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新型礦石金屬材料在電池中的應(yīng)用與發(fā)展

時(shí)間:2014-05-12 10:11:53

作者:世邦機(jī)器

目前,晶體鉛鋅太陽能電池是較主要的陽能電池材料。然而,鉛鋅并不是理想的光伏材料,光的吸收率很低,在波長0.5~1.0μm范圍內(nèi),光的吸收系數(shù)低于104cm-1,因此要吸收90%的光,所需鉛鋅材料的厚度至少為100μm,成本很高。另外,鉛鋅的禁帶寬度為1.12eV,并非對應(yīng)理想產(chǎn)生光伏響應(yīng)的禁帶寬度1.5eV,因此鉛鋅材料太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率較低,約為25%?,F(xiàn)在鉛鋅礦石加工設(shè)備實(shí)驗(yàn)室理想的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到24.7%,多晶鉛鋅太陽能電池為19 8%但其成本非常高。目前的研究表明,單一發(fā)展鉛鋅礦生產(chǎn)線晶體鉛鋅太陽能電池?zé)o法與常規(guī)能源相競爭。為了制造低成本高效率的太陽能電池,研制新材料新結(jié)構(gòu)的太陽能電池變得非常必要。

作為一種非常重要的薄膜材料,CdTe的禁帶寬度為1.45eV,其禁帶寬度隨溫度變化系數(shù)為(2.3~5. 4)×10-44eV/K,非常接近光伏材料的理想禁帶寬度,而且它是直接帶隙材料,具有很高的光吸收系數(shù),如在可見光部分,其光吸收系數(shù)在105cm-1左右,就只需要幾個(gè)微米的厚度便可以吸收90%的光。CdTe太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率在29%左右。

雖然同質(zhì)結(jié)N-CdTe/P-CdTe也可以作太陽能電池,但是轉(zhuǎn)換效率很低,一般小于10%,其原因是:CdTe的光吸收系數(shù)很高,使大部分光在電池表面1~2μm內(nèi)就已被吸收并且激發(fā)出電子和空穴對,但是這些少數(shù)載流子幾乎在表面就被復(fù)合掉,即在電池的表面形成“死區(qū)”.從而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率低。為了避免這種現(xiàn)象,一般是在CdTe的表面生長一層“窗口材料”CdS薄膜。CdS是寬禁帶半導(dǎo)體材料,帶隙為2.42eV,與CdTe有相對較好的晶格、化學(xué)和熱膨脹匹配。目前,實(shí)驗(yàn)室里CdTe/CdS太陽能電池的理想轉(zhuǎn)換效率為16. 5%,距其理論轉(zhuǎn)換效率還有不小的差距。

N型CdS窗口材料是制作高效率CdTe太陽能電池的必要的組成部分,其摻雜濃度為1016cm-2,厚度在50 ~100cm之間,而且薄膜均勻以減少短路效應(yīng)。生長CdS薄膜的方法很多,如物理氣相沉積( PVD)、金屬有機(jī)物氣相沉積(MOCVD)、封閉空間升華-凝華法(CSS)、化學(xué)水浴法(CBD)、絲網(wǎng)印刷法(SP)、化學(xué)氣相輸運(yùn)法(CVTG)和電沉積法(ED)。其中,化學(xué)水浴法是應(yīng)用較廣泛的生長方法,該法具有可控性好、均勻性好、成本低等特點(diǎn)。

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