薄膜太陽能電池的分類與發(fā)展歷史
薄膜太陽能電池種類
為了尋找單晶硅電池的替代品，人們除開發(fā)了多晶硅，非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物，硫化鎘，碲化鎘及銅錮硒薄膜電池等。
上述電池中，盡管硫化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉換效率受到人們的普遍重視。
砷化鎵太陽能電池
GaAs屬于III-V族化合物半導體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽光的值，與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉換性能仍很良好，其最高光電轉換效率約30%，特別適合做高溫聚光太陽電池。
砷化鎵生產方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術制造，這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學的MOCVD，一種是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯，反應壓力，III-V比率，總流量等諸多參數的影響。 GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達29.5%(一般在19.5%左右) ，產品耐高溫和輻射，但生產成本高，產量受限，目前主要作空間電源用。以硅片作襯底， MOCVD技術異質外延方法制造GaAs電池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化鎵系列太陽電池有單晶砷化鎵，多晶砷化鎵，鎵鋁砷--砷化鎵異質結，金屬-半導體砷化鎵，金屬--絕緣體--半導體砷化鎵太陽電池等。
砷化鎵材料的制備類似硅半導體材料的制備，有晶體生長法，直接拉制法，氣相生長法，液相外延法等。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽電池的發(fā)展受到影響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb，GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。
1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉換效率為24.2%，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉換效率為14.7%。另外，該研究所還采用堆疊結構制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb，所得到的電池效率達到31.1%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。
銅銦硒電池
銅銦硒CuInSe2簡稱CIC.CIS材料的能降為1.leV，適于太陽光的光電轉換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。
CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅，銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉換效率發(fā)展到目前的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉換效率為15.3%(面積1cm2) 。1995年美國可再生能源研究室研制出轉換效率17.l%的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉換效率。預計到2000年CIS電池的轉換效率將達到20%，相當于多晶硅太陽能電池。 CIS作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉，性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
碲化鎘太陽能電池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率（28%），性能很穩(wěn)定，一直被光伏界看重，是技術上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽電池通常以CdS ／CdT e異質結為基礎。盡管CdS和CdTe和晶格常數相差10%，但它們組成的異質結電學性能優(yōu)良，制成的太陽電池的填充因子高達F F =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術已經開發(fā)出來，如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。絲網印刷燒結法：由含CdTe、CdS漿料進行絲網印刷CdTe、CdS 膜，然后在600～700℃可控氣氛下進行熱處理1h 得大晶粒薄膜. 近空間升華法：采用玻璃作襯底，襯底溫度500～600℃，沉積速率10μm/min. 真空蒸發(fā)法：將CdTe 從約700℃加熱鉗堝中升華，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1nm/s. 以CdTe 吸收層，CdS 作窗口層半導體異質結電池的典型結構：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實驗室效率不斷攀升，最近突16%。20世紀90年代初，CdTe電池已實現了規(guī)?；a，但市場發(fā)展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%。
人們認為，CdTe薄膜太陽電池是太陽能電池中最容易制造的，因而它向商品化進展最快。提高效率就是要對電池結構及各層材料工藝進行優(yōu)化，適當減薄窗口層CdS 的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波響應以提高短路電流密度，較高轉換效率的CdTe 電池就采用了較薄的CdS 窗口層而創(chuàng)了最高紀錄。要降低成本，就必須將CdTe 的沉積溫度降到550 ℃以下，以適于廉價的玻璃作襯底；實驗室成果走向產業(yè)，必須經過組件以及生產模式的設計、研究和優(yōu)化過程。近年來，不僅有許多國家的研究小組已經能夠在低襯底溫度下制造出轉換效率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廠的建設。有的已經投產。
在廣泛深入的應用研究基礎上，國際上許多國家的CdTe薄膜太陽電池已由實驗室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產。1998年美國的CdTe電池產量就為0.2MW，目前，美國高爾登光學公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜電池的生產能力為2MW，日本的CdTe電池產量為2.0MW。德國ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產10MW的CdTe薄膜太陽電池組件生產廠，預計其生產成本將會低于＄1.4/W。該組件不但性能優(yōu)良，而且生產工藝先進，使得該光伏組件具有完美的外型，能在建筑物上使用，既拓寬了應用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進一步降低。BP Solar公司計劃在Fairfield生產CdTe薄膜太陽電池。而Solar Cells公司也將進一步擴大CdTe薄膜太陽電池生產。
CdTe薄膜太陽電池是薄膜太陽電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學于1993年用升華法在1cm2面積上做出效率為15.8 %的太陽電池 ，隨后，日本Matsushita Battery報道了CdTe基電池以CdTe作吸收層，CdS作窗口層的n-CdS/ P - CdTe半導體異質結電池，其典型結構為MgF2/玻璃/ SnO2:F/ n-CdS/ P- dTe/背電極，小面積電池最高轉換效率16%，成為當時CdTe薄膜太陽能電池的最高紀錄，近年來，太陽電池的研究方向是高轉換效率，低成本和高穩(wěn)定性.因此，以CdTe為代表的薄膜太陽電池倍受關注，Siemens報道了面積為3600cm2電池轉換效率達到11.1%的水平。美國國家可再生能源實驗室提供了Solar Cells lnc的面積為6879cm2CdTe薄膜太陽電池的測試結果，轉換效率達到7.7%；Bp Solar的CdTe薄膜太陽電池，面積為4540cm2，效率為8.4%，面積為706cm2的太陽電池，轉換效率達到10.1%；Goldan Photon的CdTe太陽電池，面積為3528cm2，轉換效率為7.7%。
碲化鎘薄膜太陽電池的制造成本低，目前，已獲得的最高效率為16%，是應用前景最好的新型太陽電池，它已經成為美、德、日、意等國研究開發(fā)的主要對象。
我國CdTe薄膜電池的研究工作開始于上世紀80年代初。內蒙古大學采用蒸發(fā)技術、北京太陽能研究所采用電沉積技術（ED）研究和制備CdTe薄膜電池，后者研制的電池效率達到5.8%。80年代中期至90年代中期，研究工作處于停頓狀態(tài)。90年代后期，四川大學太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽電池的研究，在“九五”期間，承擔了科技部資助的科技攻關計劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研制”。采用近空間升華技術
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