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1、华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：薄膜太阳能电池的研究与发展现状学 生 姓 名： 陈刚祥 学号： 080110011106 学 部 （系）： 信息学部电子科学与技术系 专 业 年 级： 电子科学与技术2008级 指 导 教 师： 周裕鸿 职称或学位： 讲师 2012 年5 月13日目 录摘 要I关键词IABSTRACTIKey wordsI前 言1一、薄膜太阳能电池概述2二、薄膜太阳能电池的分类和特点32.1 a-Si：H薄膜42.2 Poly-Si薄膜62.3 CIGS薄膜72.4 GaAs薄膜8三、薄膜太阳能电池的基本原理和基本结构113.1 单层结构123.2 双层结构123.3
2、 体相异质结13四、薄膜太阳能电池的发展现状154.1 薄膜太阳能电池的发展现状154.2 提高薄膜硅太阳能电池效率的措施164.2.1 提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收164.2.2 薄膜硅电池叠层技术214.2.3 微晶硅电池开路电压的研究224.2.4 中间层技术的研究22五、薄膜太阳能电池的发展前景245.1 更具优势的薄膜太阳能光伏电池265.2 薄膜PV 基础285.3 薄膜光伏技术商业化的关键问题295.4 应用及产能29六、总结和展望33参考文献34致谢36薄膜太阳能电池的研究与发展现状摘 要万物生长靠太阳。由于太阳能清洁安全、取之不竭，很多国家将目光投向了清洁的太阳能发电。国际
3、能源署的报告显示，到2030年，全球电力需求将翻番。因此，采用太阳能等可再生能源发电无疑是有效的解决方法。目前，地球表面的太阳辐射高达12万太瓦（1太瓦等于100万兆瓦），其中600太瓦是可用的，而我们人类只需10太瓦就可以了。随着技术的改进、光转换效率的提高以及生产成本的下降，太阳能对未来能源的贡献将会进一步增加。本文阐述薄膜介绍有机太阳能电池研究的背景及历史发展情况，从器件结构、材料选择、工艺技术等方面时近儿年来研究的几种薄膜大阳能电池现状和进展做了系统综述，分析了结构、材料等对有机太阳能电池光电转化效率的影响，并讨论其发展趋势和以后的应用方向，让大家能清楚薄膜太阳能电池在未来的发展趋势。
4、关键词： 太阳能电池；分类；原理和结构；现状；发展趋势和前景Research and development status of thin film solar cellsAbstractAll things grow by the sun. Solar clean, safe, inexhaustible, many countries will turn their attention to clean solar power. The International Energy Agency report shows that global electricity demand will
5、double by 2030. Therefore, the use of solar and other renewable energy generation is undoubtedly an effective solution. At present, the solar radiation of the Earths surface up to 120,000 terawatts (1 terawatt equals one million MW), of which 600 TWh is available, and we humans just 10 terawatts can
6、. Optical conversion efficiency, as well as production costs decline as technology improves, the contribution of solar energy for future energy will increase further.This paper describes the film introduces the background and historical development of organic solar cells from the device structure, c
7、hoice of materials, technology and other aspects of research in recent years, several thin-film solar battery status and progress of a systematic review, analysis of the structure, materials, and the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells, and discuss the trends and direction, so
8、 that we can clear thin film solar cells in the future development trend.Keywords: solar； classification； principles and structure；the status quo； trends and prospects前 言随着不可再生能源的不断消耗和日趋枯竭，能源危机日益突显，对太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能等可在生能源的开发利用，越来越引起世界各国的重视。太阳能的光伏发电是太阳能利用的重要途径。然而，硅系太阳能电池的成本主要消耗在价格昂贵的高纯硅材料上，其发展受到了一定的
9、限制。因此出现了新型非晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池。前者光电转换率有光致衰退效应，使其性能不稳定；而后者使用硅材料少、又无效率衰退问题，因此是硅系太阳能电池的发展方向。但硅系太阳能电池光电转换效率的理论极限值为25，效率提高潜力有限。近年来，以GaAs（砷化镓）、GaSb（锑化镓）、GaInP（磷化铟镓）、CuInSe2（铜铟硒）、CdS（硫化镉） 和CdTe（碲化镉）等为代表的新型多元化合物薄膜太阳能电池，取得了较高的光电转换效率，GaAs 电池的转换效率目前已经达到30。而Ga、In 等为比较稀有的元素，Cd 等为有毒元素，因此，这类电池的发展必然将受到资源、环境的限制。因此，凝聚态稳定的薄
10、膜太阳能电池备受关注：潜在的低成本、轻质量、柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强的竞争力。薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。通过进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池
11、的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本，来扩大薄膜太阳能的普及。一、 薄膜太阳能电池概述随着社会的进步与发展，如今光电技术已经成为热门的学科，同时它与各种学科之间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。例如，薄膜技术与光电子学领域的互相渗
12、透使得光电子薄膜技术不断迅速发展，涌现了各种新型的光电薄膜器件，并且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。对光电薄膜材料的研究和开发工作是非常活跃的，所涉及的光电薄膜材料也很丰富，这些材料主要包括：Ge和si单晶以及以它们为基的掺杂体；化合物半导体有：CdS（硫化镉）、CaSe(硒化钙)、CdTe（碲化镉），ZnSe（硒化锌）、HgS（硒化汞）、HgTe（碲化汞），PbS（硫化铅），PbSe（硒化铅）、InP（磷化铟）、InAs（砷化铟），InSb（锑化铟）、GaAs（砷化镓），GaSb（锑化嫁）等。在光(包括不可见光)的照射下，物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变化，就称为
13、光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。光电材料中光伏材料一直是研究的热点，利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转化元件，还可以制造光电池薄膜太阳能电池。随着世界能源的紧缺，薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且它无污染，易于大面积推广。目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(如a-Si：H)、V-族(如CaAs)、II一族(CdS系)和磷化锌(Zn3P2)等。以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始，已经获得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳
14、能电池虽然效率高，但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。为降低成本，非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展，它制备工艺相对简单，易实现自动化生产，已在1980年开始实现产业化生产，但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S-W效应)，因而阻碍了它的进一步发展。多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点，且无光致衰减效应，因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。另外，CIGS薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一，其光电转化效率高，性能稳定而且不会发生光致衰减效应。本文将着重介绍非晶硅(a
15、-Si)、多晶硅(Poly-Si)、铜铟镓硒(CIGS)，（GaAs）砷化镓这几种薄膜太阳能电池。二、 薄膜太阳能电池的分类和特点第一代太阳能电池包括多晶硅、单晶硅电池，其中单晶硅电池转换效率为16到20，多晶体硅电池效率为14到16。目前硅基太阳能电池是全球市场的主流技术，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。不过，由于受硅材料价格及复杂电池工艺影响，相应的太阳能电池成本价格居高不下。第二代太阳能电池则包括各种薄膜电池，涵盖碲化镉电池（CdTe）、铜铟镓硒电池（CIGS）、非晶硅薄膜电池（a-Si）、砷化镓电池、纳米二氧化钛染料敏化电池等，目前，前三种薄膜电池已实现产业化。 1、碲化镉属于直
16、接禁带半导体，能隙值（1.45eV）位于理想的能隙范围内，同时具有很高的吸收系数，因此是高效率的理想太阳电池材料之一。目前工业化生产的模块效率已经达到12%（FirstSolar，2010年）。最近，通用电气（GE）获得了创世界纪录的12.8%模块效率。由于碲化镉材料价格相对较低，易于实现规模化大批量生产，因此具有潜在的成本优势。近年来，碲化镉薄膜太阳能电池商业表现较佳，市场前景广阔，未来可能超过非晶硅太阳电池占有量。 2、铜铟镓硒吸光范围广，具有高转换效率和较低的材料制造成本，因此也被视为未来最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。其实验室报道的最高转换效率达到了20.3%，可以和单晶硅太阳能
17、电池媲美。复杂的制造工艺以及高投资成本是其市场成长的主要制约条件。2011年初，日本SolarFrontier公司开始了全面自动化铜铟镓硒薄膜太阳能组件的商业化量产，其生产线上的组件转换效率达到了11.6%。但是，产品的大规模化生产以及转换效率的进一步提高，将有效降低其安装系统的系统平衡成本。3、砷化镓的禁带较宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。4、非晶硅太阳能电池的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强，所需的硅薄膜厚度低，生产技术成熟，可以制作大面积太阳能电池。主
18、要缺点是转化率低（6%-8%），而且光照一段时间后，效率还会衰减，且主要用于功率小的电子产品市场，如电子计算器、玩具等。第三代太阳电池包括各种超叠层太阳电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点超晶格太阳能电池等新概念太阳能电池。目前主要限于实验室研究，仍需大量研究工作深入探索，其产业化需待2020年以后。从市场前景来看，薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等方面将比传统的晶体硅太阳能电池具有更加广阔的应用前景。薄膜太阳能电池简单的制造工序以及能耗少的生产流程克服了光电转化效率相对较低以及寿命较短所带来的成本挑战。由于采用价格相对便宜的玻璃、不锈钢等作为衬底，加之相关的电子半
19、导体及玻璃行业已经发展成熟，这使得薄膜太阳能电池受上游原材料制约较少，使其可以非常好地控制成本和价格。 从应用环境看，薄膜太阳能电池弱光性好的特点使其能在广泛的环境下发电，因其适用各种强度的阳光，其性能受天气的影响较小，另外，由于它可承受较高的温度，其发电功率不容易受温度影响。因此，薄膜太阳能电池的应用将十分广泛。另外，由于薄膜太阳能电池具有便携、耐用、光电转换效率高等特点，可广泛应用于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域；也由于使用塑料等质轻柔软的材料为基板，薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。值得一提的是，清洁太阳能的广泛应用将同时带来下一代储能电池，尤
20、其是在千瓦级小单元储能以及太阳能并网发电中储能调频的应用并获得广阔发展。2.1 a-Si：H薄膜相对于单晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。(1)非晶硅的光吸收系数大，因而作为太阳能电池时，薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时，要小得多；(2)相对于单晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单，制造过程能量消耗少；(3)可实现大面积化及连续的生产；(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底，因而容易降低成本；(5)可以做成叠层结构，提高效率。自1976年美国的Carlson和Wronski制备出第一个
21、非晶硅太阳能电池以来，非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高，成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中，非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件，且价格便宜，市场占有率逐年增加。它能应用在如计算器、手表等弱光电池市场，也能应用在微波中继站、光伏水泵等。电源及功率领域。非晶硅薄膜主要由气相沉积法制备，目前，普遍采用的是等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。在PECVD法沉积非晶硅薄膜的方法中，一般原料气采用SiH4和H2，制备非晶硅薄膜叠层电池时则采用SiH4和GeH4，在沉积过程中，加入B2 H5或
22、PH3可实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe薄膜。目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2，但单结非晶硅薄膜太阳能电池不能完全利用太阳能，只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能，因此采用分波段利用太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势，它能使太阳光谱中波长最短的光被最外边的窄隙材料电池利用，同时波长较长的光能够投射进电池中被较窄能隙材料电池利用，最大限度地将光能转化为电能。因此使用不同禁带宽度的i层来做成多结的PIN结构如两结或三结电池，可以更有效地吸收太阳能光谱以提高电池效率。常规的叠层电池结构主要为a-Sia-SiGe、a
23、-Sia-SiGea-SiGe、a-SiCa-SiC等。如Sanyo公司a-Sia-SiGe(1200cm2)并联组件的稳定效率达到9.5。图2-1 单晶硅薄膜太阳能电池的结构目前报导过单结电池的最高稳定效率8，双结电池9.5，三结电池10。但实际上大多数销售的太阳能电池效率都往往低于这些数据，比如市场上销售的单结电池效率只有45。目前非晶硅太阳能电池占市场上销售量的5，但市场分量在不断增长。非晶硅太阳能电池主要的制造商包括BP Solarex，Sanyo，Intersolar，Kaneka，Fuji Electric，ASE GmbH及United Solar Systems Corpora
24、tion(USSC)。Sanyo公司研制出一种新型的HIT电池，在这种电池结构中，非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两面上，lOOmml00mm大小的该电池效率可达21，800mm1200mm大小的该电池效率可达18.4，尽管该结构的电池效率得到大幅度的提高，但成本仍然较高。但同时非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。(1)由Staebler -Wronski效应的存在，使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减，从而导致整个电池效率的降低；(2)沉积速率低，影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产；(3)后续加工困难，如Ag电极的处理问题；(4)在薄膜沉积过程中存在大量的杂质，
25、如02、N2、C等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。非晶硅薄膜太阳能电池的下一步研究主要有以下几个方向：其一是采用优质的底电池i层材料；其二朝叠层结构电池发展；第三是在保证效率的条件下，开发生产叠层型非晶硅太阳电池模块技术；最后使用便宜封装材料以降低成本。2.2 Poly-Si薄膜由于非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应(S-W效应)导致了非晶硅薄膜太阳能电池效率的衰减，因而多晶硅薄膜作为一种性能相对更好的材料应用于太阳能电池。多晶硅(poly-Si)薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。它在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，且具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为高效、
26、低耗的最理想的光伏器件材料。近些年来，多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。因为多晶Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和多晶Si体电池的高转换效率和长寿命等优点，同时材料制备工艺相对简单。多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本得到更大程度的降低，从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争。现在一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为1214，其产量占硅太阳能电池的50左右，是太阳能电池的主要产品之一。澳大利亚新南威尔士大学，采用热交换法生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池，转换效率达到18.2，后来，通过对工艺的改进，使其电池转换效率达到19.8(1cm2)，日本京工
27、陶瓷公司研制的15cm15cm的多晶硅太阳能电池转换效率也达到了17。多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。它要求多晶硅薄膜的厚度在5150m，且薄膜的宽度至少是厚度的1倍，同时要求衬底具有机械支撑能力，要有良好的背电极，还需要对背表面进行钝化。现在研究较多的是在低温下(600)如何制备多晶硅薄膜，这样就可以使得多晶硅薄膜沉积在如玻璃等廉价衬底上成为现实。按成膜过程可将制备方法分为两大类：一类是先制备非晶态材料，再固相晶化为多晶硅；另一类是直接在
28、衬底上沉积多晶硅薄膜。第一类也被称为固相晶化法，它可以利用硅烷等原料气体，在PECVD设备中沉积a-Si薄膜，再通过热处理将a-Si薄膜转化为多晶硅薄膜。在该类方法中，金属诱导法的前景较好，它是利用a-Si与特定金属(如A1、Ni、Pd等)相接触时，可以大大降低a-Si晶化的温度，从而可以在低于600的条件下，在普通的玻璃衬底上制备多晶硅薄膜。后一类方法即直接沉积多晶硅薄膜，可以利用热丝化学气相沉积法或是采用诸如卤硅化合物等新的原材料来沉积多晶硅薄膜。多晶硅薄膜太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究还不够深入，膜生长技术还在探
29、索，以及薄膜多晶方式在原理上的研究还在探讨阶段，致使多晶硅薄膜电池还处于开发阶段。在国外，澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程，通过近8年的努力，已经进入了商业化试验。在国内，研究工作才起步，我国河北保定英利集团生产的太阳能电池多晶硅电池片效率已达15。2.3 CIGS薄膜太阳能电池中，CIGS薄膜也是一种具有极大发展潜力的太阳能电池材料。CIGS薄膜太阳能电池因其具有独特的优异性能而被称为最有希望的光伏器件，正成为各国的研究热点之一。它是一种具有高光电转换效率且成本较低的化合物薄膜太阳能电池。CIGS组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黄铜矿
30、相结构，是CulnSe2和CuGaSe2的混合半导体。它是以铜铟镓硒为吸收层的高效率薄膜太阳能电池。典型的结构为：GlassMoCIGSZnSZnOZAO（偶氮）MgF2。图2-2 CIGS薄膜太阳能电池的一些特性相对于硅薄膜太阳能电池，CIGS薄膜太阳能电池具有一些优点：(1)CIGS薄膜太阳能电池的光电转化效率高，而且CIGS薄膜的光吸收系数是已知半导体材料中最高的，达到105cm，并且它是一种直接带隙的半导体材料，适合薄膜化，CulnSe2中In用Ga替代，使得半导体的禁带宽度可以在1.041.65eV间变化；(2)由于CIGS薄膜太阳能电池中的薄膜晶体结构和化学键稳定，CIGS薄膜太阳
31、能电池尚未发现光致衰退效应，因而其使用寿命更长；(3)CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷少，高品质的大晶粒，且在CIGS薄膜太阳能电池的制作过程中不存在污染性的化学物质。目前，CIGS的制备方法主要为真空蒸发法、溅射法和电沉积法。真空蒸发法是较为传统的方法，在制作过程中能够有效地控制薄膜的成分。电沉积法是一种低温沉积方法，且是一种最具潜力的低成本制备CIGS先驱薄膜的方法，在制备过程中，可以有效地控制薄膜的厚度、化学组成、结构及孔隙率，而且设备投资少、原材料利用率高、工艺简单、易于操作，但要想通过该方法制备理想的具有复杂组成的薄膜材料较为困难。溅射法一般通过溅射CuIn和CuGa沉积CuInGa
32、合金薄膜预制层，然后硒化制得。CIGS薄膜太阳能电池性能优异，因而一些发达国家对CIGS薄膜太阳能电池非常重视，投入了大量的资金进行研究，尤其是日本、美国、德国的研究水平已处于世界领先，并已接近和达到实际生产水平，且其性能和品质也在不断地提高。美国可再生能源实验室制备的小面积CIGS薄膜太阳能电池的最高光电转化效率已达19.2。日本昭和壳牌石油公司已经完成技术开发，并准备建设1020MW级生产线，2005年向市场提供商用CIGS太阳电池，技术路线以Cu、In、Ga溅射成膜，H2Se硒化，3450cm2组件转换效率13.4。日本本田公司也宣布完成了CIGS的产业化开发。美国的Shell Sola
33、r公司生产的CIGS太阳电池组件(40W)已达到转换效率12，技术路线也是以Cu、In、Ga溅射成膜，然后硒化。德国的Wurth Solar公司在今年一季度1.5MW的CIGS生产线已经开始生产，并开始销售CIGS组件，第二条1.5MW的生产线正在建设中，他们的技术路线是Cu、In、Ga、Se共蒸发，并进行2次硒化，平均转换效率8.5%。2.4 GaAs薄膜GaAs是典型的III-V 族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），可以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。GaAs材料的主要特点：1. 光吸收系数高。GaAs太阳能电池的有源区厚度多选取5um
34、 左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。2. 带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。3. 耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。4. 抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐照性能。5. 多结叠层太阳电池的材料。由于III-V 族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳
35、电池的效率并降低成本。GaAs基太阳能电池基本上可分为单结和多结叠层式太阳能电池两类，如图2-3所示。对于单结GaAs太阳能电池，根据其生长方式的不同又可以分为LPE GaAs及MOVPE GaAs太阳能电池，衬底可选用GaAs或Ge，不过GaAs是直接带隙材料，光吸收系数大，有源层厚度只需3微米左右，所以原则上在生长好GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐蚀掉，只剩下5 微米左右的有源层，从而制成超薄GaAs电池，这样就可以获得很高的单位质量比功率输出。目前超薄(UT)GaAs电池的比功率可达670W/kg，而100微米高效Si电池的比功率仅为330Wkg。图2-3 GaAs基太阳能电池分类但
36、是，无论如何，单结也只能吸收和转换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也只有27%，为提高能量转换效率，可以将太阳光光谱分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按带隙的不同从大到小的顺序从上到下叠合起来，选择性吸收和转换太阳光光谱的不同子区域，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。三、 薄膜太阳能的基本原理和基本结构无机半导体是通过掺杂微量的杂质元素（如P、N 等），改变载流子浓度，从而提高电导率。而聚合物的导电机理则更为复杂，聚合物半导体的主要特征是存在共轭键，其中 键定域性较强，而 键电子定域性较弱。在掺杂原子（O、N、S、N 等）作用下
37、， 键分子轨道可发生简并，从而形成一系列扩展的电子状态，即能带。 成键轨道与*反键轨道分别与聚合物的价带和导带相对应，图3-1为六噻吩的电子结构与导电机理示意图。在两极间产生电势，称为光伏效应，如图3-2 所示。对于绝大多数无机光电池而言，光生载流子的理论解释是基于半导体材料的能带理论。 图3-1 六噻吩的电子结构与导电机理 图3-2 光生伏特效应由于共轭有机半导体材料的导电机理与无机半导体有所不同，因此，有机太阳能电池与无机太阳能电池的载流子产生过程有所不同。聚合物吸收光子产生激子，激子只有离解成自由载流子(电子和空穴)才能产生光电流。一种被广泛接受的观点是，有机薄膜太阳能电池的作用过程由三
38、个步骤：（1）光激发产生激子；（2）激子在给体/受体（D/A）界面的分裂；（3）电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。器件的能量损失贯穿于整个过程：（1）光子损失；（2）激子损失；（3）载流子损失。激子的离解有多种机制，可归结为激子的热电离或自由电离、激子与激子之间的碰撞电离、光致电离、激子与杂质或缺陷中心相互作用而电离等。这样离解产生的自由载流子迁移率比较低，容易成对复合而损失，只有扩散到D/A 界面的激子，被界面的内建电场离解才对光电流的产生有贡献。 有机薄膜太阳能电池主要有：单层结构的肖特基电池、双层p-n异质结电池、以及p-型和n -型半导体网络互穿结构的体相异质结电池。3.1 单层结
39、构根据金属公函数与半导体能带的特征，金属与半导体的接触有整流接触和欧姆接触两种。与双层电池不同，单层有机薄膜太阳能电池的载流子分离过程发生在整流接触界面处的肖特基势垒。Loussaef.N 等制备了ITO/六噻吩/Al 结构的肖特基电池，并用基于载流子主体相扩散的Ghosh 模型和描述载流子动力学行为的动力学模型，研究了该结构电池的理论光伏性能。在较低能量光谱范围内，两种模型的计算结果与实验结果一致；但在较高能量光谱范围内，理论计算结果与实验结果差别很大，因为这两种理论模型都忽略了激子分裂过程的存在。有机层的吸收光谱与相应光伏器件的光电流之间有着非常紧密的对应联系。Schon.J.H等制备了I
40、TO/并五苯/Al 或Mg 结构的肖特基电池，最高光电转换效率达1.9。对射频磁控溅射制备的并五苯单晶薄膜进行了碘掺杂，大大提高了电池效率。因为碘掺杂：（1）提高了并五苯薄膜的电导率；（2）拓宽了薄膜的吸收光谱，使之与太阳光谱更吻合；（3）提高了内量子效应。在上述两种电池中，ITO 层与有机半导体层的界面处形成整流接触，而有机半导体与金属电极界面均为欧姆接触。但是，Sharma.G.D 等通过紫外可见吸收光谱及光电流的研究，发现ITO/Pr-FP/Al 电池中金属Al 与Pr-FP 有机层界面为整流接触，而ITO 与有机层界面为欧姆接触。这种接触类型的差别与各层的能代结构与公函数密切相关。肖特
41、基有机薄膜太阳能电池的制备工艺简单、价格便宜，但其光伏性能强烈依赖于电极的性质。因为有机物绝缘性导致了大串联电阻，电池填充因子低，这是制约单层电池发展及应用的主要原因。3.2 双层结构与肖特基电池相比，p-n 异质结双层有机薄膜太阳能电池有着许多诱人的特点，电极与有机半导体薄膜的接触均为欧姆接触。通过聚合物材料的合理选择和染料的掺杂可以制造出宽光谱范围响应的器件。Al-Mohamad A制备的Au/CuPc/PTCD/Si/Al 结构的电池光电转换效率达3，主要性能参数比有机单层的肖特基电池提高了约20。因为p-型和n-型有机层均产生激子，有机多层结构的吸收光谱更接近于太阳光谱。D/A 界面的
42、内电场对激子的分裂与载流子的分离起着非常重要的作用。D/A 导带底或价带顶的能级差（即内电场）太小会导致激子分裂的效率降低，太大则会导致激子分裂速度和开路电压的下降。Sun.S.S 等模拟了D/A 电池结构中激子的产生、分裂及载流子的迁移过程，并对D/A 导带底或价带顶的能级差的优化问题进行了研究。填充因子与电池结构密切相关。Djara.V 等制备了glass/ITO (or ZnO)/ZnPc/1,4-DAAQ/LiF /Al 传统D/A 结构的电池，及其反型结构的电池为：glass/Al/1,4-DAAQ/ZnPc/PEDOT:PSS /ITO (or ZnO)/glass。实验结果显示，
43、反型结构电池的填充因子达0.5，远远高于传统型的0.2。SEM 分析发现，反型电池1,4-DAAQ 薄膜呈高度的纤维化结构，这种独特的结构有助于填充因子的提高。1nm 的LiF 层的引入能阻止暗电流通过，有助于填充因子的提高。但由于LiF 的绝缘性，电池光电转换效率却下降。电极对电池的性能也有较大的影响。Osasa T 等制备了glass/ITO/ CuPc /PV /Ag, Au，In,Mg 或Al 结构的电池。Au 电极对应的电池光电流比Ag 或In 作为电极时小，可能是因为Au 在沉积到PV 薄膜上时渗入了PV 薄膜导致漏电，在ITO 和CuPc 薄膜之间增加一层PEDOT-PSS 薄膜电极可以防止漏电的发生。Mg 或 Al 做为电极时的光电流也很小，可能是因为PV 与金属电极之间发生了化学反应。但电极功函数对开路电压影响甚微，因为有机半导体与电极界面处发生电子转移，使得两者费米能级保持一致。3.3 体相异质结D/A 异质结双层电池的界面面积
