薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究-正文

1、常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）報告二 級 學(xué) 院：電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)：微電子技術(shù) 班 號：微電151 學(xué) 生 姓 名：王玉鋒 學(xué) 生 學(xué) 號設(shè)計（論文）題目： 薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究 指 導(dǎo) 教 師：范燕 設(shè) 計 地 點：常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 起 迄 日 期：2017.5.302017.10.22 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè) 微電子技術(shù) 班級 微電151 姓名 王玉鋒 一、課題名稱：薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究 二、主要技術(shù)指標(biāo)（或基本要求）：1.評述了薄膜太陽能電池的優(yōu)缺點； 2.總結(jié)了

2、薄膜太陽能電池的原理和特點； 3.介紹了各種薄膜太陽能電池各自的價格成本、光電轉(zhuǎn)換效率以及對環(huán)境方面的影響； 4.對它們的未來的發(fā)展趨勢進行了展望； 三、主要工作內(nèi)容：1.應(yīng)用所學(xué)的的知識，結(jié)合書籍以及網(wǎng)上搜尋的資料； 2對薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r進行研究； 3根據(jù)論文的指標(biāo)、提綱完成目錄，接著完成詳細(xì)的內(nèi)容，完成初稿； 4完成初稿后，在老師的指導(dǎo)下多次修改，最終完成定稿； 四、主要參考文獻(xiàn)：1萬磊. 銅銦硒薄膜太陽能電池相關(guān)材料研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010. 2劉玉萍,陳楓,郭愛波,李斌,但敏,劉明海,胡希偉. 薄膜太陽能電池的發(fā)展動態(tài)J. 節(jié)能與環(huán)保,2006,(11):21-

3、23. 3曹中明. 銅鋅錫硫薄膜太陽能電池吸收層的制備與性能研究D.廣東工業(yè)大學(xué),2015. 4石棟. 薄膜太陽能電池柔性不銹鋼襯底的電化學(xué)機械拋光研究D.浙江師范大學(xué),2016. 5白贏贏. 基于TiO_2納米結(jié)構(gòu)的雜化薄膜太陽能電池器件構(gòu)筑及其性能研究D.河南師范大學(xué),2014. 學(xué) 生（簽名） 20 年 月 日 指 導(dǎo) 教師（簽名） 20 年 月 日 教研室主任（簽名） 20 年 月 日 二級學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)（簽名） 20 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告設(shè)計（論文）題目薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究一、 選題的背景和意義：人類社會進入21世紀(jì)，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重局面。廉

4、價的石油時代已經(jīng)結(jié)束，逐步改變能源消費結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識。太陽能光伏發(fā)電由于具有獨特的優(yōu)點，近年來正在飛速發(fā)展。太陽電池的產(chǎn)量平均年增長率在40%以上，已成為發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域也在不斷擴大，從原來只在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)和特殊用電場合使用，發(fā)展到城市并網(wǎng)系統(tǒng)和大型光伏電站。二、 課題研究的主要內(nèi)容：結(jié)合相關(guān)研究成果，綜述了薄膜太陽能電池近年來的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了目前幾種主要的太陽能薄膜電池,從器件結(jié)構(gòu)、材料選擇、工藝技術(shù)等方面總結(jié)了它們各自在價格成本、轉(zhuǎn)換效率及對環(huán)境影響等方面的優(yōu)缺點，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。三、 主要研究（

5、設(shè)計）方法論述：收集整理薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究方面的相關(guān)文獻(xiàn)資料，對前人的研究成果加以梳理，在前人研究的基礎(chǔ)上，推進關(guān)于薄膜太陽能電池的發(fā)展研究分析。合理利用網(wǎng)絡(luò)資源及學(xué)校圖書館文獻(xiàn)資料，翻閱相關(guān)書籍，認(rèn)真閱讀資料內(nèi)容，進一步深入分析太陽能電池的原理，對找到的資料進行篩選匯總，整理和歸納，與自己的理解相結(jié)合，再整理論文的框架結(jié)構(gòu)，寫好對應(yīng)的提綱，規(guī)劃好論文的布局，使文章更加嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容更加具有說服力。四、設(shè)計（論文）進度安排：時間（迄止日期）工 作 內(nèi) 容2017.05.302017.06.05查找資料和相關(guān)書籍，完成開題報告2017.06.062017.07.05收集、整理資料，將所有

6、資料進行歸納2017.06.062017.07.05查閱、整合相關(guān)資料完成論文初稿，提交電子稿于老師，并提交中期檢查表2017.09.022017.09.30指導(dǎo)老師給出修改意見，修改完善論文的格式及內(nèi)容2017.10.012017.10.13進一步對論文進行修改校正，打印裝訂論文，準(zhǔn)備論文答辯2017.10.142017.10.22提交畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯五、指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日六、二級學(xué)院意見： 簽名： 年 月 日薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究目錄摘 要Abstract第1章 前言1第2章 薄膜太陽能電池概述.22.1 薄膜太陽能電池的工作原理22.2 影響太陽電池轉(zhuǎn)換

7、效率的因素2第3章 薄膜太陽能電池的分類43.1 硅基類薄膜太陽電池43.1.1 硅基類薄膜太陽電池特點43.1.2 硅基類薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)43.1.3 硅基類薄膜太陽電池的制造53.1.4 硅基類薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況63.2 碲化鎘（CdTe）太陽電池63.2.1 CdTe薄膜太陽電池特點63.2.2 CdTe薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)73.2.3 CdTe薄膜太陽電池的制造83.2.4 CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況93.3 銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池93.3.1 CIGS薄膜太陽電池特點93.3.2 CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)103.3.3 CIGS薄膜太陽電池的制造103.3.4 CIGS薄膜

8、太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況123.4 染料敏化（DSSC）電池133.5 有機薄膜（OPV）太陽電池15第4章 薄膜太陽電池的市場發(fā)展前景16第5章 結(jié)束語18參考文獻(xiàn)19答謝辭20摘 要由于煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的逐漸枯竭，全世界即將面臨嚴(yán)峻的能源短缺問題。作為一種潔凈的、可再生的新型能源，太陽能愈來愈受到人們的關(guān)注，薄膜太陽能電池在未來具有良好的發(fā)展前景。由于薄膜太陽能電池在將光能轉(zhuǎn)換為電能的過程中其輸出功率受電池結(jié)溫與光照強度的影響較大，若要實現(xiàn)薄膜太陽能電池的最大功率輸出，首先要解決的就是薄膜太陽能電池輸出特性的建模問題。而目前，薄膜太陽能電池器件的最高效率已經(jīng)達(dá)到。但是，制備工藝復(fù)雜、設(shè)

9、備成本高以及原料使用率低，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，如何制備高效率的太陽能電池與降低其總體成本，成為了研究該領(lǐng)域的兩個主要方向。基于此，本文以薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展研究為研討課題，首先從薄膜太陽能電池的工作原理、影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素兩個方面對薄膜太陽能電池進行概述，其次通過3.1 硅基類薄膜太陽電池、碲化鎘（CdTe）太陽電池、銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池、染料敏化（DSSC）電池、有機薄膜（OPV）太陽電池五個方面對薄膜太陽能電池的分類進行詳細(xì)分析，然后提出膜太陽電池的市場發(fā)展前景，最后結(jié)束語總結(jié)全文，希望對關(guān)于薄膜太陽能電池現(xiàn)狀與發(fā)展方面的研究有所易助。關(guān)鍵詞：薄膜太陽能電池；發(fā)

10、展現(xiàn)狀；市場發(fā)展AbstractDue to the gradual depletion of conventional energy sources such as coal, oil and natural gas, the world is facing severe energy shortages. As a kind of clean and renewable new energy, solar energy attracts more and more attention, and thin film solar cell has a good prospect in the

11、future. Because in the thin film solar cells convert light into electricity in its output power by the battery junction temperature and light intensity of the impact is bigger, the maximum power output to achieve the modeling of thin film solar cells, is the first to solve the thin film solar cell o

12、utput characteristics of the problem. At present, the maximum efficiency of thin-film solar cells has reached. However, the preparation process is complex, the equipment cost is high, and the utilization rate of raw materials is low, which hinders its industrialization development. Therefore, how to

13、 prepare high-efficiency solar cells and reduce their overall cost has become the two main directions in the field of research.Based on this, this paper studies the status quo and development of thin film solar cell as the research subject, firstly from two aspects of the work principle and influenc

14、e factors of thin film solar cell solar cell conversion efficiency of thin film solar cells are summarized, followed by a 3.1 silicon base film solar cell, cadmium telluride (CdTe) solar cells, copper indium gallium selenide (CIGS), dye-sensitized solar cell (DSSC) cells and organic thin film (OPV)

15、five aspects of solar cell classification of thin film solar cell is analyzed in detail, and then put forward the market development prospect of film solar cell, finally summarizes the full text, I hope to Study on the current situation and development of thin film solar cell easy to help.Keywords:

16、thin film solar cells; development status; market developmentI第1章 前言伴隨世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展與化石能源的逐漸缺乏，薄膜太陽能發(fā)電技術(shù)取得了飛速發(fā)展。開發(fā)利用廣闊、豐富的太陽能,不僅填補了近期急需的能源消耗，并且將成為未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。和煤、石油、天然氣等常規(guī)能源比較，太陽能是潔凈的，有利于環(huán)境保護的；和水能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源比較，其資源豐富，分布廣泛。正是由于太陽能的綠色環(huán)保、安全可靠，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把開發(fā)與利用太陽能作為能源革命的主要內(nèi)容進行長期規(guī)劃，薄膜太陽能產(chǎn)業(yè)將成為繼IT產(chǎn)業(yè)、微電子產(chǎn)業(yè)之后的又一爆炸式發(fā)展行

17、業(yè)。伴隨全世界薄膜太陽能電池發(fā)電量的需求持續(xù)上升，據(jù)EPIA報告，截止2015年末，全球薄膜太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的總裝機量己經(jīng)達(dá)到16 GW; 到2016年末，總裝機量達(dá)到了23 GW，年產(chǎn)電量達(dá)到了25 TWh，其中中國成功占據(jù)世界薄膜太陽能電池市場的1/10。當(dāng)前，以德國、美國、日本等薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的國家為例，其政府已經(jīng)對薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展采取了初始安裝補貼、上網(wǎng)電價與電力回購等相關(guān)優(yōu)惠政策。第2章 薄膜太陽能電池概述.薄膜太陽能電池是一種利用光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其中基于光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能薄膜太陽能電池為主體，而基于光化學(xué)效應(yīng)工作的太陽能

18、薄膜太陽能電池仍處于萌芽階段，故而光電效應(yīng)成為研究光伏發(fā)電的理論基礎(chǔ)。2.1 薄膜太陽能電池的工作原理薄膜太陽能電池利用光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)、其光子能量大于禁帶寬度時，便可激發(fā)出電子空穴對。當(dāng)由P區(qū)與N區(qū)所產(chǎn)生的光電子（少子）擴散并靠近PN結(jié)時，就會在其內(nèi)建電場的作用下產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。這時，光電子將與空穴對產(chǎn)生分離，形成一個與PN結(jié)內(nèi)建電場方向相反的感應(yīng)電場（方向由P區(qū)到N區(qū)）。光電勢壘降低的原因，即由于光伏電勢能的減少。若PN結(jié)開路，則光電流將與結(jié)電流大小相等，PN結(jié)兩端將建立穩(wěn)定的電壓差（開路電壓）。一旦PN結(jié)與外電路接通且有陽光照射時，電路中便會有電流生成，此時PN結(jié)

19、可看作為電源。如圖2.1所示：圖2.1 薄膜太陽能電池及系統(tǒng)工作原理2.2 影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素由于薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率受溫度與光照等因素的影響，所以研究薄膜太陽能電池輸出特性方程，將成為薄膜太陽能電池理論的研究基礎(chǔ)。但薄膜太陽能電池是通過 MATLAB 2012的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)對光伏系統(tǒng)進行了建模與仿真研究,設(shè)計出了基于BP與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏電池模型。通過對比兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點及其與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的差異，發(fā)現(xiàn)并證明其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所具有的無可比擬的優(yōu)勢。再將兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所生成的功率數(shù)據(jù)與其對應(yīng)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在相同氣溫、光照與電壓情況下所生成的功率數(shù)據(jù)進行比對，然后通過對回歸

20、曲線的分析、均方誤差的分析、預(yù)測誤差的分析及其訓(xùn)練狀況的比較。因此，從目前的發(fā)展?fàn)顩r分析，影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素主要為：(1)其發(fā)電效率低，難以形成大功率發(fā)電系統(tǒng)；(2)其系統(tǒng)造價成本高；(3)其運行狀況容易受到氣候的影響；(4)其制造過程中將消耗大量的能源。第3章 薄膜太陽能電池的分類目前，光伏發(fā)電在航天、通訊及微功耗電子產(chǎn)品領(lǐng)域中己成功地占據(jù)了不可替代的位置，但作為社會整體能源結(jié)構(gòu)的組成部分所占比例尚不足1%，造成這種狀況的主要原因是太陽電池的成本較高。要使光伏發(fā)電真正成為能源體系的組成部分，必須要大幅度地降低成本。薄膜太陽電池在降低成本方面比最初的晶體太陽電池具有更大的優(yōu)勢，3.1

21、硅基類薄膜太陽電池硅基類薄膜太陽電池是氣相原子與固體表面作用的成膜過程，PECVD制備非晶硅薄膜所對應(yīng)等離子體的空間反應(yīng)，和相應(yīng)的成膜過程。3.1.1 硅基類薄膜太陽電池特點硅基類薄膜太陽電池都有一個共同的特點:就是對原材料施加一定的能量，使它分解為原子或分子，然后這些原子或分子在某一襯底上沉積和聚合，從而凝聚成固態(tài)的薄膜。3.1.2 硅基類薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)硅基類薄膜太陽電池氣相原子的凝聚取決于它們和襯底表面的相互作用。當(dāng)氣相原子撞擊到襯底表面時，將失去垂直于表面的速度分量而被襯底表面物理吸附，成為吸附原子。這種吸附原子可能處于非平衡態(tài)，并在襯底表面跳躍。由于表面上的熱活化或平行速度分量，吸附

22、原子可以跳過勢壘并從一個勢阱跳到另一個勢阱。通過這種跳躍擴散過程，原子吸附聚合，并形成穩(wěn)定的原子團，原子將與基體結(jié)合粘合，并在此過程中釋放出凝結(jié)熱。另一方面，在這個過程中，一些吸附的原子將從基底表面分離出來，再次變成氣態(tài)分子。因此，穩(wěn)定的原子在基底上的聚集是吸附原子和被俘獲原子之間的凈吸附。原子團的大小達(dá)到一定的線度時才能穩(wěn)定，此即形成臨界晶核。 通過電鏡對薄膜生長不同階段的觀測結(jié)果表明:由晶核通過生長形成連續(xù)的薄膜，一般經(jīng)歷四個階段，即形成孤立的島一聚結(jié)一連續(xù)網(wǎng)絡(luò)一溝道和孔洞等的填充。同時，在實際的生長過程中進行的非常迅速，目前還缺乏定量的處理。但是，研究都己表明:晶核的長大和聚合都是靠吸附

23、原子或原子團的表面擴散而不是由原子簡單地不斷沉積。這種表面擴散受很多因素影響，如襯底溫度、沉積材料與襯底的組合情況;沉積時，單位時間撞擊襯底的原子數(shù)以及撞擊原子的動能等，通過改變這些條件可以獲得不同性質(zhì)的薄膜。3.1.3 硅基類薄膜太陽電池的制造等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)薄膜材料生長的一種新的制備技術(shù)。由于PECVD技術(shù)是通過反應(yīng)氣體放電來制備薄膜的，有效地利用了非平衡等離子體的反應(yīng)特性，從根本上改變了反應(yīng)系統(tǒng)的供能方式。在外部電磁場的激發(fā)下，輝光放電形成等離子體。它由等量的帶正電的粒子（離子）和帶負(fù)電荷的粒子（電子）組成

24、。電子很容易被外界電場加速，反應(yīng)氣體的能量主要由電子的動能來進行。當(dāng)電子被電場能量加速時，高能電子和氣體分子的非彈性碰撞將使氣體電離或分解，產(chǎn)生中性原子和分子。正離子通過離子層加速電場和上電極碰撞加速。分解產(chǎn)生的中性物質(zhì)依賴于擴散到管壁和基底。到達(dá)襯底并和被吸附的化學(xué)活性物(主要是基)之間發(fā)生表面反應(yīng)的結(jié)果就使得薄膜生長。依據(jù)硅基類薄膜太陽電池相關(guān)理論，硅基類薄膜太陽電池可等效為如下電路：+-負(fù)載圖3.1 單個光伏電池的精確等效電路其等效數(shù)學(xué)模型為： （3.1）通過兩點近似, 即:一般情況下，遠(yuǎn)小于光電流，可忽略不計；一般情況下，遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，可令，且：在開路狀態(tài)下， ；（2）在最

25、大功率點，的條件下建立硅基類薄膜太陽電池工程模型。基于此，硅基類薄膜太陽電池的V-I特性曲線方程可簡化為： （3.2）在最大功率點時，可得： （3.3）常溫情況下，可忽略式中“ 1”項，解出： (3.4)在開路狀態(tài)即I = 0 時，將式( 4)代入( 2) 得：由于，忽略式中的“ 1”項，解出： (3.5)故該模型只需知道即可根據(jù)式( 4)、( 5) 解得與。由于在任意環(huán)境下會發(fā)生改變，通過以下式子，可求得新的。 （3.6）其中，S為日照強度；為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的日照強度，取=；T為電池結(jié)溫；為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的硅基類薄膜太陽電池結(jié)溫，取。且系數(shù)a、b、c典型值為：綜上所述，解得與并代入（2）式，

26、即可求出硅基類薄膜太陽電池的V-I特性曲線。3.1.4 硅基類薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況非晶硅(a-Si:H)是一種很好的太陽能電池材料，但是由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，非晶硅材料本身的S-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定，也限制了其進一步的應(yīng)用。微晶硅的光學(xué)帶隙為1.leV左右，具有與a-Si:H相同的低溫工藝、工藝簡單、便于大面積生產(chǎn)的優(yōu)點，其轉(zhuǎn)換效率高于非晶硅薄膜電池，在薄膜太陽能電池、傳感器和薄膜晶體管等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)微晶硅太陽能電池器件應(yīng)在陶瓷近側(cè)相轉(zhuǎn)變區(qū)的質(zhì)量水

27、平上制備。由于電池結(jié)構(gòu)中存在非晶相，在理論上可能存在光衰減。因此，對微晶硅薄膜的光穩(wěn)定性的研究也隨著轉(zhuǎn)換效率的提高備受關(guān)注。瑞士Shah研究小組根據(jù)AFM和TEM對微晶硅材料特性測試后分析總結(jié)出的材料的結(jié)構(gòu)隨硅烷濃度的變化。從圖中可清楚的看出:硅烷濃度對材料結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用，而且他們認(rèn)為在5%硅烷濃度周圍可以獲得高效率微晶硅太陽電池。隨著光電轉(zhuǎn)化效率的不斷提升，晶體硅光伏電池的轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到15%，單晶硅為23.3%，砷化稼光伏電池為25%。同時其使用壽命也得到了極大的延長，可達(dá)30年左右。3.2 碲化鎘（CdTe）太陽電池碲化鎘(CdTe)是具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，有很高的

28、光吸收系數(shù)，1m厚的CdTe可以使陽光中大于禁帶寬度的輻射能吸收99%以上，很適合制作薄膜太陽電池。3.2.1 CdTe薄膜太陽電池特點碲化鎘以CdTe作為吸收體的薄膜半導(dǎo)體材料與窗口層CdS形成n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)太陽電池，其結(jié)構(gòu)為:光一減反射膜(MgFa)/玻璃襯底/透明電極(Sn02:F)/窗口層(CdS)/吸收層(CdTe)/歐姆接觸過渡層/金屬背電極.吸收層CdTe薄膜室溫禁帶寬度為1.45eV，其中Cd空位為受主態(tài)，而Te空位為施主態(tài)，遷移率分別為e=1O50cm2/sV,h-80cm2/sV。它的制備方法有升華、MOCVD, CVD、真空蒸發(fā)以及原子層外延等多種方法。各

29、種方法都曾做過轉(zhuǎn)換效率10%以上的CdTe薄膜太陽電池.美國南佛羅里達(dá)大學(xué)于1993年用升華法在1cm2面積上做出效率為15.8%的太陽電池，成為該種電池的最高紀(jì)錄。3.2.2 CdTe薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)CdTe薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)為:Glass/SnO:F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni，電池效率為8-10%。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2。圖3.2 CdTe薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖CdTe薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)采用化學(xué)沉積方法(CBD)在SnO2:F/Corning1737玻璃襯底上沉積CdS多晶薄膜.膜厚為100-150nm。具體反應(yīng)式如下:NH3+H20NH4-+OH-Cd2十+4NH3

30、Cd(NH3)42十(NH2)2CS+OH-CH2N2+H20+HS-HS-+OH-S2- -+H20Cd(NH3)a十4+S2-CdS+4NH3讓Cd2十以絡(luò)合物 Cd(NH3)2+4 擴勺的形式存在，起到緩釋Cd2十的作用，使得反應(yīng)過程比較平緩，可以形成均勻的CdS膜;Sa-則由硫脈 (NH2)2CS 分解提供。另外，在反應(yīng)溶液中加入了緩沖劑(NH3C1)，使成膜溶液的PH值保持在8-9,更有利于化學(xué)反應(yīng)的順利進行。用此方法在TCO(透明導(dǎo)電膜)玻璃上制備了性能優(yōu)良的CdS多晶薄膜。CdS窗口層應(yīng)有較高透過率、較低的缺陷態(tài)密度及適當(dāng)?shù)馁M米能級。通常在沉積CdTe前，對CdS膜進行熱處理。常

31、用的方法有:(1)400 0C下氫氣氛中退火5-10min; (2)在CdS膜上涂敷CdCI:甲醇溶液，烘干后400 0C下氮氣氛中退火30-50min。圖3.3 近空間升華沉積系統(tǒng)示意圖1.鹵鎢燈；2.石英管；3.上石墨塊；4.襯底；5. CdTe源；6.下石墨塊；7.熱偶；8.支撐竿圖3.3是近空間升華沉積系統(tǒng)示意圖。沉積裝置由加熱用的鹵鎢燈和放置于石英管內(nèi)部的石墨塊、襯底等組成。襯底放在CdTe源塊的上方，兩者均由鹵鎢燈通過石墨塊間接加熱，保證源和襯底受熱均勻。源和襯底之間用高純石英墊片隔開。系統(tǒng)真空度用北京儀器廠生產(chǎn)的HLP-03D薄膜真空計測定，該真空計可以滿足沒有氣氛選擇特性和低真

32、空范圍線性好的使用要求;使用K型熱電偶和XMT-101型控溫儀測量上下石墨塊的溫度。系統(tǒng)背底真空O.1 Pa，源和襯底溫度分別在室溫一800 0C、室溫一700 0C之間調(diào)節(jié)。源、襯底間距可以在21 Smm調(diào)節(jié)。使用峨嵋半導(dǎo)體材料廠生產(chǎn)的純度為SN的CdTe多晶片作為升華源。3.2.3 CdTe薄膜太陽電池的制造CdTe的帶隙為1.46eV，接近太陽電池所需的最優(yōu)值。多晶蹄化福薄膜的低成本制備技術(shù)多，CdTe薄膜太陽電池穩(wěn)定性好，小面積蹄化福太陽電池的轉(zhuǎn)化效率已達(dá)16.5，大面積組件的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了11.0%。由于空間飛行技術(shù)的發(fā)展，為了增加有效載荷，降低發(fā)射成本，要求空間用太陽電池組件的質(zhì)量

33、比功率在400W/kg以上，太陽電池的質(zhì)量比功率在1OOOW/kg以上。只有做成柔性結(jié)構(gòu)的薄膜太陽電池才能滿足此要求，柔性太陽電池在地面上也有廣泛的應(yīng)用前景。CdTe薄膜太陽電池可以做成具有很高質(zhì)量比功率的柔性結(jié)構(gòu)，用于空間應(yīng)用。在給定電池結(jié)溫與光照強度的條件下，碲化鎘（CdTe）太陽電池的輸出電流、電壓與功率間的關(guān)系如圖3.4所示。從圖中可以看出：（1）光伏電池的伏安特性曲線具有明顯的非線性特征；（2）對于開路電壓，當(dāng)電池結(jié)溫、光照強度增加時，其均出現(xiàn)了不同程度的上升；（3）對于短路電流，當(dāng)電池結(jié)溫增加時，其出現(xiàn)了大幅上升，而當(dāng)光照強度增加時，其只會小幅波動。圖3.4 光照強度恒定不同電池結(jié)

34、溫時的I-V、P-V曲線圖3.5 太陽能光伏電池的V-I, P-V特性曲線如圖3.5所示，在不同的溫度與光強條件下，碲化鎘（CdTe）太陽電池所對應(yīng)的P-V特性曲線各不相同。在圖3.5中，每條曲線上都存在斜率為零的點，對應(yīng)該情況下太陽能光伏電池最大功率點M。該情況下，其內(nèi)電阻等于其負(fù)載電阻, 點M的對應(yīng)電流、電壓即最大功率點電流與最大功率點電壓17。此時，最大功率點M的對應(yīng)功率為: （3.7）其中，為太陽能光伏電池的填充因數(shù)，是衡量其性能的一個重要參數(shù)指標(biāo) 13。3.2.4 CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況近年來，太陽電池的研究方向是高轉(zhuǎn)換效率、低成本和高穩(wěn)定性。因此，以CdTe ,CuInSe

35、2和多晶硅膜為代表的薄膜太陽電池倍受關(guān)注人們認(rèn)為，CdTe薄膜太陽電池是上述3種電池中最容易制造的，因而它向商品化進展最快。為了提高電池的效率是結(jié)構(gòu)層材料，工藝優(yōu)化，減少窗口層厚度的CD，可以減少入射光的損失，從而增加了短波長的響應(yīng)以提高短路電流的電池，在薄薄的一層CdS窗口使用碲化鎘電池15.8%和記錄打某人。CdZns或硒化鋅窗口，還準(zhǔn)備了更好的電池。界面態(tài)層CdTe與背電極金屬吸收對細(xì)胞特性的影響起著重要作用。處理CdTe表面，與金屬電極之間添加P + P + HgTe ZnTe或過渡層，改善歐姆接觸。提高電池效率的必要措施；降低成本，它必須是沉積溫度下CdTe 5500C，適用于廉價的

36、玻璃基板；實驗室結(jié)果的行業(yè)，必須經(jīng)過組裝和生產(chǎn)模式的設(shè)計、優(yōu)化工藝的研究。近年來，不僅有許多國家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的CdTe太陽電池，而且在大面積組件方面取得了可喜的進展，許多公司正在進行CdTe薄膜太陽電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè)，有的已經(jīng)投產(chǎn)。3.3 銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池銅錮嫁硒太陽能電池由于轉(zhuǎn)化效率是薄膜太陽能電池中最高的，而且有帶隙可調(diào)、抗輻射性能好、生產(chǎn)過程環(huán)保、對元素含量偏離化學(xué)計量比容忍度高等優(yōu)點，在未來的發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆?.3.1 CIGS薄膜太陽電池特點薄膜太陽能電池的核心部分是光吸收層和另一半導(dǎo)體層組成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，由吸光層、窗口層

37、和背電極層等薄膜有機地組合在一起，襯底是低成本的玻璃或柔性材料。薄膜太陽能電池的發(fā)展始于上世紀(jì)70年代，但是市場份額卻一直較低，2002年約占太陽能電池總市場份額的10%，而到2016你那已經(jīng)占到45%的市場份額。這是因為技術(shù)路線不成熟，造成生產(chǎn)成本高，而且光電轉(zhuǎn)化效率比晶體硅電池低。目前有望大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有三種:非晶硅(a-Si) ,磅化鍋(CdTe)和銅錮嫁硒CI(G)S。非晶硅電池與其它兩種電池相比，效率最低，但是技術(shù)較成熟，占據(jù)了主要的薄膜電池市場。CdTe電池由于生產(chǎn)成本低，在工業(yè)生產(chǎn)上也得到了很大發(fā)展，但由于Cd元素有毒，對環(huán)境有害，所以是其推廣的一個主要阻力。3.3.2

38、 CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)CIGS屬于II-VI族化合物，是直接帶隙半導(dǎo)體，單晶帶隙寬度為2.45eV，屬于寬帶隙半導(dǎo)體，吸收邊波長約為512 nm，允許大部分可見光透過，因此常作為太陽能電池的窗口層。由于Cd和S形成化合物時價電子發(fā)生軌道雜化，使CIGS中Cd原子和S原子分別有四個價電子，每個Cd原子(S原子)和最近鄰四個S原子(Cd原子)成鍵，形成四面體結(jié)構(gòu)單元。CIGS主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是立方相閃鋅礦結(jié)構(gòu)，一種是六方相纖鋅礦結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)非常相近，互為同質(zhì)異構(gòu)體，二者的最近鄰原子間距相等，區(qū)別只是密排面的堆垛次序不同，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是ABCABCABC的順序，而纖鋅礦結(jié)構(gòu)是ABABAB

39、的順序。由于兩種結(jié)構(gòu)的形成能相差很小，所以通常會共存于制備出的CIGS薄膜中。由于CIGS中主要點缺陷硫空位(VS)為施主，所以CIGS為n型半導(dǎo)體，載流子濃度的為1016-1017/cm3。器件級別的n型CIGS薄膜載流子濃度為1017/cm3，電子遷移率切（n）為3S0 cm2/Vs，導(dǎo)帶底有效態(tài)密度(Nc)為1.8x1019 cm-3,少子壽命2x10-10 s(Acevedo 2006)。3.3.3 CIGS薄膜太陽電池的制造幾乎所有用來制備半導(dǎo)體的方法都曾經(jīng)嘗試用于制備Culn(Ga)Se2薄膜，但只有少數(shù)幾種方法可以制備高質(zhì)量的CuIn(Ga)Se:薄膜并用在太陽能電池當(dāng)中。銅銦鎵

40、硒（CIGS）太陽電池神經(jīng)細(xì)胞簡稱神經(jīng)元，是組成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，由細(xì)胞體和細(xì)胞突起構(gòu)成，如圖3.6所示：圖3.6 銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池神經(jīng)元細(xì)胞銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過大量神經(jīng)元互相連接形成，各神經(jīng)元間連接權(quán)值的動態(tài)演化反映了其學(xué)習(xí)與辨別能力；作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，人工神經(jīng)元模型將是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基礎(chǔ)，如圖3.7所示：求和激活函數(shù)輸出閾值圖3.7 人工神經(jīng)元模型它由三種基本元素構(gòu)成：（1） 一組連接：用連接權(quán)值來表示連接強度（當(dāng)權(quán)值大于零時，為激活狀態(tài)；反之，為抑制狀態(tài)）。（2） 一個加法器：計算輸入信號對神經(jīng)元相應(yīng)突觸的加權(quán)之和。（3） 一個激活器

41、：限定神經(jīng)元的輸出幅值。激活函數(shù)能夠?qū)⑤斎胄盘栂拗茷樵试S范圍內(nèi)的某一定值。通常，我們將其限制在閉區(qū)間0,1或閉區(qū)間-1,1內(nèi)。此外，可以對神經(jīng)元模型添加一個外部偏置，根據(jù)其值的正負(fù)大小，可隨之改變激活函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)輸入值。其中，人工神經(jīng)元由下列公式表示： （3.8） （3.9）式中各參數(shù)說明如下：輸入信號。神經(jīng)元的突觸權(quán)值（若，神經(jīng)元將處于激活狀態(tài)；反之，將處于抑制狀態(tài)；表示輸入信號數(shù)目）。輸入信號線性組合器的輸出。神經(jīng)元單元的偏置（閾值）。激活函數(shù)。神經(jīng)元輸出信號。對于銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具備以下三種激活函數(shù)，其中。（1）閾值函數(shù)：若函數(shù)自變量大于0，輸出值為1；反之，輸出值為

42、0?？墒褂瞄撝岛瘮?shù)將輸入值分為下面兩種情況： （3.10）（2）分段線性函數(shù)：在線性區(qū)間（-1,1）內(nèi)其放大系數(shù)是相同的，我們不妨將該形式下的激活函數(shù)看為近似的非線性放大器，如圖3-3（a）所示。 （3.10）（3）非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)：可代表狀態(tài)連接神經(jīng)元模型，是一種從實數(shù)域R至閉區(qū)間0,1上的非連接函數(shù)。其中，單極性Sigmoid函數(shù)（S函數(shù)）為最常用的非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)，且S函數(shù)與它的導(dǎo)數(shù)處處連續(xù)，其曲線特點如圖3-3（b）所示。單極性S函數(shù)定義如下： （3.11）同樣，也可采用雙極性S函數(shù)，定義如下: （3.12）V1-1-1100（a） 分段線性函數(shù) （b）單極性S形函數(shù)圖3.8 激活函數(shù)3.

43、3.4 CIGS薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況今天，市場上銷售的太陽能電池90%以上都是單晶硅或多晶硅電池。造成晶體硅太陽能電池如此廣泛應(yīng)用有幾個原因。最主要的原因是高效率和高穩(wěn)定性。而且硅的儲量大，在地殼中含量占20%。但是硅電池也有缺點，一是耗能高，生產(chǎn)等量的電能，硅電池的成本是傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的十倍。這主要是因為在Si02到Si的純化過程中能耗很高，而且高純材料產(chǎn)率較低。二是污染大，在生產(chǎn)單晶硅的過程中會排放大量有毒氣體，對環(huán)境造成污染。三是硅是間接帶隙半導(dǎo)體，光吸收系數(shù)低造成電池較厚，所以對原材料消耗大。目前，CIGS太陽能電池已經(jīng)逐漸推廣到工業(yè)化生產(chǎn)，越來越多的企業(yè)開始向這個方向投資。當(dāng)今世界上

44、的CIGS太陽能電池廠商集中在美、日、德三國。在生產(chǎn)技術(shù)方面，Wurth Solar和Global Solar采用共蒸發(fā)法制備CIGS層，其中Wurth Solar的7200 cm2的單片模塊最高效率達(dá)到13%，平均效率也有11.7%，該公司2007年的生產(chǎn)能力為15 MW/年o Global Solar公司已經(jīng)開發(fā)出柔性金屬襯底，采用連續(xù)式的卷對卷制程生產(chǎn)，面積為8709 cm2的電池最高效率達(dá)10.4%o Shell Solar和ShowaShell公司采用硒化硫化金屬預(yù)制膜的工藝制備CIGS層，Shell Solar的3236 cm2電池最高效率12.8%。值得一提的是Internati

45、onal Solar Electric Technology (ISET)和Nanosolar采用非真空技術(shù)生長CIGS薄膜，其中ISET是把CuO,In0和(Cu,In)Se的納米顆粒印刷在襯底上，然后熱處理形成CIS薄膜。盡管該項技術(shù)目前尚未成熟，但也絲毫掩蓋不了它是一個非常有市場潛力的發(fā)展方向。3.4 染料敏化（DSSC）電池納米晶染料敏化太陽能電池(簡稱DCCS)，主要由寬帶隙的多孔n型半導(dǎo)體，染料敏化層(有機染料敏化劑或無機吸附層)及電解質(zhì)或P型半導(dǎo)體組成。由于DSSC電池采用了低成本的多孔n型TiO2或Zn0半導(dǎo)體薄膜、無機有機染料分子或非常薄，不僅大大提高了輕組分的吸收效率，而且

46、降低了大規(guī)模電池的制造成本，具有良好的應(yīng)用前景。這方面的早期研究集中在平板電極上。這些電極的主要缺點是只能在電極表面吸附單層染料分子。雖然半導(dǎo)體電極可以在單分子層吸附染料達(dá)到最佳的電子轉(zhuǎn)移效果，但由于平板電極表面積相對較小，單層染料表面的光捕獲能力較差。1993年時M.Gratzel等人研制了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)10%的DCCS太陽能電池。總體來說，DSSC太陽能電池最大的優(yōu)勢是廉價的成本、簡單的制作工藝和高的效費比，因此具有很好的應(yīng)用前景。目前DSSC太陽能電池的光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5-1/10，壽命能達(dá)到20年以上，相信在不久的將來，商業(yè)化的DSSC電池組件就會

47、面世。 染料敏化太陽能電池的工作原理不同于傳統(tǒng)P-N結(jié)型太陽能電池。傳統(tǒng)P-N結(jié)型太陽能電池在光吸收層吸收一個光子后，產(chǎn)生一個電子空穴對，在結(jié)區(qū)內(nèi)建電場作用下，電子向N型區(qū)移動，空穴向P型區(qū)移動，這樣P-N結(jié)兩端就產(chǎn)生了光生電壓。圖3.9 典型的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖圖3.9給出了典型的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。染料敏化太陽能電池主要由導(dǎo)電玻璃襯底、多孔納米晶薄膜、光敏染料、氧化還原電解質(zhì)、對電極等幾部分組成。導(dǎo)電玻璃是表面鍍有數(shù)百納米厚的氧化錮錫(ITO)或摻氟氧化錫(FTO)透明導(dǎo)電膜的玻璃。多孔納米晶薄膜作為半導(dǎo)體，一般使用寬禁帶半導(dǎo)體Ti02(禁帶寬度

48、3.2 eV)，涂敷于FTO玻璃基板上并進行燒結(jié)。染料分子充分吸附在Ti02表面。Ti02之所以采用納米結(jié)構(gòu)，主要是為了增大其比表面積，使其能吸附更多的染料分子，同時使納米顆粒與吸附在其上的染料單分子層之問可以發(fā)生有效的電子轉(zhuǎn)移。由于寬禁帶半導(dǎo)體不能吸收可見光而被激發(fā)，只能靠吸附在其上的染料吸收可見光光子，這就是染料敏化納米晶電池中敏化的含義。導(dǎo)電玻璃基片、納米晶多孔薄膜及其上吸附的光敏染料組成的體系被稱為光陽極，而表面涂敷有Pt或者碳等催化劑的對電極被稱為光陰極(電池正極)。以簡化的公式表達(dá)DSSC工作原理如下:（1）染料吸光躍遷:S0+hvS* ;（2）電子注入:S*S+e-(Ti02co

49、nduction band);（3）染料還原:2S+3I-2S0+I3-（4）電解質(zhì)再生:13-+2e-31-.染料敏化太陽能電池的另一重要的研究領(lǐng)域是用固體一半固體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)。這種電池采用固體有機空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)，克服了先前濕式電池制造不方便、難以封裝以及穩(wěn)定性差的缺點，單色光光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到33%。不過目前全固態(tài)DSSC電池的效率一直不太高，需要進一步研究才能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。3.5 有機薄膜（OPV）太陽電池有機物有小分子和聚合物兩種，因此，有機太陽能電池可分為:（1）小分子有機太陽能電池；（2）聚合物有機太陽能電池。通過在導(dǎo)電玻璃上涂覆聚合物溶液制備本體異質(zhì)結(jié)太

50、陽能電池。低分子有機太陽能電池通常采用真空蒸發(fā)法制備多層有機薄膜。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，有機太陽能電池具有以下優(yōu)點：（1）材料可以在分子水平上得到改善，材料選擇空間巨大。（2）有機材料具有很強的光吸收能力。（3）有機太陽能電池由于其具有柔性器件的特性，可廣泛應(yīng)用，給人們的日常生活帶來許多變化。（4）采用真空蒸鍍，旋涂等工藝，工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本。有機太陽能電池的工作分為以下幾個過程:（1）光子吸收:當(dāng)光照射到有機太陽能電池時，進入到有源層的光子中，其光子能量by大于有機半導(dǎo)體禁帶寬度的光子會把電子從HOMO能級激發(fā)到LUMO能級形成一個激子。(2)激子擴散:產(chǎn)生的激子在有機材料

51、內(nèi)擴散運動。我們需要較長的擴散長度使激子能夠擴散到異質(zhì)結(jié)界面處分離，擴散長度和激子的壽命密切相關(guān)。激子在一般有機材料中的擴散長度一般小于1Onm。（3）電荷分離:P型材料作為異質(zhì)結(jié)中的給體(D), N型材料作為異質(zhì)結(jié)中的受體(A)。有機薄膜（OPV）太陽電池激子擴散到D-A界面(異質(zhì)結(jié)界面)處能夠分離成自由電子和空穴。有機薄膜（OPV）太陽電池徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡稱RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種高效的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除具備如泛化能力，并行信息處理能力，多維非線性映射能力等優(yōu)點外還，它具備了最佳逼近與全局最優(yōu)的特性。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)含有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，第一層為輸入層，由信號源節(jié)點組成；第

52、二層為隱含層，其傳遞函數(shù)為一種非線性的局部分布函數(shù)；第三層為輸出層，其輸出值為隱單元輸出值的線性加權(quán)，如圖3.10所示：輸入層隱含層輸出層輸入變量輸出變量圖3.10 有機薄膜（OPV）太陽電池RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2015年，美國普林斯頓大學(xué)首次在雙異質(zhì)結(jié)小分子有機太陽能電池的有源層和金屬電極間引入了激子阻擋層EBL，激子阻擋層防止了激子在電極處的淬滅，優(yōu)化了器件的光場分布。在引入簡單光學(xué)結(jié)構(gòu)的條件下，有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為2.4% 0.3%。在那之后，我們從有機太陽能電池的物理機理入手，有源層由于激子擴散長度的光吸收較短，沒有足夠的厚度，在有機太陽能電池中的三態(tài)磷光材料的金屬體摻雜使光吸收問題，在原子三態(tài)磷光材料和放棄的光誘導(dǎo)的單線態(tài)激子轉(zhuǎn)換三激子，激子擴散長度的增加，使更多的激子擴散到異質(zhì)結(jié)界面的自由載流子的分離，提高了光電流。我們在以上采用p-i-n結(jié)構(gòu)p型空穴傳輸層的基礎(chǔ)上，希望通過在有源層給體中摻入磷光材料這種磷光敏化的方法來進一步提高有機太陽能電池的效率。第4章 薄膜太陽電池的市場發(fā)展前景在歷史上，單晶硅是第一種被商業(yè)化應(yīng)用的太陽能電池材料，且是當(dāng)今研究最廣泛的半導(dǎo)體。硅的優(yōu)點在于其工藝技術(shù)成熟以及地球殼層硅含量豐富。由于硅是一種間接躍遷半導(dǎo)體，故其吸收比