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薄膜太陽能電池

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薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金屬片等不同材料當基板來製造,形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm,目前轉換效率最高以可達13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外,也因為具有可撓性可以製作成非平面構造其應用範圍大,可與建築物結合或是變成建築體的一部份,應用非常廣泛。

1簡介

物理優勢
硅材料是現今太陽電池的主導材料,在成品太陽電池成本份額中,硅材料佔了將近40%,而非晶硅太陽電池的厚度不到1μm,不足晶體硅太陽電池厚度的1/100,這就大大降低了
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  薄膜太陽能電池

製造成本,又由於非晶硅太陽電池的製造溫度很低(-200℃)、易於實現大面積等優點,使其在薄膜太陽電池中佔據首要地位,在製造方法方面有電子迴旋共振法、光化學氣相沉積法、直流輝光放電法、射頻輝光放電法、濺謝法和熱絲法等。特別是射頻輝光放電法由於其低溫過程(-200℃),易於實現大面積和大批量連續生產,現成為國際公認的成熟技術。在材料研究方面,先後研究了a-SiC窗口層、梯度界面層、μC-SiC p層等,明顯改善了電池的短波光譜響應.這是由於a-Si太陽電池光生載流子的生成主要在i層,入射光到達i層之前部分被p層吸收,對發電是無效的.而a-SiC和μC-SiC材料比p型a-Si具有更寬的光學帶隙,因此減少了對光的吸收,使到達i層的光增加;加之梯度界面層的採用,改善了a-SiC/a-Si異質結界面光電子的輸運特性.在增加長波響應方面,採用了絨面TCO膜、絨面多層背反射電極(ZnO/Ag/Al)和多帶隙疊層結構,即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al結構.絨面TCO膜和多層背反射電極減少了光的反射和透射損失,並增加了光在i層的傳播路程,從而增加了光在i層的吸收.多帶隙結構中,i層的帶隙寬度從光入射方向開始依次減小,以便分段吸收太陽光,達到拓寬光譜響應、提高轉換效率之目的。在提高疊層電池效率方面還採用了漸變帶隙設計、隧道結中的微晶化摻雜層等,以改善載流子收集。

2原理

概述
電池是一種能量轉化與儲存的裝置。它通過反應將化學能或物理能轉化為電能。電池即一種化學電源,它由兩種不同成分的電化學活性電極分別組成正負極,兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質中,當連接在某一外部載體上時,通過轉換其內部的化學能來提供能。作為一種電的貯存裝置,當兩種金屬(通常是性質有差異的金屬)浸沒於電解液之中,它們可以導電,並在「極板」之間產生一定電動勢。電動勢大小(或電壓)與所使用的金屬有關,不同種類的電池其電動勢也不同。
電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。
電動勢等於單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時,電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決於電極材料的化學性質,與電池的大小無關。
電池所能輸出的總電荷量為電池的容量,通常用安培小時作單位。電池的能量儲存有限。電池的容量與電極物質的數量有關,即與電極的體積有關。
在電池反應中,1千克
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反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物並不全按電池反應進行,同時電池內阻也要引起電動勢降,因此常把比能量高的電池稱做高能電池。
電池的面積越大,其內阻越小。
實用的化學電池可以分成兩個基本類型:原電池與蓄電池。原電池製成后即可以產生電流,但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池,使用前須先進行充電,充電后可放電使用,放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時,電能轉換成化學能;放電時,化學能轉換成電能。
原理
在化學電池中,化學能直接轉變為電能是靠電池內部自發進行氧化、還原等化學反應的結果,這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質由電位較負並在電解質中穩定的還原劑組成,如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較正並在電解質中穩定的氧化劑組成,如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類,含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料,如酸、鹼、鹽的水溶液,有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。當外電路斷開時,兩極之間雖然有電位差(開路電壓),但沒有電流,存儲在電池中的化學能並不轉換為電能。當外電路閉合時,在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內部,由於電解質中不存在自由電子,電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質與電解質界面的氧化或還原反應,以及反應物和反應產物的物質遷移。電荷在電解質中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此,電池內部正常的電荷傳遞和物質傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時,電池內部的傳電和傳質過程的方向恰與放電相反;電極反應必須是可逆
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的,才能保證反方向傳質與傳電過程的正常進行。因此,電極反應可逆是構成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數=96500庫=26.8安·小時;n為電池反應的當量數。這是電池電動勢與電池反應之間的基本熱力學關係式,也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學方程式。實際上,當電流流過電極時,電極電勢都要偏離熱力學平衡的電極電勢,這種現象稱為極化。電流密度(單位電極面積上通過的電流)越大,極化越嚴重。極化現象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有三:①由電池中各部分電阻造成的極化稱為歐姆極化;②由電極-電解質界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化;③由電極-電解質界面層中傳質過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。

3參數

電池的主要性能包括額定容量、額定電壓、充放電速率、阻抗、壽命和自放電率。
額定容量
在設計規定的條件(如溫度、放電率、終止電壓等)下,電池應能放出的最低容量,單位為安培小時,以符號C表示。容量受放電率的影響較大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯數字標明放電率,如C20=50,表明在20時率下的容量為50安·小時。電池的理論容量可根據電池反應式中電極活性物質的用量和按法拉第定律計算的活性物質的電化學當量精確求出。由於電池中可能發生的副反應以及設計時的特殊需要,電池的實際容量往往低於理論容量。
額定電壓
電池在常溫下的典型工作電壓,又稱標稱電壓。它是選用不同種類電池時的參考。電池的實際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開路電壓等於正、負電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質的種類有關,而與活性物質的數量無關。電池電壓本質上是直流電壓,但在某些特殊條件下,電極反應所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會造成電壓的微小波動,這種現象稱為雜訊。波動的幅度很小但頻率範圍很寬,故可與電路中自激雜訊相區別。
充放電速率
有時率和倍率兩種表示法。時率是以充放電時間表示的充放電速率,數值上等於電池的額定容量(安·小時)除以規定的充放電電流(安)所得的小時數。倍率是充放電速率的另一種表示法,其數值為時率的倒數。原電池的放電速率是以經某一固定電阻放電到終止電壓的時間來表示。放電速率對電池性能的影響較大。
阻抗
電池內具有很大的電極-電解質界面面積,故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯迴路。但實際情況複雜得多,尤其是電池的阻抗隨時間和直流電平而變化,所測得的阻抗只對具體的測量狀態有效。
壽命
儲存壽命指從電池製成到開始使用之間允許存放的最長時間,以年為單位。包括儲存期和使用期在內的總期限稱電池的有效期。儲存電池的壽命有干儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環壽命是蓄電池在滿足規定條件下所能達到的最大充放電循環次數。在規定循環壽命時必須同時規定充放電循環試驗的制度,包括充放電速率、放電深度和環境溫度範圍等。
自放電率
電池在存放過程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時間內自放電損失的容量占儲存前容量的百分數表示。

4說明

製造技術
薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金屬片等不同材料當基板來製造,形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm,因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低於硅晶圓太陽能電池90%以上),目前實驗室轉換效率最高已達20%以上,規模化量產穩定效率最高約13%。薄膜太陽電池除了平面之外,也因為具有可撓性可以製作成非平面構造其應用範圍大,可與建築物結合或是變成建築體的一部份,在薄膜太陽電池製造上,則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術,一層又一層地把p-型或n-型材料長上去,常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。
模塊結構
薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層..等所構成的。
產品應用
半透明式的太陽能電池模塊:建築整合式太陽能應用(BIPV)
薄膜太陽能之應用:隨身折迭式充電電源、軍事、旅行
薄膜太陽能模塊之應用:屋頂、建築整合式、遠程電力供應、國防
厚度比較
晶體硅(180~250μm)、單結非晶硅薄膜(600nm),疊層非晶硅薄膜(400nm~500nm)。
特色
1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發電性佳)
2.照度相同下損失的功率較晶圓太陽能電池少
3.有較佳的功率溫度係數
4.較佳的光傳輸
5.較高的累積發電量
6.只需少量的硅原料
7.沒有內部電路短路問題(聯機已經在串聯電池製造時內建)
8.厚度較晶圓太陽能電池薄
9.材料供應無慮
10.可與建材整合性運用(BIPV)

5種類

非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon,nc-Si,Microcrystalline Silicon,mc-Si)、化合物半導體II-IV 族[CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物)..等
銅銦硒
銅銦硒CuInSe2簡稱CIC.CIS材料的能降為1.leV,適於太陽光的光電轉換,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電池薄膜的製備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是採用各自的蒸發源蒸鍍銅,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%的轉換效率發展到現今的15%左右。日本松下電氣工業公司開發的摻鎵的CIS電池,其光電轉換效率為15.3%(面積25px2)。1995年美國可再生能源研究室研製出轉換效率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%,相當於多晶硅太陽能電池。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點。
國外研究
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模工業化生產。1998年美國的CdTe電池產量就為0.2MW,現今,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於$1.4/W。該組件不但性能優良,而且生產工藝先進,使得該光伏組件具有完美的外型,能在建築物上使用,既拓寬了應用面,又可取代某些建築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展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學於1993年用升華法在25px2面積上做出效率為15.8 %的太陽電池,隨後,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,如今,太陽電池的研究方向是高轉換效率,低成本和高穩定性。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90000px2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171975px2CdTe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113500px2,效率為8.4%,面積為17650px2的太陽電池,轉換效率達到10.1%;Goldan Photon的CdTe太陽電池,面積為88200px2,轉換效率為7.7%。
碲化鎘薄膜太陽電池的製造成本低,現今,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、意等國研究開發的主要對象。
CdTe薄膜太陽電池較其他的薄膜電池容易製造,因而它向商品化進展最快。已由實驗室研究階段走向規模化工業生產。下一步的研發重點,是進一步降低成本、提高效率並改進與完善生產工藝。CdTe太陽能電池在具備許多有利於競爭的因素下,但在2002年其全球市佔率僅0.42﹪,現今CdTe電池商業化產品效率已超過10﹪,究其無法耀升為市場主流的原因,大至有下列幾點:一、模塊與基材材料成本太高,整體CdTe太陽能電池材料佔總成本的53﹪,其中半導體材料只佔約5.5﹪。二、碲天然運藏量有限,其總量勢必無法應付大量而全盤的倚賴此種光電池發電之需。三、鎘的毒性,使人們無法放心的接受此種光電池。
CdTe太陽能電池作為大規模生產與應用的光伏器件,最值得關注的是環境污染問題。有毒元素Cd對環境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。我們不能在獲取清潔能源的同時,又對人體和人類生存環境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件,技術上很簡單。而Cd是重金屬,有劇毒,Cd的化合物與Cd一樣有毒。其主要影響,一是含有Cd的塵埃通過呼吸道對人類和其他動物造成的危害;二是生產廢水廢物排放所造成的污染。因此,對破損的玻璃片上的Cd和Te應去除並回收,對損壞和廢棄的組件應進行妥善處理,對生產中排放的廢水、廢物應進行符合環保標準的處理。現今各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽能電池發展的因素,相信上述問題不久將會逐個解決,從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會新的能源成分之一。
歷史
在古代,人類有可能已經不斷地在研究和測試「電」這種東西了。一個被認為有數千年歷史的粘土瓶在1932年於伊拉克的巴格達附近被發現。它有一根插在銅製圓筒里的鐵條-可能是用來儲存靜電用的,然而瓶子的秘密可能永遠無法被揭曉。
不管製造這個粘土瓶的祖先是否知道有關靜電的事情,但可以確定的是古希臘人絕對知道。他們曉得如果磨擦一塊琥珀,就能吸引輕的物體。亞里斯多德(Aristotle)也知道有磁石這種東西,它是一種具有強大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。
1780年的一天,義大利解剖學家伽伐尼在做青蛙解剖時,兩手分別拿著不同的金屬器械,無意中同時碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,彷彿受到電流的刺激,而只用一種金屬器械去觸動青蛙,卻並無此種反應。伽伐尼認為,出現這種現象是因為動物軀體內部產生的一種電,他稱之為「生物電」。伽伐尼於1791年將此實驗結果寫成論文,公佈於學術界。
伽伐尼的發現引起了物理學家們極大興趣,他們競相重複枷伐尼的實驗,企圖找到一種產生電流的方法,義大利物理學家伏特在多次實驗后認為:伽伐尼的「生物電」之說並不正確,青蛙的肌肉之所以能產生電流,大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點,伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進行試驗。結果發現,這兩種金屬片中,只要有一種與溶液發生了化學反應,金屬片之間就能夠產生電流。
1799年,伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水裡,發現連接兩塊金屬的導線中有電流通過。於是,他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片,平疊起來。用手觸摸兩端時,會感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功的製成了世界上第一個電池──「伏特電堆」。這個「伏特電堆」實際上就是串聯的電池組。它成為早期電學實驗,電報機的電力來源。
義大利物理學家伏打就多次重複了伽伐尼的實驗。作為物理學家,他的注意點主要集中在那兩根金屬上,而不在青蛙的神經上。對於伽伐尼發現的蛙腿抽搐的現象,他想這可能與電有關,但是他認為青蛙的肌肉和神經中是不存在電的,他推想電的流動可能是由兩種不同的金屬相互接觸產生的,與動物無關。實驗證明,只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或鹼水浸過的(甚至只要是濕和)硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西(他認為這是使實驗成功所必須的),並用金屬線把兩個金屬片連接起來,不管有沒有青蛙的肌肉,都會有電流通過。這就說明電並不是從蛙的組織中產生的,蛙腿的作用只不過相當於一個非常靈敏的驗電器而已。
1836年,英國的丹尼爾對「伏打電堆」進行了改良。他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問題,製造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池,又稱「丹尼爾電池」。此後,又陸續有去極化效果更好的「本生電池」和「格羅夫電池」等問世。但是,這些電池都存在電壓隨使用時間延長而下降的問題。
1860年,法國的普朗泰發明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是,當電池使用一段使電壓下降時,可以給它通以反向電流,使電池電壓回升。因為這種電池能充電,可以反覆使用,所以稱它為「蓄電池」。
然而,無論哪種電池都需在兩個金屬板之間灌裝液體,因此搬運很不方便,特別是蓄電池所用液體是硫酸,挪動時很危險。
也是在1860年,法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅-伏特原型電池的負極,經證明是作為負極材料的最佳金屬之一),而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統被稱為「濕電池」。雷克蘭士製造的電池雖然簡陋但卻便宜,所以一直到1880年才被改進的「乾電池」取代。負極被改進成鋅罐(即電池的外殼),電解液變為糊狀而非液體,基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。
1887年,英國人赫勒森發明了最早的乾電池。乾電池的電解液為糊狀,不會溢漏,便於攜帶,因此獲得了廣泛應用。
化學電池
化學電池,是指通過電化學反應,把正極、負極活性物質的化學能,轉化為電能的一類裝置。經過長期的研究、發展,化學電池迎來了品種繁多,應用廣泛的局面。大到一座建築方能容納得下的巨大裝置,小到以毫米計的品種。無時無刻不在為我們的美好生活服務。現代電子技術的發展,對化學電池提出了很高的要求。每一次化學電池技術的突破,都帶來了電子設備革命性的發展。現代社會的人們,每天的日常生活中,越來越離不開化學電池了。如今世界上很多電化學科學家,把興趣集中在做為電動汽車動力的化學電池領域。
一次性型
一次性電池俗稱「用完即棄」電池,因為它們的電量耗盡后,無法再充電使用,只能丟棄。常見的一次性電池包括鹼錳電池、鋅錳電池、鋰電池、鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池、水銀電池、氫氧電池和鎂錳電池。
燃料電池
燃料電池是一種將燃料的化學能透過電化學反應直接轉化成電能的裝置。燃料電池是利用氫氣在陽極進行的是氧化反應,將氫氣氧化成氫離子,而氧氣在陰極進行還原反應,與由陽極傳來的氫離子結合生成水。氧化還原反應過程中就可以產生電流。燃料電池的技術產生了:鹼性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態氧化物燃料電池(SOFC),以及直接甲醇燃料電池(DMFC)等,而其中,利用甲醇氧化反應作為正極反應的燃料電池技術,更是被業界所看好而積極發展。
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