薄膜太阳能电池研究进展

耿学文等：薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展　

薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展　

耿学文，李美成，赵连城　

（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘　要：　制备高效硅薄膜太阳能电池，需要在整个太　

阳光谱范围内进行有效陷光和保持低反射率。最近，　

对于硅衬底的陷光结构展开了大量的研究工作。综述　

了近年来硅衬底陷光结构的研究进展，分析了陷光结　

构制作的影响因素，展望了薄膜太阳能电池硅衬底陷　

光结构研究的发展趋势。　

关键词：　薄膜太阳能电池；硅衬底；陷光结构　

中图分类号：ＴＧ１４６．４　文献标识码：Ａ　

文章编号：１００１－９７３１（２０１０）０５－０７５１－０４　

１　引　言　

近年来，能源危机和环境污染的日趋严重极大地　

促进了光伏产业的迅速发展。太阳能光伏发电的核心　

器件是太阳能电池，硅太阳能电池由于原料来源广泛，　

成本较低，占据着太阳能电池市场的主导地位。降低　

成本和提高转换效率是太阳电池研究的重点方向。为　

了进一步提高太阳电池的光电转换效率，澳大利亚和　

美国分别提出了第三代太阳能电池的概念，即通过研　

究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，把一些新　

型电池结构引入薄膜太阳能电池的结构设计中。第三　

代太阳能电池主要有叠层太阳能电池、热载流子太阳　

能电池和量子点太阳能电池等。藉此，纳米材料和纳　

米结构由于其独特的物理特性被引入太阳能电池的研　

究，迅速引起了各国科研工作者的广泛关注［１　］。　

减少电池受光面上入射阳光的反射是提高太阳能　

电池的光电转换效率的手段之一。常用的减反射措施　

主要有：（１）采用传统方法刻蚀硅衬底，刻蚀方法包　

括：酸、碱湿法刻蚀、反应离子刻蚀、光子／电子束刻蚀　

和机械刻槽等；（２）在硅衬底表面或电池的受光面制　

备Ｔｉｏ　（ｚ≤２）、ＳｉＮ　等减反射膜；（３）在硅衬底表面　

制备多孔层陷光；（４）在硅衬底表面制备特殊纳米陷　

光结构，尤其是周期性亚波长光栅结构（ＳＷＳ）。　ＫＯＨ溶液［５］，而多晶硅通常用ＨＦ／ＨＮ０。溶液刻　

新型铜硫系薄膜太阳能电池材料制备的研究进展／罗　鹏等　・２８５・　新型铜硫系薄膜太阳能电池材料制备的研究进展　罗　鹏，郑誉亮，龚　力，赵丽霞，徐键　（宁波大学信息科学与工程学院，宁波３１５２１１）　摘要　薄膜太阳能电池提供了低成本、大面积的无碳发电应用前景，迅猛发展的纳米科技为高转换效率薄膜　太阳能电池的低成本制造提供了新途径。新型铜硫系半导体Ｃｕ。ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）薄膜材料具有禁带宽度与太阳辐射　匹配性好、光吸收系数大、元素丰度大、价格便宜、无毒等优点，因此将成为最具发展前景的薄膜太阳能电池材料。讨　论与分析了ＣＺＴＳ薄膜和纳米晶材料的制备及由这些材料制备绿色、低成本、高效率新型太阳能电池的研究进展。　关键词　Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４薄膜太阳能电池纳米晶　中图分类号：Ｔｍ４；ＴＮ２５　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ　ＬＵＯ　Ｐｅｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｙｕｌｉａｎｇ，ＧＯＮＧ　Ｌｉ，ＺＨＡＯ　Ｌｉｘｉａ，ＸＵ　Ｊｉａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５２１１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｏｆｆｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｍｉｓｅ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ａｎｙ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏｗａｒｄ　ｐｒｏｖｉ—　ｄｉｎｇ　ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ－ｆｒｅｅ　ｐｏｗｅｒ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｔｏｇｙ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｎｅｗ　ｒｏｕｔｅｓ　ｔｏ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｎｅｗ　ｃｏｐｐｅｒ　ｓｕｌｆｕｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｃｕ２　ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）ｆｉｌｍ　ｍａ—　ｔｅｒｉａｌ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｇｏｏｄ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌａｒ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｂａｎｄｇａｐ，ｌａｒｇｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｌａｒｇｅ　ａ．．　ｂｕｎｄａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｌｏｗｅｒ　ｐｒｉｃｅ，ｎｏｎ－ｔｏｘｉｃ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ＣＺＴＳ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｍ—　ｔｅｒｉａ１．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｏｐｐｅｒ　ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｃｕ２　ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ａｎｄ　ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ。ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｇｒｅｅｎ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ＣＺＴＳ　ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｃｕ２　ＺｎＳｎＳ４，ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｉｌｓ，ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ　经济快速发展和环境保护的迫切要求已使得太阳能、风　能、生物质能源等可再生绿色能源的开发和大规模应用提升　到国家发展战略的高度。太阳光能取之不尽，把光能转换成　电能，需要低成本、高效率的太阳能电池（ＳＣ）。ＳＣ器件实现　光伏能量转换有２个必要步骤：（１）吸收光子产生电子一空穴　对，几乎所有的电子一空穴对（即激子）在吸收层中生成；（２）器　件结构（如ｐ－ｎ结）将电子和空穴分开，电子流向负极，空穴流　向正极，产生电流　迄今为止，ＳＣ已研发至第３代口］。第１　代ＳＣ由高纯单晶硅片上单层同质ｐ＿ｎ结构成，转换效率高　达２４．７　Ｌ１］，虽然硅原料丰富，但高纯单晶硅生长能耗巨大，　硅片处理与ｐ－ｎ结制备需用危险化学品，成本高，因此，减少　材料用量、降低成本成为第２代ＳＣ的出发点。采用多晶硅、　非晶硅、碲化镉、铜硒合金等薄膜，材料消耗大为减少，成本　较低，但商用薄膜ＳＣ转换效率只有６％～１３％。为了提高转　换效率，人们研究了ＳＣ的效率极限和能量损失机理，据此提　出了第３代ＳＣ的概念［１］，如利用多带隙（前后叠层结构，中　间能带等）、提高单光子效率（热载流ＳＣ和冲击离子化ＳＣ）、　光子能量重新分布（光谱上、下转换）等措施来提高效率。　目前产业化占主导地位的仍是单晶硅ＳＣ（市场占有率　大于８６　），部分为碲化镉（ＣｄＴｅ）、铜铟镓硒（Ｃｕｌｎ。一　一　ＧａｚＳｅ。，ＣＩＧＳ）等薄膜ＳＣ。在单晶硅ＳＣ成本过高、国际市场　硅原材料持续紧张的背景下，薄膜ＳＣ已成为国际光伏市场　发展的趋势和新热点Ｄ］，特别是铜硫系薄膜ＳＣｃ。］，与其它候　选材料（如ＣｄＴｅ、ａ－Ｓｉ）相反，在长期激励下仍工作稳定。　２０１０年德国太阳能与氢研究中心（ＺＳｗ）在铜铟镓硒太阳能　电池（ＣＩＧＳ－ＳＣ）的功率转换效率上取得了最新突破，达到　２Ｏ．３　，距市场占主导地位的多晶硅ＳＣ的转换效率只相差　０．１　，且稳定性和容错能力优异。以钠钙平板玻璃或柔性　聚合物薄膜为基底的ＣＩＧＳ－ＳＣ同时还可作为一种新型建筑　材料，更容易与绿色建筑完美结合。但由于Ｇａ、Ｉｎ为稀有元　素，ｓｅ有毒性，因此目前正在商业化的ＣＩＧＳ－ＳＣ的产量将会　受到原料供应限制。近年来，新的铜硫系材料ＣｕｚＺｎＳｎＳ４　（ＣＺＴＳ）引人注目，Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ和Ｓ原料丰富且无毒，ＣＺＴＳ与　ＣＩＧＳ的性质相似。各国研究人员对ＣＺＴＳ的研究刚开始不　久，目前其效率还很低，还需要大量研究使ＣＺＴ　ＳＣ发展成　为低成本、环境友好、可大规模应用的高效太阳能电池。本　＊宁波市工业攻关项目（２ＯＯ８ＢＬＯＯ４２）　罗鹏：男，１９８７年生，硕士研究生，主要从事太阳能电池材料的研究Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｐｅｎｇ０５４＠１２６．ｃｏｒｎ徐键：通讯作者，男，教授，主　要从事微纳米光子材料与器件的研究Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｊｉ

收稿日期作者简介郑宗慧(),男,机械与自动化工程学院5335班学生。文章编号:1671-7333(2008)02-0153-04新型太阳能电池板的研究郑宗慧,崔　琦,黄　玲,咸峥毅(上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海　200235)摘要:　传统的太阳能电池主要有硅系能电池和化合物薄膜电池。二氧化钛(锐钛矿型二氧化钛),作为一种新的光催化剂,以其特有的功能,备受青睐。通过实验研究该类太阳能电池在各种条件下的工作状态与发电效率,使其能最大程度的利用太阳能源,以缓解人类对于传统能源的过度开发,具有很大的社会价值和使用性。关键词:　太阳能电池;光催化剂;二氧化钛中图分类号:TM923 文献标识码:AAResearchonNewSolarCellBoardZHENGZong2hui,CUIQi,HUANGLing,XIANZheng2yi(SchoolofMechanicalandAutomationEngineering,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai200235,China)Abstract:Thetraditionalsolarcellisthesiliconsolarcellandthecompoundthinfilmsolarcell.Asanewphotocatalyst,titaniumdioxide(anatasetitaniumdioxide)isnowlookeduponwithfavourforitsmagicalfunction.Experimentsprovethatthistypeofsolarcellworksasefficientlyasthegeneratorinallcondi2tions.Thisarticleattemptstomaximizetheuseofsolarenergyandalleviatetheoverdevelopmentoftradi2tionalenergy,whichwouldbeofgreatsocialvalueandpracticality.Keywords:solarcell;photocatalyst;titaniumdioxide 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,太阳能资源从根本上讲就是太阳的辐射能。在人类对未知世界的不断求索的过程中,我们开始发现太阳辐射能不仅具有含量巨大的特点,其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,太阳能到达地面的能量高达80万kW/s,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达(5.6×1012)kWh,相当于目前世界上能耗的40倍;而且,它具有清洁、环保、价格低廉、可再生的优点,可谓是人类的生活宝库,是我们取之不尽的能量的源泉。太阳能电池的本质是将太阳的辐射能转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,来推动负载工作。而评价该电池板质量的好坏主要是在于它带负载能力的高低、储存能量的多少。在太阳能电池板的开发过程中最重要的问题是要开发出性价比高的电池。目前中国乃至世界在制作太阳能电板时一般都采用价格昂贵的硅材料,高昂的价格使得太阳能电板不能被广泛的运用。利用二氧化钛制作太阳能电池板的想法是新颖的。通过实验来证明二氧化钛这种价格低廉的材料也可以制作出具有一定第8卷　第2期2008年6月 上海应用技术学院学报JOURNALOFSHANGHAIINSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.8No.2　Jun.2008

收稿日期：2009－12－07

基金项目：

国防科技大学校预研项目（JC08－01－06）

作者简介：

郑春满，1976

年出生，

博士，

副教授．

主要从事能源材料研究。E－mail：zhengchunman@sohu．com薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展

郑春满郭宇杰谢凯韦永滔

（

国防科技大学航天与材料工程学院，

长沙410073）

文摘在对太阳能电池基本原理进行介绍的基础上，

综述了近年来光电转换材料的发展情况，

重点对各

种材料的优缺点、

制备方法以及未来的发展趋势进行探讨。

关键词太阳能电池，

薄膜，

光电转换材料，

转换效率

RecentProgressinDevelopingPhotoelectricConversation

MaterialsforThin-FilmSolarCells

ZhengChunmanGuoYujieXieKaiWeiYongtao

（DepartmentofMaterialEngineeringandAppliedChemistry，SchoolofAerospace＆MaterialsEngineering，

NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073）

AbstractThephotoelectricconversationmaterialsarethekeypart，whichdecidestheconversationefficiencyof

thethin-filmsolarcells．Thephotoelectricconversationmaterialsthatcanbeusedinthethinfilmsolarcellsmainly

includeinorganicsemiconductormaterialsandorganicmaterials．Inthepresentpaper，thebasicprincipleofthinfilm