能源发展的障碍与技术进步

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：尽管硅基薄膜太阳电池具有如上许多优点，然而在发展进程中也显示出一些明显的缺点。主要的缺点是电池效率的光致衰退效应，这一效应成为硅基薄电池进一步发展应用的主要障碍。研究表明，硅基薄膜电池效率光致衰退的主要原因是本征非晶硅的S-W效应。经过近10年来的深入研究，在提高硅基薄膜电池的稳定效率方面取得很大的进步与突破。

尽管硅基薄膜太阳电池具有如上许多优点，然而在发展进程中也显示出一些明显的缺点。主要的缺点是电池效率的光致衰退效应，这一效应成为硅基薄电池进一步发展应用的主要障碍。另外由于初期产品的效率较低（4%~5%）再加上30%以上的衰退率，使硅基薄膜电池低成本的优势被较低的效率所抵消。所有这些造成硅基薄膜电池的产量从20世纪80的代末至90年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段。针对上述问题，自20世纪90年代起国际上提出要提高硅基薄膜电池稳定效率的口号，并成立了由研究机构和大公司组成的专门研究队伍。

研究表明，硅基薄膜电池效率光致衰退的主要原因是本征非晶硅的S-W效应。因此，如何制备高稳定性的本征硅基薄膜材料成为研究的重点。为了克服材料的S-W效应，人们从理论上、工艺上和沉积方法上开展了全面的研究。为了揭示S-W效应的起因，在理论上人们提出有关S-W效应机制的各种微观模型：Si-Si弱键模型；电荷转移模型；再杂化双位模型；Si-H弱键模型以及桥键模型等。尽管目前国际学术界对SW效应起因的解释还不一致，但在大多数模型中都提到H在光诱导变化中可能起重要作用。为了减少材料中的H含量，在制备方法方面分别采用了电子回旋共振化学气相沉积（ECR一CvD）、氢根化学气相沉积（HR-CVD）、热丝（HW）法沉积和二极管系统等。在制备工艺方面采用了用H等离子体化学退火法、H2释法、He—稀释法以及掺入氟等隋性气体法等。均取得了一定效果。比如，用常规Mcvn技术制备的a—Si：H膜中含有约10%的M，而用化学退火法制备的a—Si：H膜的合H量小于9%，用热丝法制备的a—Si：H膜的含H量只有1%~2%。

在上述这些技术中，最成熟的技术是在沉积膜的过程中用H2稀释反应气体法。由于这种方法，工艺简单易行，并具有明显的效果，因此是当前普遍采用的技术。研究表明，用H2稀释法制备1层的电池，效率的衰退率可从25%以上降至20%以下。(www.chuimin.cn)

除了通过克服非晶硅基材料的S-W效应改善电池的稳定性外，人们还从电池结构上采取措施，并取得了明显的效果。其中最主要的措施就是采用了多带隙叠层电池结构。因为采用叠层结构后可减薄每个子电池1层的厚度，结果使每个子电池的内电场增强，增加了各子电池的收集效率。再加上多带隙结构可扩展光谱响应范围，综合如上两方面的优势，使电池的稳定效率得到提高。

经过近10年来的深入研究，在提高硅基薄膜电池的稳定效率方面取得很大的进步与突破。目前硅基薄膜电池效率的光致衰退率降互150A以下，小面积电池的稳定效率已达到13%大面积电池的稳定效率超过10%，产品组件稳定效率达71%。技术上的进步与突破带来了硅基薄膜太阳电池更大规模产业化的新高潮，在90年代中期，国际上先后建立了数条5Mwl0MW的高水平电池组件生产线，使硅基薄膜太阳电池的生产能力增加了25MW。生产流程实现全自动化，组件面积为平方米量级，采用新型封装技术，产品组件寿命达到10年以上。预计到2000年，硅基薄膜电池的生产能力将扩展到45MW，与单晶硅、多晶硅生产能力增加量（分别为46MW和57Mw）才相当。

能源发展的障碍与技术进步

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