太陽電池と材料の紹介

前書き

太陽エネルギーは、人間にとって無尽蔵の再生可能エネルギー源です。また、クリーンエネルギーであり、環境汚染を引き起こしません。太陽エネルギーの有効利用において、太陽光光電利用は、近年最も人気のあるプロジェクトの1つであり、最も急速に成長し、最もダイナミックな研究分野です。この目的のために、太陽電池が開発され、開発されてきました。太陽電池の製造は、主に半導体材料に基づいています。その動作原理は、光電材料を使用して光エネルギーを吸収し、次に光電変換反応を行うことです。使用する材料に応じて、太陽電池は次のように分類できます。1。シリコン太陽電池。 2.材料としてのガリウム砒素III-V化合物、硫化カドミウム、銅インジウムセレンおよびその他の多成分化合物などの無機塩。 3.太陽電池によって調製された機能性高分子材料。 4.ナノ結晶太陽電池など。電池の製造に使用される材料の種類に関係なく、太陽電池材料の一般的な要件は次のとおりです。1。半導体材料の禁止帯域が広すぎないようにする。 2.高い光電変換効率が必要です。 3.材料自体は環境に汚染を引き起こしません。 4.材料は工業化が容易で、材料性能は安定しています。上記の考察に基づいて、シリコンは最も理想的な太陽電池材料であり、それが太陽電池が主にシリコン材料である主な理由です。しかし、新素材の継続的な開発と関連技術の開発により、他の村の素材をベースにした太陽電池はますます魅力的な展望を示しています。この論文では、太陽電池の種類とその研究状況を簡単にレビューし、太陽電池の開発と動向について説明します。

1シリコン太陽電池

1.1単結晶シリコン太陽電池

シリコンシリーズの太陽電池の中で、単結晶シリコン太陽電池は最高の変換効率と最も成熟した技術を持っています。高性能単結晶シリコンセルは、高品質の単結晶シリコン材料と関連する熱処理プロセスに基づいています。今日、単結晶シリコンの電気的接地プロセスはほぼ成熟しています。一般的に、表面テクスチャ、発光領域のパッシベーション、ゾーンドーピングおよびその他の技術が採用されています。開発した電池は、主に平面単結晶シリコン電池とスロット埋め込みグリッド電極単結晶シリコン電池です。変換効率の向上は、主に単結晶シリコンの表面微細構造処理とパーティションドーピングプロセスに依存します。この点で、ドイツのフラノワフライブルク太陽系研究所は世界をリードするレベルを維持しています。研究所は、リソグラフィーを使用してセルの表面にテクスチャを付け、逆ピラミッド構造を作成しました。そして表面に13nmを置きます。厚い酸化物パッシベーション層は、2つの反射防止コーティングと組み合わされています。ゲートの幅と高さの比率は、改良された電気めっきプロセスによって増加します。上記によって生成されたバッテリーの変換効率は23％を超え、23.3％という大きな値です。京セラ製の大面積（225cm2）単電鋳太陽電池の変換効率は19.44％です。国内の北京太陽エネルギー研究所では、高効率結晶シリコン太陽電池の研究開発や平面高効率単結晶シリコンセル（2cmX2cm）の開発も積極的に行っています。変換効率は19.79％、溝付き埋め込みゲート電極結晶シリコン電池（5cmX5cm）の変換効率は8.6％です。

単結晶シリコン太陽電池の変換効率は間違いなく最高であり、大規模なアプリケーションや工業生産で依然として支配的ですが、単結晶シリコン材料の価格とそれに対応する面倒なバッテリープロセスのために、単結晶シリコンのコストは高くなります。いいえ、コストを大幅に削減することは非常に困難です。高品質の材料を節約し、単結晶シリコンセルの代替品を見つけるために、薄膜太陽電池が開発されました。その中で、多結晶シリコン薄膜太陽電池とアモルファスシリコン薄膜太陽電池が代表的です。

1.2ポリシリコン薄膜太陽電池

典型的な結晶シリコン太陽電池は、持ち上げられた、または鋳造されたシリコンインゴットから切断された350〜450μmの厚さの高品質シリコンウェーハ上に製造されます。したがって、シリコン材料の実際の消費量は多くなります。材料を節約するために、1970年代半ばから多結晶シリコン膜が安価な基板上に堆積されてきましたが、成長したシリコン膜のサイズのため、貴重な太陽電池は製造されていません。大きな粒子のフィルムを得るために、人々は研究をやめず、多くの方法を提案しました。現在、多結晶シリコン薄膜電池は、低圧化学蒸着（LPCVD）やプラズマ化学気相成長法（PECVD）などの化学蒸着によって主に製造されています。さらに、液相エピタキシー（LPPE）およびスパッタ蒸着法を使用して、多結晶シリコン薄膜電池を作成することもできます。

化学蒸着では、主に反応ガスとしてSiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4、SiH4を使用し、特定の保護雰囲気と反応してシリコン原子を形成し、加熱した基板上に蒸着します。基板材料は、一般に、Ｓｉ、SiO２、Ｓｉ３Ｎ４などから選択される。しかしながら、非シリコン基板上に大きな結晶粒を形成することは困難であり、結晶粒間にボイドを形成することは容易であることが見出された。この問題を解決するために、アモルファスシリコンの薄層がLPCVDによって基板上に堆積され、次にアモルファスシリコン層がアニールされてより大きな結晶粒子が得られ、次に種結晶上に堆積されます。したがって、厚いポリシリコン膜の堆積は、間違いなく再結晶技術が重要なリンクです。現在の技術には、主に固相結晶化と中溶融再結晶化が含まれます。再結晶プロセスに加えて、多結晶シリコン薄膜電池は、単結晶シリコン太陽電池を製造するためのほぼすべての技術を採用しており、こうして得られた太陽電池の変換効率は著しく改善されている。ドイツのフライブルク太陽エネルギー研究所がFZSi基板上に製造した多結晶シリコンセルの変換効率は19％でした。日本の三菱商事は、この方法を使用して、16.42％の効率でバッテリーを準備しました。

液相エピタキシー（LPE）法の原理は、マトリックス内のシリコンを溶融することにより、シリコン膜の温度を下げることです。アメリカのAstropower社は、LPEを使用して12.2％の効率のバッテリーを準備しています。 China Optoelectronics Development TechnologyCenterのChenZheliangは、液相エピタキシーを使用して、冶金グレードのシリコンウェーハ上にシリコン粒子を成長させ、「シリコン粒子」太陽エネルギーと呼ばれる結晶シリコン薄膜太陽電池に似た新しいタイプの太陽電池を設計しました。バッテリーですが、パフォーマンスに関するレポートは見られていません。

多結晶シリコン薄膜電池は、単結晶シリコンよりもはるかに効率が低く、効率低下の問題がなく、単結晶シリコンセルよりもはるかに低コストで、アモルファスシリコンフィルムよりも効率が高い安価な基板材料で製造できます。 。したがって、電池はまもなく太陽光発電市場を支配するでしょう。

1.3アモルファスシリコン薄膜太陽電池

太陽電池の開発における2つの重要な問題は、変換効率の向上とコストの削減です。アモルファスシリコン薄膜太陽電池の低コストで便利な大量生産により、広く認識され、急速に開発されてきました。実際、早くも1970年代初頭、Carlson etal。アモルファスシリコンセルの開発を開始。その年、その研究開発作業は急速に発展しました。現在、世界の多くの企業がそのような電池製品を製造しています。

アモルファスシリコンは、ソーラー材料として優れたバッテリー材料ですが、その光学バンドギャップが1.7 eVであるため、材料自体が太陽放射スペクトルの長波長領域の影響を受けず、アモルファスシリコン太陽電池の変換効率が制限されます。 。また、照明時間の継続により光電効率が低下し、いわゆる光劣化SW効果が発生し、電池の性能が不安定になります。これらの問題の解決策は、準備されたp、i、n層の単一接合太陽電池に1つまたは複数のピンサブセルを堆積することによって準備されるタンデム太陽電池を準備することです。変換効率を改善し、単一接合電池の不安定性を解決するための積層太陽電池の重要な問題は次のとおりです。1。スペクトル応答範囲を改善するために異なる禁止帯域幅の材料を組み合わせます。 2バッテリーの最上層が薄くなっています。照明によって生成される電界の強度はあまり変化しないため、i層で光生成されたキャリアが確実に抽出されます。 3下部のセルによって生成されるキャリアは、単一セルの約半分であり、光誘起減衰効果が減少します。バッテリーは直列に接続されています。

アモルファスシリコン薄膜太陽電池の作製方法は、反応性スパッタリング、PECVD、LPCVDなど多くあります。反応原料ガスはH2希釈SiH4、基板は主にガラスとステンレス鋼で、アモルファスシリコンを作製します。シングルセル電池とタンデム太陽電池は、異なる電池プロセスを介してフィルムによって別々に製造することができます。現在、アモルファスシリコン太陽電池の研究は2つの大きな進歩を遂げました。1番目と3番目の積層構造アモルファスシリコン太陽電池の変換効率は13％に達し、新記録を樹立しました。 2番目の3層太陽電池の年間生産能力は5MWです。ユナイテッドソーラーコーポレーション（VSSC）製の単接合太陽電池の最大変換効率は9.3％、3バンドギャップ3層電池の最大変換効率は13％です。

上記の最大変換効率は、小面積（0.25 cm2）のバッテリーで得られました。単一接合アモルファスシリコン太陽電池の変換効率が12.5％を超えることが文献で報告されています。中央研究院は、アモルファスシリコンセルの変換効率13.2％を達成するために、一連の新しい対策を採用しています。アモルファスシリコン薄膜電池、特に中国の積層太陽電池に関する研究はあまりありません。南開大学のYanXinhuaは工業用材料を使用し、面積20×20 cm2、変換効率8.28％の背面電極を用意しています。 Si / a-Si積層太陽電池。

アモルファスシリコン太陽電池は、変換効率が高く、コストが低く、軽量であるため、大きな可能性を秘めています。しかし同時に、安定性が低いため、実際のアプリケーションに直接影響します。安定性の問題をさらに解決し、変換率の問題を改善できれば、アモルファスシリコン太陽電池は間違いなく太陽電池の主要な開発製品の1つです。

2つのマルチコンパウンド薄膜太陽電池

多結晶シリコンの開発に加えて、単結晶シリコンセルの代替品を見つけるために、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、および他の材料の太陽電池の開発を続けています。その中には、主にガリウム砒素III-V化合物、硫化カドミウム、銅ビスマスセレン化物薄膜電池が含まれます。上記電池のうち、硫化カドミウム、テルル化カドミウム多結晶薄膜電池は、アモルファスシリコン薄膜太陽電池に比べて効率は高いものの、単結晶シリコン電池に比べてコストが低く、大量生産も容易です。 、しかしカドミウムは非常に有毒であるため、環境への深刻な汚染、したがって、結晶シリコン太陽電池の理想的な代替品ではありません

ガリウム砒素III-V化合物と銅インジウムセレン化物薄膜は、変換効率が高いため、広く注目されています。 GaAsは、太陽光の吸収率が高い値であるエネルギーギャップ1.4eVのIII-V化合物半導体材料であるため、理想的な電池材料です。 GaAsなどのIII-V複合薄膜電池の作製は主にMOVPEとLPE技術を採用しており、MOVPE法で作製したGaAs薄膜電池は基板転位、反応圧力、III-V比、総流量など多くのパラメータの影響を受けます。割合。

GaAsに加えて、Gasb、GaInP、その他の電池材料などの他のIII-V化合物も開発されています。 1998年、ドイツのフライブルク太陽系研究所が製造したGaAs太陽電池の変換効率は24.2％で、ヨーロッパで記録されました。最初に準備したGaInPバッテリーの変換効率は14.7％でした。表2を参照してください。さらに、研究所はスタック構造を使用して、2つの別々のセルでスタックされたGaAs、Gasbバッテリーを製造しています。 GaAsは上部バッテリーとして使用され、Gasbは下部バッテリーとして使用されます。バッテリー効率は31.1％です。 。

銅インジウムセレンCuInSe2はCICと略されます。 CIS材料のエネルギーは1に減少します。leVは太陽光の光電変換に適しています。さらに、CIS薄膜太陽電池の光誘起劣化はありません。そのため、高い変換効率の薄膜太陽電池の材料としてCISを使用することも注目されています。

CIS電池フィルムの作製には、主に真空蒸着法とセレン化法があります。真空蒸着法では、銅、インジウム、セレンをそれぞれの蒸着源で蒸着し、セレン化法はH2Se積層膜を用いたセレン化ですが、この方法では均一なCISを得ることが困難です。 CIS薄膜電池は、1980年代の最初の8％の変換効率から現在の15％に成長しました。松下電器産業株式会社が開発したガリウムドープCIS電池の光電変換効率は15.3％（面積1cm² ）です。 1995年、米国の再生可能エネルギー研究所は、CIS太陽電池の17.1％の変換効率を開発しました。これは、バッテリーの変換効率としては世界で群を抜いて最高です。 CIS電池の変換効率は2000年までに20％に達すると予想されており、これは多結晶シリコン太陽電池に相当します。

CISは太陽電池の半導体材料として、低価格、高性能、シンプルなプロセスというメリットがあり、今後の太陽電池開発の重要な方向性となるでしょう。唯一の問題は、資料の出所です。インジウムとセレンはどちらも比較的希少な元素であるため、このような電池の開発は限られたものになるでしょう。

3高分子多層電極型太陽電池

太陽電池における無機材料のポリマーへの置き換えは、太陽電池システムの研究の方向性の始まりにすぎません。原理は、異なる酸化還元ポリマーの複数の酸化還元電位を使用して、導電性材料（電極）の表面で多層再結合を実行し、無機PN接合と同様の一方向導電性デバイスを形成することです。一方の電極の内層は、より低い還元電位を有するポリマーによって修飾され、外層ポリマーの還元電位はより高く、電子移動方向は、内層から外層にのみ移動することができる。もう一方の電極は反対に変更され、最初の電極上の2つのポリマーの還元電位は、後者の2つのポリマーの還元電位よりも高くなります。光増感剤を含む電解波に2つの修飾電極を配置すると、光増感剤で生成された電子は還元電位の低い電極に移動し、還元電位の低い電極に蓄積された電子は外層ポリマーに移動できなくなります。そして、より高い還元電位を持つ電極を介して外部回路を介してのみ電気分解に戻ることができます。液体なので、外部回路に光電流が発生します。

有機材料の柔軟性、製造の容易さ、材料の幅広い供給源、および低コストのために、安価な電気エネルギーを提供するために太陽エネルギーを大規模に使用することは非常に重要です。しかし、有機材料からの太陽電池の製造に関する研究はまだ始まったばかりであり、寿命も電池効率も無機材料、特にシリコン電池と比較することはできません。それが実用的に重要な製品に発展することができるかどうかは、さらに調査される必要があります。

4つのナノ結晶化学太陽電池

シリコンベースの太陽電池は間違いなく太陽電池の中で最も成熟していますが、コストが高いため、大規模なプロモーションやアプリケーションの要件を満たすにはほど遠いです。この目的のために、人々はプロセス、新素材、薄膜などの側面を探求し続けており、新しく開発されたナノTiO2結晶化学太陽電池は国内外の科学者の注目を集めています。

スイスのグレッツェル教授によるナノTiO2化学太陽電池の開発以来、いくつかの国内ユニットもこの分野で研究を行っています。ナノ結晶化学太陽電池（略してNPC）は、禁止されている半導体材料を別の大きなギャップの半導体材料に変更して組み立てることによって形成されます。狭バンドギャップ半導体材料は、RuやOsなどの遷移金属を使用しています。増感色素である大ギャップ半導体材料はナノ多結晶TiO2で電極化されており、NPC電池も適切な酸化還元電解質を使用しています。ナノ結晶TiO2の動作原理：色素分子は太陽エネルギーを吸収して励起状態に遷移し、励起状態は不安定になり、電子は隣接するTiO2伝導帯にすばやく注入されます。色素で失われた電子は、電解質からすばやく補償され、TiO2伝導帯に入ります。ファイナルの電気は導電性フィルムに入り、外側のループを介して光電流を生成します。

ナノ結晶TiO2太陽電池の利点は、低コストでシンプルなプロセスと安定した性能です。光電効率は10％以上で安定しており、製造コストはシリコン太陽電池の1 / 5〜1 / 10です。平均余命は20年以上に達する可能性があります。しかし、このような電池の研究開発により、近い将来徐々に市場に参入すると見込まれています。

5太陽電池開発動向

以上の考察からわかるように、太陽電池の材料として、III-V化合物とCISは希土類元素から製造されますが、それらによって製造される太陽電池は高い変換効率を持ちますが、材料から製造されます。ソース、これは太陽電池のようなバッテリーが将来的に支配する可能性は低いです。他の2種類の電池ナノ結晶太陽電池とポリマー修飾電極は太陽光発電に存在します。彼らの研究は始まったばかりであり、技術はあまり成熟しておらず、変換効率はまだ比較的低いです。これらの2種類のバッテリーは、短期間でまだ調査段階にあります。太陽電池を交換することは不可能です。したがって、変換効率と材料の供給源の観点から、将来の開発の焦点は依然としてシリコン太陽電池、特にポリシリコンとアモルファスシリコン薄膜セルにあります。多結晶シリコンおよびアモルファスシリコン薄膜電池の高い変換効率と比較的低コストにより、単結晶シリコン電池は最終的に交換され、市場の主要製品になります。

変換効率の向上とコストの削減は、太陽電池の準備で考慮すべき2つの主な要因です。現在のシリコン太陽電池では、変換効率をさらに向上させることは困難です。したがって、新しい電池材料の開発を続けることに加えて、将来の研究はコストを削減する方法に焦点を当てるべきです。変換効率の高い既存の太陽電池は、シリコン太陽電池の製造で最も高価な部分である高品質のシリコンウェーハで製造されています。したがって、変換効率がまだ高い場合は、基板のコストを削減することが非常に重要です。また、将来の太陽電池開発にとっても緊急の課題です。最近、海外で多結晶シリコン薄膜太陽電池の基板としてシリコンストリップを製造するためにいくつかの技術が使用されています。

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