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开展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题利来国际最给利的老牌
来源:未知 作者:admin 发布时间:2019-02-04 16:12 浏览量:

  开展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题

  作者:张静全 冯良桓 李卫 蔡亚平

  碲化镉薄膜太阳能电池的开展日益遭到重视。碲资源、电池本钱、电池出产和运用对环境的影响等问题是碲化镉薄膜太阳能电池开展中遭到很多人重视的问题。本文对此进行了剖析评论,最终剖析了工业化规划出产碲化镉薄膜太阳能电池组件的要害技能。


导言

  
碲化镉薄膜太阳能电池的开展遭到国内外的重视,其小面积电池的变换功率现已到达了16.5%,商业组件的变换功率约9%,组件的最高变换功率到达11%。国内四川大学制备出变换功率为13.38%的小面积单元太阳能电池,54cm2集成组件变换功率到达7%,正在进行0.1㎡组件出产线的建造和大面积电池出产技能的研制。
本钱预算

   考虑电池的结构为玻璃/SnO2:F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni,碲化镉薄膜的厚度为5微米,变换功率为7%,1MW碲化镉薄膜太阳能电池所耗费的资料的本钱如下表所示。

  碲化镉薄膜太阳能电池的资料本钱
 

  
可见,碲化镉和通明导电玻璃构成资料本钱的主体,别离占到耗费资料总本钱的45.4%和38.2%。

   耗费资料的本钱还能够进一步下降,如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米,则碲化镉资料的耗费将下降20%,从而使资料总本钱下降9.1%,即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如运用99.999%纯度的碲化镉,功率仍然能到达7%,资料本钱还将进一步下降。因而,资料本钱到达或低于每峰瓦5元人民币是可能的。

   考虑薪酬、办理、电力和设备折旧等其他本钱,碲化镉薄膜太阳能电池的本钱大约是每峰瓦13.64元人民币或更低。因而,即便出售价格为每峰瓦20~22元人民币,约为晶体硅太阳能电池现在价格的60%,也能确保制作商有适当的赢利空间。

   因为碲化镉薄膜太阳能电池本钱低,其开展关于处理我国西部地区涣散寓居人口的电力供应具有重要意义。

  碲资源

   碲是地球上的稀有元素,开展碲化镉薄膜太阳能电池面对的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满意碲化镉太阳能电池组件的工业化规划出产及运用。工业上,碲首要是从电解铜或锻炼锌的废猜中收回得到。据相关报导,地球上有碲14.9万吨,其间我国有2.2万吨,美国有2.5万吨。

   在美国碲化镉薄膜太阳能电池制作商First Solar年产量25MW的工厂中,300~340公斤碲化镉即能够满意1MW太阳能电池的出产需求。考虑到碲的密度为6.25g/cm3,镉的密度为8.64g/cm3,则130~140公斤碲即能够满意1MW碲化镉薄膜太阳能电池的出产需求。

   由以上数据能够知道,按现已探明储量,地球上的碲资源能够供100个年出产能力为100MW的出产线用100年。

  环境影响

   因为碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉,使很多人忧虑碲化镉太阳能电池的出产和运用对环境的影响。多年来,一些公司和专家不肯步入碲化镉太阳能电池的开发和出产。那么,碲化镉薄膜太阳能电池的出产和运用中镉的排放终究有多严峻呢?

   为此,美国布鲁克文国家试验室的科学家们专门研讨了这个问题。他们体系研讨了晶体硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池与煤、石油、天然气等惯例动力和核能的单位发电量的重金属排放量。在太阳能电池的剖析中,考虑了将原始矿石加工得到制备太阳能电池所需资料、太阳能电池制备、太阳能电池的运用等全寿数周期进程。研讨结果标明(见图1),石油的镉排放量是最高的,到达44.3g /GWh,媒次之,为3.7g /GWh。而太阳能电池的排放量均小于1g /GWh,其间又以碲化镉的镉排放量最低,为0.3 g / GWh。与天然气相同,硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉太阳能电池的两倍。

  图1 太阳能电池组件与其他动力的镉排放量的比较图

   他们还研讨了硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池出产与运用中其他重金属的排放。研讨结果标明(见图2),碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。利来国际最给利的老牌,该研讨陈述定论根据对美国First Solar公司碲化镉薄膜太阳能电池出产线、碲化镉太阳能电池组件运用现场的体系调查,和对其他太阳能电池、动力的实践出产企业的工艺、相关产品的运用环境研讨剖析得出。研讨结果的科学性、公正性得到国内外的认可。研讨者在2006年欧洲资料年会硫系半导体光伏资料分会作的陈述引起了与会人员的激烈重视。

  

  图2 硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的重金属排放量的比较图

   美国的研讨人员还针对碲化镉薄膜太阳能电池组件运用进程中,遇到火灾等意外事故构成组件损毁时镉的污染进行了研讨。他们将双玻璃封装的碲化镉薄膜太阳能电池组件在模仿建筑物发作火灾的情况下进行试验,试验温度高达1100℃。结果标明,高温下玻璃变软以至于熔化,化合物半导体薄膜被包封在软化了的玻璃中,镉流失量不到电池所含镉总量的0.04%。考虑到发作火灾的几率,得出运用进程中,镉的排放量不到0.06mg/ GWh。

   尽管试验标明碲化镉薄膜太阳能电池组件的运用是安全的,可是树立寿数晚期电池组件和损毁组件的收回机制能够增强大众的决心。别离出的Cd、Te及其他有用资料,还可用于制作出产太阳能电池组件所需的相关资料,进行循环出产。美国、欧洲的研讨标明,技能上是可行的,收回资料的效益高于收回本钱。事实上,美国First Solar公司的碲化镉太阳能电池组件在出售时就与用户签订了由工厂付出收回费用的收回合同。

   综上所述,碲化镉太阳能电池在出产、运用等方面是环境友好的。

   大面积碲化镉薄膜太阳能电池组件制作的要害技能

   与小面积单元电池相同,硫化镉、碲化镉、复合背触摸层等三层薄膜的堆积和后处理是取得高功率的技能要害。不同的是,需求在电池的制备进程中对在特定的工艺环节别离对通明导电薄膜、CdS/CdTe半导体层、金属背电极进行刻划,完成单元电池的串联集成。此外,工业化大面积组件出产要求工艺条件重复性高,薄膜性质均匀性好,使一些在制备高功率小面积单元电池时运用的有用技能,并不适用于大面积组件的制作,需求开展新的技能。

  

  图3 碲化镉薄膜太阳能电池组件集成结构示意图
 

  

  图4 碲化镉薄膜太阳能电池组件制备工艺流程图
 

   1.集成技能

   集成工艺对组件的变换功率具有决议性的影响。完成集成的刻划技能有机械刻划、激光刻划两种。机械刻划的刻划速度比激光刻划的慢得多,并且关于如碲化镉等厚度到微米量级的较脆的薄膜,确保刻槽的平直无渣工艺难度较大。激光刻划能够取得较窄的刻槽,宽度最低可到100微米。一般,运用基频(1.064微米)YAG:Nd激光刻划体系刻划通明导电薄膜,运用倍频(532nm)YAG:Nd激光刻划体系刻划硫化镉/碲化镉膜层和金属背电极。激光刻划体系有两种,其一是移动样品完成激光刻划,其二是样品固定激光头移动完成激光刻划。前者受微动台的约束,刻划速度只能到达300mm/Sec~500mm/Sec,后者的刻划速度可高达3000 mm/Sec以上。

   刻痕描摹对串联集成的电子学特性有极大影响。激光入射方向、激光形式、刻划速度和Q开关调制频率是决议刻痕描摹的首要参量。从玻璃面入射比从薄膜面入射更简单得到高质量的刻痕。图5是别离用1064nm激光和532nm的激光刻划CdS/CdTe薄膜后,用探针式外表概括剖析仪丈量的刻痕描摹。1064nm激光刻划的刻槽边际有高达4微米的脊状峰,这不利于后续堆积的背电极触摸层及金属背电极与通明导电薄膜之间构成接连的具有杰出欧姆特性的衔接。

  图5 CdTe薄膜激光刻划刻痕描摹

   2. 碲化镉薄膜的外表腐蚀技能

   刚堆积的碲化镉薄膜载流子浓度低,需求在含氧、氯的气氛下进行380℃~450℃的热处理。该工艺一起也促进CdS/CdTe的界面分散,削减界面的格子失配程度和钝化了薄膜的晶界势垒。但该工艺在碲化镉膜面构成了一高阻氧化层,能够用化学腐蚀或离子刻蚀去除CdTe膜面的高阻氧化层。

  
物理刻蚀技能废料少,简单和其他工艺环节集成,可是不易取得厚度在10nm~100nm的高质量富碲层,该层关于构成杰出欧姆触摸特性的背电极是十分要害的。

   化学腐蚀办法中,常用体积浓度为0.1%的溴甲醇溶液作为腐蚀液,腐蚀时刻8~15秒。尽管运用该腐蚀工艺制备的小面积电池变换功率高达16.5%,可是溴甲醇溶液在空气中简单氧化,不适合工业化出产运用,需求开展更安稳的腐蚀液和速度慢的腐蚀工艺。运用磷酸-硝酸混合溶液能够取得较好的腐蚀作用,典型溶液的体积浓度为(硝酸:磷酸:水)0.5:70:29.5,室温下腐蚀时刻为1分钟。下降硝酸浓度和温度能够进一步延伸腐蚀。磷硝酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严峻,简单在堆积背电极后构成部分的短路漏电通道。运用硝酸-冰乙酸溶液能够进一步减轻晶体择优腐蚀程度,取得更好的膜面腐蚀作用。

  
图6 不同温度下运用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的XRD谱图
 

  远景展望

   碲化镉薄膜太阳能电池正日益遭到国内外的重视。全球最大的碲化镉太阳能电池制作商——美国First Solar公司正加快扩展产能,该公司正在德国建造年产量100MW的工厂,该工厂得到欧盟4000万欧元的出资。一起,First Solar还方案在美国本乡和亚洲别离建造一个100MW的工厂。鉴于碲化镉薄膜太阳能电池的开展远景,日本方案再发动碲化镉薄膜太阳能电池的工业化出产技能研讨,意大利和德国也在进行相似的作业。

   国内四川大学的碲化镉薄膜太阳能电池工业化出产技能研讨进展顺畅,将推进我国碲化镉薄膜太阳能电池的规划出产。

(修改:xiaoyao)
 

  

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