1、本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費提供海量教學資料、行業資料、范文模板、應用文書、考試學習和社會經濟等word文檔日本太陽能電池的最新開發動向陜西科技大學 韓講周（編譯）太陽能電池與地球環境、能源問題息息相關。2004年其產量已經超過1GW，還在進一步發展。占太陽能電池產量90%的晶體硅電池也有薄型化的趨勢。另一方面，制作太陽能電池的硅原料已嚴重不足，急需開發新產品代替晶體硅電池，現在已開發出的有薄膜硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、有機膜太陽能電池、色素感光太陽能電池等。本文對各類型太陽能電池開發的動態，逐一進行介紹。一、 陽光發電技術分布圖與開發動向京都議定書

2、已于2005年2月生效，這表明人們對地球環境、能源問題非常關心。1990年的溫室效應，使日本決定每年將排氣量削減6%，這樣就會對陽光、風力等自然能源的期待越來越高。新能源·產業技術綜合開發機構（NECO）計劃的2030年太陽能發電分布圖（PV2030）是2004年6月制定的。PV2030設想到2030年將擴大太陽能的利用。家用電力有一半即占整個電力的10%將來自太陽能。其他多晶Si單晶Si單晶Si2003年其他材料生產量帶狀Si現狀市場出售的多晶硅太陽能電池的轉換率：13%15%日本擁有量2002年637MW（全世界是1,328MW）太陽光發電系統價格:203萬日元(發電成本換算是4

3、5日元/kWh)圖1 太陽能電池年生產量的變化其他美國為了達到上述目標，計劃分階段進行，即到2010年發電成本降到23日元/kWh；2030年普通用電費用將低于7日元/kWh。因此，現在是以晶體硅為主，到2010年，還會有薄膜硅太陽能電池、以及銅（Cu）、銦（In）、硒（Se）即（CIS）類薄膜太陽能電池加盟，正式投入市場。2010年轉化效率的目標值，晶體硅電池是16%、薄膜硅電池是12%、CIS類電池是13%、色素感光電池是6%。2030年轉化效率的目標值是晶體硅電池達到22%、薄膜硅電池達到18%、CIS類電池達到22%、色素感光電池達到15%。本文對上述各種太陽能電池的市場情況及太陽能電

4、池的開發動向進行具體介紹。現在太陽能電池市場上結晶Si電池占90%以上。但結晶Si材料短缺，電池本身還存在晶片的薄型化等問題，以薄膜太陽能電池為首的新型太陽能電池，已經開始進行商品化研究。無論如何都會達到PV2030的。多晶Si近年來太陽能電池產量增加速度驚人。圖1是太陽能電池年生產量的變化情況，可以看出太陽能電池的生產量一般，相對于2001年的增長率，2002年至2003年是34%、2003年至2004年達到57%。2004年產量為1,180MW，已經超過1GW。圖1顯示現有生產太陽能電池的各材料占的比例，包括單晶和多晶的晶體硅太陽能電池占太陽能總產量的90%以上。生產企業有夏普、京瓷、三菱

5、電機、三洋電機，分別占世界太陽能電池生產量的第一、第二、第三、第五位。這4個公司生產的太陽能電池占世界產量的一半以上。隨著太陽光發電技術的進展，日本太陽能電池制造業的發展也是驚人的。硅原料非常短缺是制造業面臨的大問題，直至今日，太陽能電池用的硅原料是LSI等半導體產業用剩下的材料或次品、廢品。最近幾年隨著太陽能電池生產量的迅速增長，硅原料供不應求，已經影響到太陽能電池的生產。由于受硅原料的影響，預計2005年太陽能電池的產量與前一年度相比，增長率還不到20%。為了解決硅原料不足，除了完備太陽能電池生產專用設備外還要對原材料進行有效利用，并發展其它類型的太陽能電池。對按太陽能電池的級別來使用硅原

6、料的各種方法進行研究，公司研究的VLD（vapor to liquid deposition）法引人注目。公司2005年底的年生產能力是200t/年。VLD法在實踐中得到驗證，現已開始著手建設大規模的生產工廠。用VLD法制作的硅原材料中碳（C）濃度是傳統半導體用硅原料的10倍，重金屬濃度則高了數倍，用得到的硅原料制作太陽能電池，太陽能電池的使用壽命、效率與用傳統硅原料制作的太陽能電池相同。對硅原料有效利用的方法還有：現在晶片的厚度是200300m，希望晶片的厚度更薄一些。對晶塊線切割工序中的脫離方法進行研究，如：剝離下一片硅材料，放上一片價格低廉的陶瓷基板。也對高溫化學氣相成長法（CVD）進行

7、了研究。立命館大學和-21、京瓷等提出用球狀硅可以有效的利用硅原料。該方法是在10m高的塔內，將熔融的硅由噴嘴噴出，形成直徑為1mm的球狀硅，該球狀硅具有成型規整的特點。用該方法可以防止線切割晶塊時產生廢品，有效的利用了硅原料。還有澳大利亞國立大學報道的SLIVER法，SLIVER法是用短柵狀厚度為50m的硅制作太陽能電池，此方法也是為了有效利用硅原料。另外，除了晶體硅太陽能電池以外，已有批量生產的其它太陽能電池，如非晶體狀硅（a-Si：H）膜、微晶體硅（c-Si：H）膜太陽能電池；CIS膜制成的化合物太陽能電池。二、 晶體硅太陽能電池象前述那樣目前晶體硅太陽能電池產量占全世界太陽能電池產量的

8、90%以上，晶體硅太陽能電池是由單晶硅或多晶硅制成的。倒錐形結構電極氧化膜氧化薄膜背面電極雙層防反射涂層圖2 PERL太陽能電池的結構晶體硅電池一般是電阻率為0.52cm的P型晶體硅片，為了封閉住光將硅片做成凸網狀，然后擴散磷（P）形成pn結，再在n層上制作防反射膜，用絲網印刷的方法在受光面上制作銀（Ag）電極，在背光面制作鋁（Al）電極。多晶體的防反射膜，近年來是用真空工藝制作的氮化硅（SiNx）膜；單晶體的防反射膜用氧化硅（SiO2）膜、氧化銻（TiO2）膜時所有工序可以不用真空工藝，制作成本較低。晶體硅太陽能電池轉換率高，據New South Wales大學報道的PERL（passiva

9、ted emitter, rear locally-diffused）太陽能電池非常有名。PERL太陽能電池的結構見圖2。1999年時，其轉換率為24.7%，接近晶體硅太陽能電池理論界限值。三洋電機開發的HIT（heterojunction with intrinsic thin-layer）太陽能電池，轉換率是19.5%，是批量生產中世界最高的，研究開發的轉化率可達到21.5%。這種太陽能電池具有在n型硅片上用低溫形成a-Si：H的i層同時形成p層的特點，由于pn界面形成的a-Si：H層是固有的，所以界面形成良好，有望得到高轉化率。HIT太陽能電池在高溫下比普通太陽能電池性能優異，溫度模擬實

10、驗證實在高溫盛夏時發電量可增加10%。(a) 頻帶圖解波長(b) 量子效率的波長依存關系圖3三種系列太陽能電池晶體硅太陽能電池硅片薄形化的問題在前文也已敘述過了，但薄形化要求對傳統的工藝進行改進。薄形化中生成的光載體，表面再結合問題最突出，降低載體表面再結合速度，要求有良好的鈍化技術。另外絲網印刷會產生硅片彎曲的問題，開發彎曲小的電極用油墨正在進行之中。晶體硅太陽能電池研究開發課題還包括對有多個面的多晶體硅片能否形成均一凸網狀的干腐蝕技術、低頻等離子化學氣相成長（PECVD）法SiNx防反射膜形成技術等。近年來隨著環保意識的提高，使用無鉛電極用膏狀材料的報道越來越多。三、薄膜硅太陽能電池(a)

11、 頻帶圖解波長(b) 量子效率的波長依存關系圖3三種系列太陽能電池用a-Si：H膜、c-Si：H膜制作薄膜硅太陽能電池，因近年來晶體硅太陽能電池用原材料的不足而得以迅速發展。三菱重工業已批量生產世界上最大尺寸的玻璃基板（1.1×1.4m）。已有串聯型太陽能電池效率達到15%記錄的公司也已批量生產透明型太陽能電池。還有富士電機公司已批量生產的以聚酰亞胺為基材的撓性太陽能電池。薄膜硅太陽能電池存在的問題也很多，但太陽能電池的系列可以試驗光譜利用范圍。現已有將短波段的a-Si：H與微結晶硅化鍺（c-Si1-xGex：H）結合，改善感光度的報道。圖3是a-Si：H/c-Si：H/c-Si1-

12、xGex：H三種系列太陽能電池的頻帶圖解和量子效率的波長依存關系。另外還開發封閉接收光好的太陽能電池透明電極用氧化物材料、光學設計已成為薄膜硅太陽能電池高效率化不可缺少的主要技術。a-Si：H的光劣化現象在四分之一世紀前就被發現，計劃用三極管法控制高次硅烷（SiH4）的涉入來大幅度地減少其光劣化。批量生產的薄膜硅太陽能電池，大面積化、和c-Si：H層制膜速度的高速化是非常重要的。目前用PECVD設備制作的可均一堆積的方形膜尺寸已超過了2m。液晶顯示產業，也制成能在超過2m的玻璃基板上制作a-Si：H薄膜晶體管（TFT）的第8代PECVD設備，但pin各層堆積的大小不同，p層及n層的厚度與i有很

13、大的差異或者所使用的基板厚度不同，薄膜硅太陽能電池用的PECVD設備本身也有許多問題，期待著進一步研究開發。另外，c-Si：H層用的底晶材料是制作系列太陽能電池不可缺少的材料，為了使光吸收系數變小，底晶材料的厚度應為數m。另一方面，隨著制膜速度的增加，膜的質量變差，c-Si：H膜高速堆積成為大問題。但是，隨著氣壓的增高，可以使SiH4枯竭。即高壓枯竭法，估計可以解決此類問題。制膜氣壓增高時，估計減少了離子之間的沖擊，達到SiH4枯竭條件，可以控制與SiH4在氣相下反應的氫（H）原子的消耗。前者對制作低缺陷高質量的c-Si：H膜是非常重要的。后者起著促進結晶化，控制氫（H）原子消耗的作用。而且使

14、高壓枯竭很容易實現的用多孔負極的PEVCD法也已經開發出來了，用該方法可以獲得堆積速度為8nm/s缺陷密度是5×1015cm-3良好c-Si：H膜。四、化合物薄膜太陽能電池化合物薄膜太陽能電池有碲化鎘（CdTe）系和CIS系。現在日本正在開發的是CIS系。CIS系薄膜太陽能電池為了能達到最適宜的1.3eV禁帶寬度，如果用鈣（Ca）置換一部分In，稱之為CSGS薄膜太陽能電池。2005年昭和CL石油公司與本田技研工業公司共同聲明從2007年開始批量生產。目前CIS系太陽能電池面臨的問題是如何制作效率高、面積大的模塊。另外，以前大多用硫化鎘作緩沖層，為了環保，已著手開發無鎘（Cd）材料。

15、昭和CL石油公司發表可進行批量生產的太陽能電池的緩沖層是用氧化硫化鋅（Zn（O，S，OH）X）代替CdS。最近又有在制膜時有意添加水蒸氣來提高電池轉換率的報道，其原因估計是用氧（O）補充損耗的Se。太陽能電池也存在原材料In枯竭的問題，將來有可能大批量生產，要研究替代材料的問題。五、有機太陽能電池有機太陽能電池分為濕式色素感光太陽能電池和固體有機薄膜太陽能電池兩類。色素感光太陽能電池最大的問題是電解液蒸發后電池的性能降低。因此，對固體不用說仿固體的電解液進行很多研究。而且已有效率超過10%的高性能色素感光太陽能電池用的是含有釕（Ru）的N719及使用無Black dye（黑染料）的色素，不用稀有元素Ru的有機色素（香豆素色素NKX-2677）