薄膜太阳能电池的现状与发展研究正文

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1、常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告二 级 学 院：电子与电气工程学院 专 业：微电子技术 班 号：微电151 学 生 姓 名：王玉锋 学 生 学 号：15060330126 设计（论文）题目： 薄膜太阳能电池的现状与发展研究 指 导 教 师：范燕 设 计 地 点：常州信息职业技术学院 起 迄 日 期：2017.5.302017.10.22 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文毕业设计（论文）任务书专业 微电子技术 班级 微电151 姓名 王玉锋 一、课题名称：薄膜太阳能电池的现状与发展研究 二、主要技术指标（或基本要求）：1.评述了薄膜太阳能电池的优缺点； 2.总结了

2、薄膜太阳能电池的原理和特点； 3.介绍了各种薄膜太阳能电池各自的价格成本、光电转换效率以及对环境方面的影响； 4.对它们的未来的发展趋势进行了展望； 三、主要工作内容：1.应用所学的的知识，结合书籍以及网上搜寻的资料； 2对薄膜太阳能电池的现状及发展状况进行研究； 3根据论文的指标、提纲完成目录，接着完成详细的内容，完成初稿； 4完成初稿后，在老师的指导下多次修改，最终完成定稿； 四、主要参考文献：1万磊. 铜铟硒薄膜太阳能电池相关材料研究D.中国科学技术大学,2010. 2刘玉萍,陈枫,郭爱波,李斌,但敏,刘明海,胡希伟. 薄膜太阳能电池的发展动态J. 节能与环保,2006,(11):21-

3、23. 3曹中明. 铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的制备与性能研究D.广东工业大学,2015. 4石栋. 薄膜太阳能电池柔性不锈钢衬底的电化学机械抛光研究D.浙江师范大学,2016. 5白赢赢. 基于TiO_2纳米结构的杂化薄膜太阳能电池器件构筑及其性能研究D.河南师范大学,2014. 学 生（签名） 20 年 月 日 指 导 教师（签名） 20 年 月 日 教研室主任（签名） 20 年 月 日 二级学院领导（签名） 20 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目薄膜太阳能电池的现状与发展研究一、 选题的背景和意义：人类社会进入21世纪，正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉

4、价的石油时代已经结束，逐步改变能源消费结构，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。太阳能光伏发电由于具有独特的优点，近年来正在飞速发展。太阳电池的产量平均年增长率在40%以上，已成为发展最迅速的高新技术产业之一，其应用规模和领域也在不断扩大，从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用，发展到城市并网系统和大型光伏电站。二、 课题研究的主要内容：结合相关研究成果，综述了薄膜太阳能电池近年来的发展状况，介绍了目前几种主要的太阳能薄膜电池,从器件结构、材料选择、工艺技术等方面总结了它们各自在价格成本、转换效率及对环境影响等方面的优缺点，并对其发展趋势进行了展望。三、 主要研究（

5、设计）方法论述：收集整理薄膜太阳能电池的现状与发展研究方面的相关文献资料，对前人的研究成果加以梳理，在前人研究的基础上，推进关于薄膜太阳能电池的发展研究分析。合理利用网络资源及学校图书馆文献资料，翻阅相关书籍，认真阅读资料内容，进一步深入分析太阳能电池的原理，对找到的资料进行筛选汇总，整理和归纳，与自己的理解相结合，再整理论文的框架结构，写好对应的提纲，规划好论文的布局，使文章更加严谨，内容更加具有说服力。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容2017.05.302017.06.05查找资料和相关书籍，完成开题报告2017.06.062017.07.05收集、整理资料，将所有

6、资料进行归纳2017.06.062017.07.05查阅、整合相关资料完成论文初稿，提交电子稿于老师，并提交中期检查表2017.09.022017.09.30指导老师给出修改意见，修改完善论文的格式及内容2017.10.012017.10.13进一步对论文进行修改校正，打印装订论文，准备论文答辩2017.10.142017.10.22提交毕业论文，准备答辩五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、二级学院意见： 签名： 年 月 日薄膜太阳能电池的现状与发展研究目录摘 要Abstract第1章 前言1第2章 薄膜太阳能电池概述.22.1 薄膜太阳能电池的工作原理22.2 影响太阳电池转换

7、效率的因素2第3章 薄膜太阳能电池的分类43.1 硅基类薄膜太阳电池43.1.1 硅基类薄膜太阳电池特点43.1.2 硅基类薄膜太阳电池结构43.1.3 硅基类薄膜太阳电池的制造53.1.4 硅基类薄膜太阳电池产业化情况63.2 碲化镉（CdTe）太阳电池63.2.1 CdTe薄膜太阳电池特点63.2.2 CdTe薄膜太阳电池结构73.2.3 CdTe薄膜太阳电池的制造83.2.4 CdTe薄膜太阳电池产业化情况93.3 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池93.3.1 CIGS薄膜太阳电池特点93.3.2 CIGS薄膜太阳电池结构103.3.3 CIGS薄膜太阳电池的制造103.3.4 CIGS薄膜

8、太阳电池产业化情况123.4 染料敏化（DSSC）电池133.5 有机薄膜（OPV）太阳电池15第4章 薄膜太阳电池的市场发展前景16第5章 结束语18参考文献19答谢辞20摘 要由于煤、石油、天然气等常规能源的逐渐枯竭，全世界即将面临严峻的能源短缺问题。作为一种洁净的、可再生的新型能源，太阳能愈来愈受到人们的关注，薄膜太阳能电池在未来具有良好的发展前景。由于薄膜太阳能电池在将光能转换为电能的过程中其输出功率受电池结温与光照强度的影响较大，若要实现薄膜太阳能电池的最大功率输出，首先要解决的就是薄膜太阳能电池输出特性的建模问题。而目前，薄膜太阳能电池器件的最高效率已经达到。但是，制备工艺复杂、设

9、备成本高以及原料使用率低，阻碍了其产业化发展。因此，如何制备高效率的太阳能电池与降低其总体成本，成为了研究该领域的两个主要方向。基于此，本文以薄膜太阳能电池的现状与发展研究为研讨课题，首先从薄膜太阳能电池的工作原理、影响太阳电池转换效率的因素两个方面对薄膜太阳能电池进行概述，其次通过3.1 硅基类薄膜太阳电池、碲化镉（CdTe）太阳电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳电池、染料敏化（DSSC）电池、有机薄膜（OPV）太阳电池五个方面对薄膜太阳能电池的分类进行详细分析，然后提出膜太阳电池的市场发展前景，最后结束语总结全文，希望对关于薄膜太阳能电池现状与发展方面的研究有所易助。关键词：薄膜太阳能电池；发

10、展现状；市场发展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 前言伴随世界经济的迅猛发展与化石能源的逐渐缺乏，薄膜太阳能发电技术取得了飞速发展。开发利用广阔、丰富的太阳能,不仅填补了近期急需的能源消耗，并且将成为未来能源结构的基础。和煤、石油、天然气等常规能源比较，太阳能是洁净的，有利于环境保护的；和水能、风能、潮汐能等可再生能源比较，其资源丰富，分布广泛。正是由于太阳能的绿色环保、安全可靠，很多发达国家已经把开发与利用太阳能作为能源革命的主要内容进行长期规划，薄膜太阳能产业将成为继IT产业、微电子产业之后的又一爆炸式发展行

17、业。伴随全世界薄膜太阳能电池发电量的需求持续上升，据EPIA报告，截止2015年末，全球薄膜太阳能电池发电系统的总装机量己经达到16 GW; 到2016年末，总装机量达到了23 GW，年产电量达到了25 TWh，其中中国成功占据世界薄膜太阳能电池市场的1/10。当前，以德国、美国、日本等薄膜太阳能电池产业发展较好的国家为例，其政府已经对薄膜太阳能电池产业的发展采取了初始安装补贴、上网电价与电力回购等相关优惠政策。第2章 薄膜太阳能电池概述.薄膜太阳能电池是一种利用光电效应或光化学效应将光能直接转化为电能的装置。其中基于光电效应工作的薄膜式太阳能薄膜太阳能电池为主体，而基于光化学效应工作的太阳能

18、薄膜太阳能电池仍处于萌芽阶段，故而光电效应成为研究光伏发电的理论基础。2.1 薄膜太阳能电池的工作原理薄膜太阳能电池利用光电效应或光化学效应，当太阳光照射到PN结、其光子能量大于禁带宽度时，便可激发出电子空穴对。当由P区与N区所产生的光电子（少子）扩散并靠近PN结时，就会在其内建电场的作用下产生漂移现象。这时，光电子将与空穴对产生分离，形成一个与PN结内建电场方向相反的感应电场（方向由P区到N区）。光电势垒降低的原因，即由于光伏电势能的减少。若PN结开路，则光电流将与结电流大小相等，PN结两端将建立稳定的电压差（开路电压）。一旦PN结与外电路接通且有阳光照射时，电路中便会有电流生成，此时PN结

19、可看作为电源。如图2.1所示：图2.1 薄膜太阳能电池及系统工作原理2.2 影响太阳电池转换效率的因素由于薄膜太阳能电池的转化效率受温度与光照等因素的影响，所以研究薄膜太阳能电池输出特性方程，将成为薄膜太阳能电池理论的研究基础。但薄膜太阳能电池是通过 MATLAB 2012的神经网络工具箱函数对光伏系统进行了建模与仿真研究,设计出了基于BP与RBF神经网络的光伏电池模型。通过对比两种神经网络的优缺点及其与传统数学模型的差异，发现并证明其神经网络模型所具有的无可比拟的优势。再将两种神经网络模型所生成的功率数据与其对应传统数学模型在相同气温、光照与电压情况下所生成的功率数据进行比对，然后通过对回归

20、曲线的分析、均方误差的分析、预测误差的分析及其训练状况的比较。因此，从目前的发展状况分析，影响太阳电池转换效率的因素主要为：(1)其发电效率低，难以形成大功率发电系统；(2)其系统造价成本高；(3)其运行状况容易受到气候的影响；(4)其制造过程中将消耗大量的能源。第3章 薄膜太阳能电池的分类目前，光伏发电在航天、通讯及微功耗电子产品领域中己成功地占据了不可替代的位置，但作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1%，造成这种状况的主要原因是太阳电池的成本较高。要使光伏发电真正成为能源体系的组成部分，必须要大幅度地降低成本。薄膜太阳电池在降低成本方面比最初的晶体太阳电池具有更大的优势，3.1

21、硅基类薄膜太阳电池硅基类薄膜太阳电池是气相原子与固体表面作用的成膜过程，PECVD制备非晶硅薄膜所对应等离子体的空间反应，和相应的成膜过程。3.1.1 硅基类薄膜太阳电池特点硅基类薄膜太阳电池都有一个共同的特点:就是对原材料施加一定的能量，使它分解为原子或分子，然后这些原子或分子在某一衬底上沉积和聚合，从而凝聚成固态的薄膜。3.1.2 硅基类薄膜太阳电池结构硅基类薄膜太阳电池气相原子的凝聚取决于它们和衬底表面的相互作用。当气相原子撞击到衬底表面时，将失去垂直于表面的速度分量而被衬底表面物理吸附，成为吸附原子。这种吸附原子可能处于非平衡态，并在衬底表面跳跃。由于表面上的热活化或平行速度分量，吸附

22、原子可以跳过势垒并从一个势阱跳到另一个势阱。通过这种跳跃扩散过程，原子吸附聚合，并形成稳定的原子团，原子将与基体结合粘合，并在此过程中释放出凝结热。另一方面，在这个过程中，一些吸附的原子将从基底表面分离出来，再次变成气态分子。因此，稳定的原子在基底上的聚集是吸附原子和被俘获原子之间的净吸附。原子团的大小达到一定的线度时才能稳定，此即形成临界晶核。 通过电镜对薄膜生长不同阶段的观测结果表明:由晶核通过生长形成连续的薄膜，一般经历四个阶段，即形成孤立的岛一聚结一连续网络一沟道和孔洞等的填充。同时，在实际的生长过程中进行的非常迅速，目前还缺乏定量的处理。但是，研究都己表明:晶核的长大和聚合都是靠吸附

23、原子或原子团的表面扩散而不是由原子简单地不断沉积。这种表面扩散受很多因素影响，如衬底温度、沉积材料与衬底的组合情况;沉积时，单位时间撞击衬底的原子数以及撞击原子的动能等，通过改变这些条件可以获得不同性质的薄膜。3.1.3 硅基类薄膜太阳电池的制造等离子体增强化学气相沉积技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。由于PECVD技术是通过反应气体放电来制备薄膜的，有效地利用了非平衡等离子体的反应特性，从根本上改变了反应系统的供能方式。在外部电磁场的激发下，辉光放电形成等离子体。它由等量的带正电的粒子（离子）和带负电荷的粒子（电子）组成

24、。电子很容易被外界电场加速，反应气体的能量主要由电子的动能来进行。当电子被电场能量加速时，高能电子和气体分子的非弹性碰撞将使气体电离或分解，产生中性原子和分子。正离子通过离子层加速电场和上电极碰撞加速。分解产生的中性物质依赖于扩散到管壁和基底。到达衬底并和被吸附的化学活性物(主要是基)之间发生表面反应的结果就使得薄膜生长。依据硅基类薄膜太阳电池相关理论，硅基类薄膜太阳电池可等效为如下电路：+-负载图3.1 单个光伏电池的精确等效电路其等效数学模型为： （3.1）通过两点近似, 即:一般情况下，远小于光电流，可忽略不计；一般情况下，远小于二极管正向导通电阻，可令，且：在开路状态下， ；（2）在最

25、大功率点，的条件下建立硅基类薄膜太阳电池工程模型。基于此，硅基类薄膜太阳电池的V-I特性曲线方程可简化为： （3.2）在最大功率点时，可得： （3.3）常温情况下，可忽略式中“ 1”项，解出： (3.4)在开路状态即I = 0 时，将式( 4)代入( 2) 得：由于，忽略式中的“ 1”项，解出： (3.5)故该模型只需知道即可根据式( 4)、( 5) 解得与。由于在任意环境下会发生改变，通过以下式子，可求得新的。 （3.6）其中，S为日照强度；为标准测试条件下的日照强度，取=；T为电池结温；为标准测试条件下的硅基类薄膜太阳电池结温，取。且系数a、b、c典型值为：综上所述，解得与并代入（2）式，

26、即可求出硅基类薄膜太阳电池的V-I特性曲线。3.1.4 硅基类薄膜太阳电池产业化情况非晶硅(a-Si:H)是一种很好的太阳能电池材料，但是由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，非晶硅材料本身的S-W效应，使得电池性能不稳定，也限制了其进一步的应用。微晶硅的光学带隙为1.leV左右，具有与a-Si:H相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点，其转换效率高于非晶硅薄膜电池，在薄膜太阳能电池、传感器和薄膜晶体管等方面具有广阔的应用前景。目前，随着研究的不断深入，人们发现微晶硅太阳能电池器件应在陶瓷近侧相转变区的质量水

27、平上制备。由于电池结构中存在非晶相，在理论上可能存在光衰减。因此，对微晶硅薄膜的光稳定性的研究也随着转换效率的提高备受关注。瑞士Shah研究小组根据AFM和TEM对微晶硅材料特性测试后分析总结出的材料的结构随硅烷浓度的变化。从图中可清楚的看出:硅烷浓度对材料结构的调整作用，而且他们认为在5%硅烷浓度周围可以获得高效率微晶硅太阳电池。随着光电转化效率的不断提升，晶体硅光伏电池的转化效率已达到15%，单晶硅为23.3%，砷化稼光伏电池为25%。同时其使用寿命也得到了极大的延长，可达30年左右。3.2 碲化镉（CdTe）太阳电池碲化镉(CdTe)是具有闪锌矿结构II-VI族化合物半导体材料，有很高的

28、光吸收系数，1m厚的CdTe可以使阳光中大于禁带宽度的辐射能吸收99%以上，很适合制作薄膜太阳电池。3.2.1 CdTe薄膜太阳电池特点碲化镉以CdTe作为吸收体的薄膜半导体材料与窗口层CdS形成n-CdS/p-CdTe异质结太阳电池，其结构为:光一减反射膜(MgFa)/玻璃衬底/透明电极(Sn02:F)/窗口层(CdS)/吸收层(CdTe)/欧姆接触过渡层/金属背电极.吸收层CdTe薄膜室温禁带宽度为1.45eV，其中Cd空位为受主态，而Te空位为施主态，迁移率分别为e=1O50cm2/sV,h-80cm2/sV。它的制备方法有升华、MOCVD, CVD、真空蒸发以及原子层外延等多种方法。各

29、种方法都曾做过转换效率10%以上的CdTe薄膜太阳电池.美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm2面积上做出效率为15.8%的太阳电池，成为该种电池的最高纪录。3.2.2 CdTe薄膜太阳电池结构CdTe薄膜太阳电池的结构为:Glass/SnO:F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni，电池效率为8-10%。结构示意图如图3.2。图3.2 CdTe薄膜太阳电池的结构示意图CdTe薄膜太阳电池结构采用化学沉积方法(CBD)在SnO2:F/Corning1737玻璃衬底上沉积CdS多晶薄膜.膜厚为100-150nm。具体反应式如下: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让Cd2十以络合物 Cd(NH3)2+4 扩勺的形式存在，起到缓释Cd2十的作用，使得反应过程比较平缓，可以形成均匀的CdS膜;Sa-则由硫脉 (NH2)2CS 分解提供。另外，在反应溶液中加入了缓冲剂(NH3C1)，使成膜溶液的PH值保持在8-9,更有利于化学反应的顺利进行。用此方法在TCO(透明导电膜)玻璃上制备了性能优良的CdS多晶薄膜。CdS窗口层应有较高透过率、较低的缺陷态密度及适当的费米能级。通常在沉积CdTe前，对CdS膜进行热处理。常

31、用的方法有:(1)400 0C下氢气氛中退火5-10min; (2)在CdS膜上涂敷CdCI:甲醇溶液，烘干后400 0C下氮气氛中退火30-50min。图3.3 近空间升华沉积系统示意图1.卤钨灯；2.石英管；3.上石墨块；4.衬底；5. CdTe源；6.下石墨块；7.热偶；8.支撑竿图3.3是近空间升华沉积系统示意图。沉积装置由加热用的卤钨灯和放置于石英管内部的石墨块、衬底等组成。衬底放在CdTe源块的上方，两者均由卤钨灯通过石墨块间接加热，保证源和衬底受热均匀。源和衬底之间用高纯石英垫片隔开。系统真空度用北京仪器厂生产的HLP-03D薄膜真空计测定，该真空计可以满足没有气氛选择特性和低真

32、空范围线性好的使用要求;使用K型热电偶和XMT-101型控温仪测量上下石墨块的温度。系统背底真空O.1 Pa，源和衬底温度分别在室温一800 0C、室温一700 0C之间调节。源、衬底间距可以在21 Smm调节。使用峨嵋半导体材料厂生产的纯度为SN的CdTe多晶片作为升华源。3.2.3 CdTe薄膜太阳电池的制造CdTe的带隙为1.46eV，接近太阳电池所需的最优值。多晶蹄化福薄膜的低成本制备技术多，CdTe薄膜太阳电池稳定性好，小面积蹄化福太阳电池的转化效率已达16.5，大面积组件的转化效率达到了11.0%。由于空间飞行技术的发展，为了增加有效载荷，降低发射成本，要求空间用太阳电池组件的质量

33、比功率在400W/kg以上，太阳电池的质量比功率在1OOOW/kg以上。只有做成柔性结构的薄膜太阳电池才能满足此要求，柔性太阳电池在地面上也有广泛的应用前景。CdTe薄膜太阳电池可以做成具有很高质量比功率的柔性结构，用于空间应用。在给定电池结温与光照强度的条件下，碲化镉（CdTe）太阳电池的输出电流、电压与功率间的关系如图3.4所示。从图中可以看出：（1）光伏电池的伏安特性曲线具有明显的非线性特征；（2）对于开路电压，当电池结温、光照强度增加时，其均出现了不同程度的上升；（3）对于短路电流，当电池结温增加时，其出现了大幅上升，而当光照强度增加时，其只会小幅波动。图3.4 光照强度恒定不同电池结

34、温时的I-V、P-V曲线图3.5 太阳能光伏电池的V-I, P-V特性曲线如图3.5所示，在不同的温度与光强条件下，碲化镉（CdTe）太阳电池所对应的P-V特性曲线各不相同。在图3.5中，每条曲线上都存在斜率为零的点，对应该情况下太阳能光伏电池最大功率点M。该情况下，其内电阻等于其负载电阻, 点M的对应电流、电压即最大功率点电流与最大功率点电压17。此时，最大功率点M的对应功率为: （3.7）其中，为太阳能光伏电池的填充因数，是衡量其性能的一个重要参数指标 13。3.2.4 CdTe薄膜太阳电池产业化情况近年来，太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性。因此，以CdTe ,CuInSe

35、2和多晶硅膜为代表的薄膜太阳电池倍受关注人们认为，CdTe薄膜太阳电池是上述3种电池中最容易制造的，因而它向商品化进展最快。为了提高电池的效率是结构层材料，工艺优化，减少窗口层厚度的CD，可以减少入射光的损失，从而增加了短波长的响应以提高短路电流的电池，在薄薄的一层CdS窗口使用碲化镉电池15.8%和记录打某人。CdZns或硒化锌窗口，还准备了更好的电池。界面态层CdTe与背电极金属吸收对细胞特性的影响起着重要作用。处理CdTe表面，与金属电极之间添加P + P + HgTe ZnTe或过渡层，改善欧姆接触。提高电池效率的必要措施；降低成本，它必须是沉积温度下CdTe 5500C，适用于廉价的

36、玻璃基板；实验室结果的行业，必须经过组装和生产模式的设计、优化工艺的研究。近年来，不仅有许多国家的研究小组已经能够在低衬底温度下制造出转换效率12%以上的CdTe太阳电池，而且在大面积组件方面取得了可喜的进展，许多公司正在进行CdTe薄膜太阳电池的中试和生产厂的建设，有的已经投产。3.3 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池铜锢嫁硒太阳能电池由于转化效率是薄膜太阳能电池中最高的，而且有带隙可调、抗辐射性能好、生产过程环保、对元素含量偏离化学计量比容忍度高等优点，在未来的发展潜力最大。3.3.1 CIGS薄膜太阳电池特点薄膜太阳能电池的核心部分是光吸收层和另一半导体层组成的半导体异质结，由吸光层、窗口层

37、和背电极层等薄膜有机地组合在一起，衬底是低成本的玻璃或柔性材料。薄膜太阳能电池的发展始于上世纪70年代，但是市场份额却一直较低，2002年约占太阳能电池总市场份额的10%，而到2016你那已经占到45%的市场份额。这是因为技术路线不成熟，造成生产成本高，而且光电转化效率比晶体硅电池低。目前有望大规模生产的薄膜电池主要有三种:非晶硅(a-Si) ,磅化锅(CdTe)和铜锢嫁硒CI(G)S。非晶硅电池与其它两种电池相比，效率最低，但是技术较成熟，占据了主要的薄膜电池市场。CdTe电池由于生产成本低，在工业生产上也得到了很大发展，但由于Cd元素有毒，对环境有害，所以是其推广的一个主要阻力。3.3.2

38、 CIGS薄膜太阳电池结构CIGS属于II-VI族化合物，是直接带隙半导体，单晶带隙宽度为2.45eV，属于宽带隙半导体，吸收边波长约为512 nm，允许大部分可见光透过，因此常作为太阳能电池的窗口层。由于Cd和S形成化合物时价电子发生轨道杂化，使CIGS中Cd原子和S原子分别有四个价电子，每个Cd原子(S原子)和最近邻四个S原子(Cd原子)成键，形成四面体结构单元。CIGS主要有两种晶体结构，一种是立方相闪锌矿结构，一种是六方相纤锌矿结构。两种结构非常相近，互为同质异构体，二者的最近邻原子间距相等，区别只是密排面的堆垛次序不同，闪锌矿结构是ABCABCABC的顺序，而纤锌矿结构是ABABAB

39、的顺序。由于两种结构的形成能相差很小，所以通常会共存于制备出的CIGS薄膜中。由于CIGS中主要点缺陷硫空位(VS)为施主，所以CIGS为n型半导体，载流子浓度的为1016-1017/cm3。器件级别的n型CIGS薄膜载流子浓度为1017/cm3，电子迁移率切（n）为3S0 cm2/Vs，导带底有效态密度(Nc)为1.8x1019 cm-3,少子寿命2x10-10 s(Acevedo 2006)。3.3.3 CIGS薄膜太阳电池的制造几乎所有用来制备半导体的方法都曾经尝试用于制备Culn(Ga)Se2薄膜，但只有少数几种方法可以制备高质量的CuIn(Ga)Se:薄膜并用在太阳能电池当中。铜铟镓

40、硒（CIGS）太阳电池神经细胞简称神经元，是组成神经系统结构与功能的基本单位，由细胞体和细胞突起构成，如图3.6所示：图3.6 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池神经元细胞铜铟镓硒（CIGS）太阳电池神经网络通过大量神经元互相连接形成，各神经元间连接权值的动态演化反映了其学习与辨别能力；作为神经网络的基本处理单元，人工神经元模型将是神经网络设计的基础，如图3.7所示：求和激活函数输出阈值图3.7 人工神经元模型它由三种基本元素构成：（1） 一组连接：用连接权值来表示连接强度（当权值大于零时，为激活状态；反之，为抑制状态）。（2） 一个加法器：计算输入信号对神经元相应突触的加权之和。（3） 一个激活器

41、：限定神经元的输出幅值。激活函数能够将输入信号限制为允许范围内的某一定值。通常，我们将其限制在闭区间0,1或闭区间-1,1内。此外，可以对神经元模型添加一个外部偏置，根据其值的正负大小，可随之改变激活函数的网络输入值。其中，人工神经元由下列公式表示： （3.8） （3.9）式中各参数说明如下：输入信号。神经元的突触权值（若，神经元将处于激活状态；反之，将处于抑制状态；表示输入信号数目）。输入信号线性组合器的输出。神经元单元的偏置（阈值）。激活函数。神经元输出信号。对于铜铟镓硒（CIGS）太阳电池神经网络，具备以下三种激活函数，其中。（1）阈值函数：若函数自变量大于0，输出值为1；反之，输出值为

42、0。可使用阈值函数将输入值分为下面两种情况： （3.10）（2）分段线性函数：在线性区间（-1,1）内其放大系数是相同的，我们不妨将该形式下的激活函数看为近似的非线性放大器，如图3-3（a）所示。 （3.10）（3）非线性转移函数：可代表状态连接神经元模型，是一种从实数域R至闭区间0,1上的非连接函数。其中，单极性Sigmoid函数（S函数）为最常用的非线性转移函数，且S函数与它的导数处处连续，其曲线特点如图3-3（b）所示。单极性S函数定义如下： （3.11）同样，也可采用双极性S函数，定义如下: （3.12）V1-1-1100（a） 分段线性函数 （b）单极性S形函数图3.8 激活函数3.

43、3.4 CIGS薄膜太阳电池产业化情况今天，市场上销售的太阳能电池90%以上都是单晶硅或多晶硅电池。造成晶体硅太阳能电池如此广泛应用有几个原因。最主要的原因是高效率和高稳定性。而且硅的储量大，在地壳中含量占20%。但是硅电池也有缺点，一是耗能高，生产等量的电能，硅电池的成本是传统发电技术的十倍。这主要是因为在Si02到Si的纯化过程中能耗很高，而且高纯材料产率较低。二是污染大，在生产单晶硅的过程中会排放大量有毒气体，对环境造成污染。三是硅是间接带隙半导体，光吸收系数低造成电池较厚，所以对原材料消耗大。目前，CIGS太阳能电池已经逐渐推广到工业化生产，越来越多的企业开始向这个方向投资。当今世界上

44、的CIGS太阳能电池厂商集中在美、日、德三国。在生产技术方面，Wurth Solar和Global Solar采用共蒸发法制备CIGS层，其中Wurth Solar的7200 cm2的单片模块最高效率达到13%，平均效率也有11.7%，该公司2007年的生产能力为15 MW/年o Global Solar公司已经开发出柔性金属衬底，采用连续式的卷对卷制程生产，面积为8709 cm2的电池最高效率达10.4%o Shell Solar和ShowaShell公司采用硒化硫化金属预制膜的工艺制备CIGS层，Shell Solar的3236 cm2电池最高效率12.8%。值得一提的是Internati

45、onal Solar Electric Technology (ISET)和Nanosolar采用非真空技术生长CIGS薄膜，其中ISET是把CuO,In0和(Cu,In)Se的纳米颗粒印刷在衬底上，然后热处理形成CIS薄膜。尽管该项技术目前尚未成熟，但也丝毫掩盖不了它是一个非常有市场潜力的发展方向。3.4 染料敏化（DSSC）电池纳米晶染料敏化太阳能电池(简称DCCS)，主要由宽带隙的多孔n型半导体，染料敏化层(有机染料敏化剂或无机吸附层)及电解质或P型半导体组成。由于DSSC电池采用了低成本的多孔n型TiO2或Zn0半导体薄膜、无机有机染料分子或非常薄，不仅大大提高了轻组分的吸收效率，而且

46、降低了大规模电池的制造成本，具有良好的应用前景。这方面的早期研究集中在平板电极上。这些电极的主要缺点是只能在电极表面吸附单层染料分子。虽然半导体电极可以在单分子层吸附染料达到最佳的电子转移效果，但由于平板电极表面积相对较小，单层染料表面的光捕获能力较差。1993年时M.Gratzel等人研制了光电转化效率达10%的DCCS太阳能电池。总体来说，DSSC太阳能电池最大的优势是廉价的成本、简单的制作工艺和高的效费比，因此具有很好的应用前景。目前DSSC太阳能电池的光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5-1/10，寿命能达到20年以上，相信在不久的将来，商业化的DSSC电池组件就会

47、面世。 染料敏化太阳能电池的工作原理不同于传统P-N结型太阳能电池。传统P-N结型太阳能电池在光吸收层吸收一个光子后，产生一个电子空穴对，在结区内建电场作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样P-N结两端就产生了光生电压。图3.9 典型的染料敏化太阳能电池的结构和工作原理示意图图3.9给出了典型的染料敏化太阳能电池的结构和工作原理示意图。染料敏化太阳能电池主要由导电玻璃衬底、多孔纳米晶薄膜、光敏染料、氧化还原电解质、对电极等几部分组成。导电玻璃是表面镀有数百纳米厚的氧化锢锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)透明导电膜的玻璃。多孔纳米晶薄膜作为半导体，一般使用宽禁带半导体Ti02(禁带宽度

48、3.2 eV)，涂敷于FTO玻璃基板上并进行烧结。染料分子充分吸附在Ti02表面。Ti02之所以采用纳米结构，主要是为了增大其比表面积，使其能吸附更多的染料分子，同时使纳米颗粒与吸附在其上的染料单分子层之问可以发生有效的电子转移。由于宽禁带半导体不能吸收可见光而被激发，只能靠吸附在其上的染料吸收可见光光子，这就是染料敏化纳米晶电池中敏化的含义。导电玻璃基片、纳米晶多孔薄膜及其上吸附的光敏染料组成的体系被称为光阳极，而表面涂敷有Pt或者碳等催化剂的对电极被称为光阴极(电池正极)。以简化的公式表达DSSC工作原理如下:（1）染料吸光跃迁:S0+hvS* ;（2）电子注入:S*S+e-(Ti02co

49、nduction band);（3）染料还原:2S+3I-2S0+I3-（4）电解质再生:13-+2e-31-.染料敏化太阳能电池的另一重要的研究领域是用固体一半固体电解质代替传统的液体电解质。这种电池采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质，克服了先前湿式电池制造不方便、难以封装以及稳定性差的缺点，单色光光电转化效率达到33%。不过目前全固态DSSC电池的效率一直不太高，需要进一步研究才能实现工业化生产。3.5 有机薄膜（OPV）太阳电池有机物有小分子和聚合物两种，因此，有机太阳能电池可分为:（1）小分子有机太阳能电池；（2）聚合物有机太阳能电池。通过在导电玻璃上涂覆聚合物溶液制备本体异质结太

50、阳能电池。低分子有机太阳能电池通常采用真空蒸发法制备多层有机薄膜。与传统太阳能电池相比，有机太阳能电池具有以下优点：（1）材料可以在分子水平上得到改善，材料选择空间巨大。（2）有机材料具有很强的光吸收能力。（3）有机太阳能电池由于其具有柔性器件的特性，可广泛应用，给人们的日常生活带来许多变化。（4）采用真空蒸镀，旋涂等工艺，工艺简单，便于大规模生产降低生产成本。有机太阳能电池的工作分为以下几个过程:（1）光子吸收:当光照射到有机太阳能电池时，进入到有源层的光子中，其光子能量by大于有机半导体禁带宽度的光子会把电子从HOMO能级激发到LUMO能级形成一个激子。(2)激子扩散:产生的激子在有机材料

51、内扩散运动。我们需要较长的扩散长度使激子能够扩散到异质结界面处分离，扩散长度和激子的寿命密切相关。激子在一般有机材料中的扩散长度一般小于1Onm。（3）电荷分离:P型材料作为异质结中的给体(D), N型材料作为异质结中的受体(A)。有机薄膜（OPV）太阳电池激子扩散到D-A界面(异质结界面)处能够分离成自由电子和空穴。有机薄膜（OPV）太阳电池径向基函数神经网络简称RBF神经网络，是一种高效的前馈式神经网络。RBF神经网络除具备如泛化能力，并行信息处理能力，多维非线性映射能力等优点外还，它具备了最佳逼近与全局最优的特性。RBF神经网络含有三层网络结构。其中，第一层为输入层，由信号源节点组成；第

52、二层为隐含层，其传递函数为一种非线性的局部分布函数；第三层为输出层，其输出值为隐单元输出值的线性加权，如图3.10所示：输入层隐含层输出层输入变量输出变量图3.10 有机薄膜（OPV）太阳电池RBF神经网络结构2015年，美国普林斯顿大学首次在双异质结小分子有机太阳能电池的有源层和金属电极间引入了激子阻挡层EBL，激子阻挡层防止了激子在电极处的淬灭，优化了器件的光场分布。在引入简单光学结构的条件下，有机太阳能电池的光电转换效率为2.4% 0.3%。在那之后，我们从有机太阳能电池的物理机理入手，有源层由于激子扩散长度的光吸收较短，没有足够的厚度，在有机太阳能电池中的三态磷光材料的金属体掺杂使光吸

53、收问题，在原子三态磷光材料和放弃的光诱导的单线态激子转换三激子，激子扩散长度的增加，使更多的激子扩散到异质结界面的自由载流子的分离，提高了光电流。我们在以上采用p-i-n结构p型空穴传输层的基础上，希望通过在有源层给体中掺入磷光材料这种磷光敏化的方法来进一步提高有机太阳能电池的效率。第4章 薄膜太阳电池的市场发展前景在历史上，单晶硅是第一种被商业化应用的太阳能电池材料，且是当今研究最广泛的半导体。硅的优点在于其工艺技术成熟以及地球壳层硅含量丰富。由于硅是一种间接跃迁半导体，故其吸收比颇低，这就要求用0.4mm厚的大量硅来吸收太阳光。优化材料性能和结构的电池设计已经在为24.4%，薄膜太阳能电池

54、的转换效率实验室得到然而，障碍物的高转换效率的追求主要体现在薄膜太阳能电池技术更为复杂，所以生产成本一直居高不下，下。薄膜太阳能电池的成本导致了薄膜技术的发展，以牺牲电池转换效率为代价，并且市场上目前市面上最大的薄膜太阳能电池数量最多，首推非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池。在光伏市场中，a-Si电池是目前最实用化的薄膜电池，非晶硅(a-Si)的PV产品大部分用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费产品，但近几年也开发了非晶硅太阳能电池模块发电。由于其极低的生产成本，在日本“新阳光计划”下的PV推广项目己对非晶硅薄膜太阳能电池进行了约15年的探索开发。但为了使薄膜太阳能发电能够与其它商业化的发电方式进

55、行竞争，假设模块的稳定转换效率为8.5，那么非晶硅太阳能电池模块的生产成本就必须低于每瓦1.4美元，才具有竞争力。在可见光范围内，非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数，因此实现光伏转换所需的膜层厚度仅为0.3-0.45m，且每瓦所需硅的量极少。在每个阶段，制造非晶硅太阳能电池所需的能量要小于薄膜太阳能电池。非晶硅太阳能电池，需要制造电池的能量成本回收期约0.6-1.5年。目前，虽然非晶硅太阳能电池的发展取得了令人印象深刻的进展，但要保证技术的长期成功还需要解决一些问题。现在非晶硅太阳能电池的研究和开发一般分为:（1）提高转换效率；（2）提高可靠性；（3）开发批量生产技术。在提高非晶硅太阳能电池的转换

56、效率和可靠性方面，人们开展了许多制造方法、材料和器件结构方面的研究，其中叠层薄膜太阳能电池是一个重要的开发方向。为了适应实际应用中高输出电压的需要，又发展了集成型a-Si太阳电池子组件，其中多个子电池可通过蒸发法实现内部联接在一个绝缘衬底上而不需要任何导线。激光切割技术的使用使有效面积达到90%以上，随着这些新技术的采用，不断改进，我小面积的太阳能电池的转换效率和大面积的太阳电池组件的效率。然而，与传统的算法相比，该神经网络算法的最大优点是PV模块视为一个黑盒子，并准确预测模型可不知道相关的物理参数和任何光伏组件相关知识获得。RBF算法避免了BP算法迭代时间长和局部极值的可能性。且RBF算法具

57、有结构自适应确定的优良特性，即隐层节点数可由学习算法直接得到。RBF神经网络模型比BP神经网络模型需要更少的训练时间。BP神经网络模型传播只需要较少的信息便进行训练；而RBF神经网络模型需要更多的信息才能够获得准确的模型。与BP神经网络模型相比，RBF神经网络模型的预测误差与均方误差都有明显减小。第5章 结束语薄膜太阳电池的研究，自1954年美国贝尔电话实验室研究出第一块实用的太阳电池以来，人们就材料的选择、新制备工艺的探讨一直在进行。基于半导体材料及其光生伏特效应的太阳电池研制和生产己有距今已有40多年历史，半导体材料的光伏(PV)应用己成为日益壮大的产业，1990年以来的年均增长率在20%

58、左右，目前每年贸易额达10亿美元，成为世界上增长最快的清洁能源市场之一。市场上的各种太阳能电池都是由半导体材料制成的，半导体材料的光伏技术已成为最重要的半导体技术之一，年增长率高于集成电路产业。应用越来越广泛，“一百花争妍，蓬勃发展的态势形成，半导体材料的光伏过程成为了一次性化石能源的大量使用造成严重的环境污染，确保在世界各国可持续发展的沉重问题领域的发展来解决能源危机。由于薄膜太阳能电池具有巨大的降低成本的潜力，它们更可能是民用的。因此，70年代以来，世界各国政府、科研机构和大公司投入了大量人力物力，制定了计划，组织了团队，掀起了薄膜太阳能电池的研究热潮，在薄膜太阳电池与薄膜太阳电池的制备工艺等方面的研究水平和开发应用方面均取得了长足的进步，我国在薄膜太阳电池研究方面也有很大发展。虽然，薄膜太阳电池与薄膜太阳电池的制备工艺一直受到人们的极大关注，然而到目前为止，由于种种条件限制，多数人对于薄膜太阳电池与制备工艺的了解还不够全面，我在现有的各国研究成果的基础上，收集大量资料，归纳成本论文。参考文献1蔺旭鹏,强颖怀. 薄膜太阳电池研究综述J. 半导体技术,2016,37(02):96-104.2