энергия материала CIS снижена до 1. leV подходит для фотоэлектрического преобразования солнечного света. Кроме того, отсутствует фотоиндуцированная деградация тонкопленочных солнечных элементов CIS. Поэтому использование CIS в качестве материала для тонкопленочных солнечных элементов с высокой эффективностью преобразования также привлекло внимание.

Подготовка пленки аккумуляторной батареи CIS в основном включает метод вакуумного напыления и метод селенизации. В методе вакуумного испарения медь, индий и селен осаждают из паровой фазы с использованием соответствующих источников испарения, а методом селенизации является селенизация с использованием ламинированной пленки H2Se, но с помощью этого метода трудно получить однородный CIS. Тонкопленочные батареи CIS выросли с первоначальной эффективности преобразования 8% в 1980-х годах до нынешних 15%. Галлий-легированного батареи СНГ , разработанная Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. имеет эффективность фотоэлектрического преобразования 15,3% (область 1 см ²). В 1995 году Исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии США разработала коэффициент преобразования 17,1% солнечных элементов в СНГ, что на сегодняшний день является самым высоким коэффициентом преобразования среди аккумуляторных батарей в мире. Ожидается, что к 2000 г. эффективность преобразования аккумуляторов CIS достигнет 20%, что эквивалентно поликристаллическим кремниевым солнечным элементам.

Как полупроводниковый материал для солнечных элементов, CIS обладает преимуществами низкой цены, хороших характеристик и простого процесса, и станет важным направлением для развития солнечных элементов в будущем. Единственная проблема - источник материала. Поскольку и индий, и селен являются относительно редкими элементами, разработка таких батарей неизбежно будет ограничена.

3 Полимерный многослойный модифицированный электродный солнечный элемент

Замена неорганических материалов полимерами в солнечных элементах - это только начало направления исследований систем солнечных элементов. Принцип заключается в использовании множества окислительно-восстановительных потенциалов различных окислительно-восстановительных полимеров для выполнения многослойной рекомбинации на поверхности проводящего материала (электрода) с образованием однонаправленного проводящего устройства, подобного неорганическому PN-переходу. Внутренний слой одного из электродов модифицирован полимером, имеющим более низкий потенциал восстановления, потенциал восстановления полимера внешнего слоя выше, направление переноса электронов может передаваться только от внутреннего слоя к внешнему слою; другой электрод изменен на противоположный, и первый. Потенциалы восстановления двух полимеров на электродах выше, чем потенциалы восстановления двух последних полимеров. Когда два модифицированных электрода помещаются в электролитическую волну, содержащую фотосенсибилизатор, электроны, генерируемые фотосенсибилизатором, переносятся на электрод с более низким потенциалом восстановления, и электроны, накопленные на электроде с более низким потенциалом восстановления, не могут быть перенесены на полимер внешнего слоя, и может быть возвращен в электролиз только через внешнюю цепь через электрод с более высоким потенциалом восстановления. Жидкость, поэтому во внешней цепи генерируется фототок.

Благодаря гибкости органических материалов, простоте изготовления, широкому выбору материалов и низкой стоимости, это имеет большое значение для крупномасштабного использования солнечной энергии для получения дешевой электроэнергии. Однако исследования по изготовлению солнечных элементов из органических материалов только начинаются, и ни срок службы, ни эффективность батарей не могут сравниться с неорганическими материалами, особенно с кремниевыми батареями. Вопрос о том, можно ли из него превратить в продукт, имеющий практическое значение, еще предстоит изучить.

4 нанокристаллических химических солнечных элемента

Солнечные элементы на основе кремния, несомненно, являются наиболее зрелыми в солнечных элементах, но из-за высокой стоимости они далеки от требований широкомасштабного продвижения и применения. С этой целью люди продолжают изучать процессы, новые материалы, тонкую пленку и другие аспекты, а недавно разработанные кристаллохимические солнечные элементы на основе нано-TiO2 привлекли внимание ученых в стране и за рубежом.

После разработки профессором Гратцеля из Швейцарии химических солнечных элементов на основе нано-TiO2 некоторые отечественные подразделения также проводят исследования в этой области. Нанокристаллические химические солнечные элементы (сокращенно NPC) образуются путем модификации и сборки запрещенного полупроводникового материала на другом полупроводниковом материале с большой запрещенной зоной. В полупроводниковом материале с узкой запрещенной зоной используются переходные металлы, такие как Ru и Os. Сенсибилизирующий краситель, полупроводниковый материал с большим зазором, представляет собой нанополикристаллический TiO2, превращенный в электрод, а в батарее NPC также используется подходящий окислительно-восстановительный электролит. Принцип работы нанокристаллического TiO2: молекулы красителя поглощают солнечную энергию для перехода в возбужденное состояние, возбужденное состояние нестабильно, и электроны быстро инжектируются в соседнюю зону проводимости TiO2. Электроны, потерянные в красителе, быстро компенсируются электролитом и попадают в зону проводимости TiO2. В конечном итоге электричество попадает в проводящую пленку и затем генерирует фототок через внешний контур.

Преимущества нанокристаллических солнечных элементов TiO2 заключаются в их низкой стоимости, простоте процесса и стабильной работе. Его фотоэлектрическая эффективность стабильна на уровне более 10%, а стоимость производства составляет от 1/5 до 1/10 стоимости кремниевого солнечного элемента. Продолжительность жизни может достигать более 20 лет. Однако в связи с исследованиями и разработками таких батарей предполагается, что они постепенно выйдут на рынок в ближайшем будущем.

5 тенденция развития солнечных батарей

Как видно из обсуждения вышеупомянутых аспектов, в качестве материала солнечного элемента соединение III-V и CIS получают из редких элементов, хотя произведенные ими солнечные элементы имеют высокую эффективность преобразования, но из материала источник, это солнечные батареи вряд ли будут доминировать в будущем. Два других типа батарей, нанокристаллические солнечные элементы и электроды, модифицированные полимером, существуют в солнечной энергии. Их исследования только начались, технология еще не очень развита, а эффективность преобразования все еще относительно низкая. Эти два типа аккумуляторов все еще находятся в стадии разработки в ближайшее время. Заменить солнечные элементы невозможно. Таким образом, с точки зрения эффективности преобразования и источника материалов, в будущем основное внимание будет уделяться кремниевым солнечным элементам, особенно тонкопленочным элементам из поликремния и аморфного кремния. Благодаря высокой эффективности преобразования и относительно низкой стоимости тонкопленочных батарей из поликристаллического кремния и аморфного кремния, батареи из монокристаллического кремния в конечном итоге будут заменены и станут ведущим продуктом на рынке.

Повышение эффективности преобразования и снижение стоимости - два основных фактора, которые следует учитывать при изготовлении солнечных элементов. Для нынешних кремниевых солнечных элементов трудно дополнительно повысить эффективность преобразования. Поэтому, помимо продолжения разработки новых материалов для аккумуляторов, дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на том, как снизить затраты. Существующие солнечные элементы с высокой эффективностью преобразования изготавливаются на высококачественных кремниевых пластинах, что является самой дорогой частью производства кремниевых солнечных элементов. Поэтому очень важно снизить стоимость подложки, когда эффективность преобразования еще высока. Это также актуальная проблема для развития солнечных батарей будущего. В последнее время некоторые технологии использовались для производства кремниевых лент в качестве подложек поликристаллических кремниевых тонкопленочных солнечных элементов в зарубежных странах.

Страница содержит содержимое машинного перевода.