Introducción de células y materiales solares.

Introducción

La energía solar es una fuente inagotable de energía renovable para el ser humano. También es energía limpia y no causa contaminación ambiental. En el uso efectivo de la energía solar, la Utilización fotoeléctrica solar es uno de los proyectos más populares en los últimos años, que es el campo de investigación más dinámico y de más rápido crecimiento. Con este fin, se han desarrollado y desarrollado células solares. La producción de células solares se basa principalmente en materiales semiconductores. Su principio de funcionamiento es utilizar materiales fotoeléctricos para absorber la energía luminosa y luego someterse a una reacción de conversión fotoeléctrica. Según los materiales utilizados, las células solares se pueden dividir en: 1. células solares de silicio; 2. Sales inorgánicas como el compuesto de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio, selenio de cobre e indio y otros compuestos de múltiples componentes como materiales; 3. Materiales macromoleculares funcionales preparados por células solares; 4. Células solares nanocristalinas, etc. No importa qué tipo de material se utilice para fabricar la batería, los requisitos generales para los materiales de las células solares son: 1. La banda prohibida del material semiconductor no debe ser demasiado ancha; 2. Debe haber una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica; 3. El material en sí no contamina el medio ambiente; 4. El material es fácil de industrializar y el rendimiento del material es estable. Sobre la base de las consideraciones anteriores, el silicio es el material de célula solar más ideal, que es la razón principal por la que las células solares son principalmente materiales de silicio. Sin embargo, con el desarrollo continuo de nuevos materiales y el desarrollo de tecnologías relacionadas, las células solares basadas en otros materiales de la aldea muestran cada vez más perspectivas atractivas. Este documento revisa brevemente los tipos de células solares y su estado de investigación, y analiza el desarrollo y las tendencias de las células solares.

1 celda solar de silicio

1.1 célula solar de silicio monocristalino

Entre las células solares de la serie de silicio, las células solares de silicio monocristalino tienen la mayor eficiencia de conversión y la tecnología más madura. Las células de silicio monocristalino de alto rendimiento se basan en materiales de silicio monocristalino de alta calidad y procesos de procesamiento térmico relacionados. Hoy en día, el proceso de puesta a tierra eléctrica del silicio monocristalino está casi maduro. Generalmente, se adoptan la textura de la superficie, la pasivación de la región de emisión, el dopaje zonal y otras tecnologías. Las baterías desarrolladas incluyen principalmente baterías planas de silicio monocristalino y baterías de silicio monocristalino con electrodos de rejilla integrados en la ranura. La mejora de la eficiencia de conversión depende principalmente del tratamiento de la microestructura de la superficie y del proceso de dopado de partición del silicio monocristalino. En este sentido, el Instituto del Sistema Solar alemán Franois Freiburg mantiene un nivel de liderazgo mundial. El instituto utilizó la litografía para texturizar la superficie de la celda para crear una estructura piramidal invertida. Y pon un 13nm en la superficie. La gruesa capa de pasivación de óxido se combina con dos revestimientos antirreflectantes. La relación entre el ancho y la altura de la puerta aumenta mediante el proceso de galvanoplastia mejorado: la eficiencia de conversión de la batería producida por lo anterior es superior al 23%, que es un gran valor del 23,3%. La eficiencia de conversión de las células solares de electroformado único de gran superficie (225 cm2) preparadas por Kyocera es del 19,44%. El Instituto de Investigación de Energía Solar de Beijing también está investigando y desarrollando activamente células solares de silicio cristalino de alta eficiencia y desarrollando células planas de silicio monocristalino de alta eficiencia (2 cm x 2 cm). La eficiencia de conversión es del 19,79% y la eficiencia de conversión de la batería de silicio cristalino del electrodo de puerta enterrada ranurada (5 cm x 5 cm) es del 8,6%.

La eficiencia de conversión de las células solares de silicio monocristalino es sin duda la más alta, y aún domina en aplicaciones a gran escala y producción industrial, pero debido al precio de los materiales de silicio monocristalino y el correspondiente proceso de batería engorroso, el costo del silicio monocristalino es alto. . No, es muy difícil reducir significativamente su costo. Para ahorrar materiales de alta calidad y encontrar alternativas a las células de silicio monocristalino, se han desarrollado células solares de película fina, entre las cuales las células solares de película fina de silicio policristalino y las células solares de película fina de silicio amorfo son representantes típicos.

1.2 célula solar de película fina de polisilicio

Una célula solar de silicio cristalino típica se fabrica sobre una oblea de silicio de alta calidad que tiene un grosor de 350 a 450 μm que se corta a partir de un lingote de silicio levantado o fundido. Por lo tanto, el consumo real de material de silicio es mayor. Para ahorrar materiales, las películas de silicio policristalino se han depositado sobre sustratos económicos desde mediados de la década de 1970, pero debido al tamaño de las películas de silicio crecidas, no se han fabricado valiosas células solares. Para obtener una película de un grano de gran tamaño, la gente no ha dejado de investigar y ha propuesto muchos métodos. En la actualidad, las baterías de película fina de silicio policristalino se preparan principalmente mediante deposición química de vapor, incluida la deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) y la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Además, la epitaxia en fase líquida (LPPE) y los métodos de deposición por pulverización catódica también se pueden utilizar para preparar baterías de película fina de silicio policristalino.

La deposición química de vapor utiliza principalmente SiH2Cl2, SiHCl3, Sicl4 o SiH4 como gas de reacción para reaccionar con una cierta atmósfera protectora para formar átomos de silicio y depositarlos sobre un sustrato calentado. El material de sustrato se selecciona generalmente entre Si, SiO2, Si3N4 y similares. Sin embargo, se ha descubierto que es difícil formar grandes granos de cristal sobre un sustrato que no sea de silicio y es fácil formar huecos entre los granos de cristal. Para resolver este problema, se deposita una capa delgada de silicio amorfo sobre el sustrato mediante LPCVD, y luego la capa de silicio amorfo se templa para obtener granos de cristal más grandes y luego sobre el cristal semilla. La deposición de una película gruesa de polisilicio, por lo tanto, la tecnología de recristalización es sin duda un vínculo importante. La tecnología actual incluye principalmente la cristalización en fase sólida y la recristalización de fusión media. Además del proceso de recristalización, la batería de película fina de silicio policristalino emplea casi todas las tecnologías para preparar células solares de silicio monocristalino, y la eficiencia de conversión de las células solares así obtenida se mejora notablemente. La eficiencia de conversión de las células de silicio policristalino producidas en el sustrato FZSi por el Instituto de Investigación de Energía Solar de Friburgo en Alemania fue del 19%. Mitsubishi Corporation de Japón utilizó este método para preparar baterías con una eficiencia del 16,42%.

El principio del método de epitaxia en fase líquida (LPE) es reducir la temperatura de la película de silicio fundiendo el silicio en la matriz. La empresa estadounidense Astropower utiliza LPE para preparar una batería con una eficiencia del 12,2%. Chen Zheliang, del Centro de Tecnología de Desarrollo de Optoelectrónica de China, utilizó epitaxia en fase líquida para cultivar granos de silicio en obleas de silicio de grado metalúrgico y diseñó un nuevo tipo de célula solar similar a las células solares de película fina de silicio cristalino, llamada energía solar de "grano de silicio". Batería, pero no se han visto informes sobre el rendimiento.

Las baterías de película delgada de silicio policristalino son mucho menos eficientes que el silicio monocristalino y no tienen problemas de degradación de la eficiencia, y se pueden preparar en materiales de sustrato económicos, que tienen un costo mucho menor que las celdas de silicio monocristalino y una eficiencia más alta que las películas de silicio amorfo. . Las baterías, por lo tanto, las baterías de película delgada de polisilicio pronto dominarán el mercado de la energía solar.

1.3 célula solar de película fina de silicio amorfo

Dos cuestiones clave en el desarrollo de células solares son: mejorar la eficiencia de conversión y reducir los costos. Debido al bajo costo y la conveniente producción en masa de células solares de película delgada de silicio amorfo, se ha reconocido ampliamente y se ha desarrollado rápidamente. De hecho, ya a principios de la década de 1970, Carlson et al. comenzó a desarrollar células de silicio amorfo. En el año, su trabajo de investigación y desarrollo se ha desarrollado rápidamente. En la actualidad, muchas empresas en el mundo están produciendo este tipo de baterías.

El silicio amorfo, como material solar, es un buen material de batería, pero debido a que su banda prohibida óptica es de 1,7 eV, el material en sí es insensible a la región de longitud de onda larga del espectro de radiación solar, lo que limita la eficiencia de conversión de la célula solar de silicio amorfo. . Además, su eficiencia fotoeléctrica se atenuará con la continuación del tiempo de iluminación, el llamado efecto SW de fotodegradación, que hace que el rendimiento de la batería sea inestable. La solución a estos problemas es preparar una célula solar en tándem que se prepara depositando una o más subcélulas Pin en una célula solar de unión simple de capa p, i, n preparada. Los problemas clave de la celda solar laminada para mejorar la eficiencia de conversión y resolver la inestabilidad de la batería de unión simple son los siguientes: 1. reúne los materiales de diferentes anchos de banda prohibidos para mejorar el rango de respuesta espectral; 2 la capa superior de la batería es más fina. La intensidad del campo eléctrico generado por la iluminación no cambia mucho, asegurando que se extraigan los portadores fotogenerados en la i-layer; 3 el portador generado por la celda inferior es aproximadamente la mitad de la celda individual, y se reduce el efecto de desintegración fotoinducido; Las baterías están conectadas en serie.

Hay muchos métodos de preparación para células solares de película delgada de silicio amorfo, incluida la pulverización catódica reactiva, PECVD, LPCVD, etc. El gas de la materia prima de reacción es SiH4 diluido en H2, el sustrato es principalmente vidrio y acero inoxidable, y se prepara silicio amorfo. La batería de una sola celda y la celda solar en tándem se pueden producir por separado mediante la película a través de diferentes procesos de batería. En la actualidad, la investigación sobre células solares de silicio amorfo ha logrado dos avances importantes: la eficiencia de conversión de la primera y la tercera células solares de silicio amorfo de estructura apilada alcanzó el 13%, estableciendo un nuevo récord; la segunda celda solar de tres capas tiene una capacidad de producción anual de 5 MW. La celda solar de unión única fabricada por United Solar Corporation (VSSC) tiene una eficiencia de conversión máxima del 9,3%, y la eficiencia de conversión máxima de la batería de triple capa de tres bandas con banda prohibida es del 13%.

La eficiencia de conversión máxima anterior se obtuvo en una batería de área pequeña (0,25 cm2). Se ha informado en la bibliografía que la eficiencia de conversión de las células solares de silicio amorfo de unión única supera el 12,5%. La Academia Sinica ha adoptado una serie de nuevas medidas para lograr una eficiencia de conversión del 13,2% para las células de silicio amorfo. No hay muchas investigaciones sobre las baterías de película delgada de silicio amorfo, especialmente las células solares laminadas en China. Yan Xinhua de la Universidad de Nankai utiliza materiales industriales y se prepara un electrodo trasero con un área de 20 × 20 cm2 y una eficiencia de conversión del 8,28%. Células solares laminadas Si / a-Si.

Las células solares de silicio amorfo tienen un gran potencial debido a su alta eficiencia de conversión, bajo costo y peso ligero. Pero al mismo tiempo, por su baja estabilidad, incide directamente en su aplicación práctica. Si el problema de estabilidad se puede resolver más y se mejora el problema de la tasa de conversión, entonces la célula solar de silicio amorfo es sin duda uno de los principales productos de desarrollo de la célula solar.

2 células solares de película fina de compuestos múltiples

Con el fin de encontrar alternativas a las células de silicio monocristalino, además del desarrollo de silicio policristalino, células solares de película fina de silicio amorfo, y seguir desarrollando células solares de otros materiales. Entre ellos, incluye principalmente baterías de película delgada de compuesto de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio y seleniuro de bismuto de cobre. Entre las baterías anteriores, aunque la eficiencia de las celdas de película delgada policristalina de sulfuro de cadmio y telururo de cadmio es mayor que la de las celdas solares de película delgada de silicio amorfo, el costo es menor que el de las celdas de silicio monocristalino, y también es fácil de producir en masa , pero dado que el cadmio es altamente tóxico, contaminación grave para el medio ambiente, por lo tanto, no es el reemplazo ideal para las células solares de silicio cristalino.

Los compuestos de arseniuro de galio III-V y las películas delgadas de seleniuro de indio y cobre han recibido una atención generalizada debido a su alta eficiencia de conversión. GaAs es un material semiconductor compuesto III-V con una brecha de energía de 1,4 eV, que es un valor de la luz solar de alta absorción y, por lo tanto, es un material de batería ideal. La preparación de baterías de película delgada compuestas III-V como GaAs adopta principalmente la tecnología MOVPE y LPE, y la batería de película delgada de GaAs preparada por el método MOVPE se ve afectada por muchos parámetros como la dislocación del sustrato, la presión de reacción, la relación III-V y el flujo total. Velocidad.

Además de GaAs, también se han desarrollado otros compuestos III-V como Gasb, GaInP y otros materiales de batería. En 1998, la eficiencia de conversión de las células solares de GaAs producidas por el Instituto de Investigación del Sistema Solar de Friburgo en Alemania fue del 24,2%, que se registró en Europa. La eficiencia de conversión de la primera batería GaInP preparada fue del 14,7%. Consulte la Tabla 2. Además, el instituto también utiliza una estructura apilada para fabricar baterías GaAs, Gasb, que se apilan con dos celdas separadas. Se utiliza GaAs como batería superior y Gasb como batería inferior. La eficiencia de la batería es del 31,1%. .

Cobre indio selenio CuInSe2 se abrevia como CIC. La energía del material CIS se reduce a 1. leV es adecuado para la conversión fotoeléctrica de la luz solar. Además, no hay degradación fotoinducida de las células solares de película delgada CIS. Por lo tanto, el uso de CIS como material para células solares de película delgada de alta eficiencia de conversión también ha atraído la atención.

La preparación de la película de la batería CIS incluye principalmente el método de evaporación al vacío y el método de selenización. En el método de evaporación al vacío, el cobre, el indio y el selenio se depositan al vapor usando las respectivas fuentes de evaporación, y el método de selenización es la selenización usando una película laminada de H2Se, pero es difícil obtener un CIS uniforme por este método. La batería de película fina CIS ha pasado de la eficiencia de conversión inicial del 8% en la década de 1980 al 15% actual. La batería CIS dopada con galio desarrollada por Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. tiene una eficiencia de conversión fotoeléctrica del 15,3% (área 1 cm ² ). En 1995, el Laboratorio de Investigación de Energía Renovable de EE. UU. Desarrolló una eficiencia de conversión del 17,1% de las células solares CIS, que es, con mucho, la eficiencia de conversión de la batería más alta del mundo. Se espera que la eficiencia de conversión de las baterías CIS alcance el 20% para el año 2000, lo que equivale a las células solares de silicio policristalino.

Como material semiconductor para células solares, CIS tiene las ventajas de bajo precio, buen rendimiento y proceso simple, y se convertirá en una dirección importante para el desarrollo de células solares en el futuro. El único problema es la fuente del material. Dado que tanto el indio como el selenio son elementos relativamente raros, el desarrollo de tales baterías será limitado.

Célula solar de tipo electrodo modificado multicapa de 3 polímeros

El reemplazo de materiales inorgánicos con polímeros en las células solares es solo el comienzo de la dirección de investigación de un sistema de células solares. El principio es utilizar una pluralidad de potenciales redox de diferentes polímeros redox para realizar una recombinación multicapa en la superficie del material conductor (electrodo) para formar un dispositivo conductor unidireccional similar a una unión PN inorgánica. La capa interna de uno de los electrodos está modificada por un polímero que tiene un potencial de reducción menor, el potencial de reducción del polímero de la capa externa es mayor, la dirección de transferencia de electrones solo puede transferirse desde la capa interna a la capa externa; el otro electrodo se modifica al contrario, y el primero Los potenciales de reducción de los dos polímeros en los electrodos son más altos que los potenciales de reducción de los dos últimos polímeros. Cuando dos electrodos modificados se colocan en una onda electrolítica que contiene un fotosensibilizador, los electrones generados por el fotosensibilizador se transfieren al electrodo con menor potencial de reducción, y los electrones acumulados en el electrodo con menor potencial de reducción no se pueden transferir al polímero de la capa exterior. y solo se puede devolver a la electrólisis a través del circuito externo a través del electrodo con mayor potencial de reducción. Líquido, por lo que se genera una fotocorriente en el circuito externo.

Debido a la flexibilidad de los materiales orgánicos, la fácil fabricación, la amplia fuente de materiales y el bajo costo, es de gran importancia que el uso a gran escala de la energía solar proporcione energía eléctrica barata. Sin embargo, la investigación sobre la preparación de células solares a partir de materiales orgánicos apenas ha comenzado, y ni la vida útil ni la eficiencia de la batería se pueden comparar con materiales inorgánicos, especialmente baterías de silicio. Queda por explorar más a fondo si puede convertirse en un producto de importancia práctica.

4 células solares químicas nanocristalinas

Las células solares basadas en silicio son sin duda las más maduras de las células solares, pero debido al alto costo, están lejos de cumplir con los requisitos de promoción y aplicación a gran escala. Con este fin, la gente continúa explorando procesos, nuevos materiales, películas delgadas y otros aspectos, y las células solares químicas de cristal nano-TiO2 recientemente desarrolladas han recibido la atención de científicos nacionales y extranjeros.

Desde el desarrollo de las células solares químicas nano-TiO2 por el profesor Gratzel de Suiza, algunas unidades domésticas también están realizando investigaciones en esta área. Las células solares químicas nanocristalinas (NPC, por sus siglas en inglés) se forman modificando y ensamblando un material semiconductor prohibido en otro material semiconductor de gran espacio. El material semiconductor de banda prohibida estrecha utiliza metales de transición como Ru y Os. El tinte sensibilizador, el material semiconductor de gran espacio, es TiO2 nano-policristalino y se convierte en un electrodo, y la batería NPC también utiliza un electrolito de oxidación-reducción adecuado. El principio de funcionamiento del TiO2 nanocristalino: las moléculas de colorante absorben la energía solar para pasar al estado excitado, el estado excitado es inestable y los electrones se inyectan rápidamente en la banda de conducción de TiO2 adyacente. Los electrones perdidos en el tinte se compensan rápidamente del electrolito y entran en la banda de conducción de TiO2. La electricidad en el final ingresa a la película conductora y luego genera una fotocorriente a través del bucle exterior.

Las ventajas de las células solares nanocristalinas de TiO2 son su bajo costo, su proceso simple y su rendimiento estable. Su eficiencia fotoeléctrica es estable en más del 10% y el costo de producción es solo de 1/5 a 1/10 de la celda solar de silicio. La esperanza de vida puede llegar a superar los 20 años. Sin embargo, debido a la investigación y el desarrollo de dichas baterías, se estima que ingresarán gradualmente al mercado en un futuro próximo.

5 tendencia de desarrollo de células solares

Como puede verse en la discusión de los aspectos anteriores, como material de una célula solar, un compuesto III-V y un CIS se preparan a partir de elementos raros, aunque las células solares producidas por ellos tienen una alta eficiencia de conversión, pero a partir del material fuente, esto es, es poco probable que las baterías de tipo solar dominen en el futuro. Los otros dos tipos de células solares nanocristalinas de batería y electrodos modificados con polímeros existen en la energía solar. Su investigación acaba de comenzar, la tecnología no está muy madura y la eficiencia de conversión aún es relativamente baja. Estos dos tipos de baterías aún se encuentran en etapa de exploración, en poco tiempo. Es imposible reemplazar las células solares. Por lo tanto, desde la perspectiva de la eficiencia de conversión y la fuente de materiales, el enfoque de desarrollo futuro sigue estando en las células solares de silicio, especialmente en las células de película fina de polisilicio y silicio amorfo. Debido a la alta eficiencia de conversión y el costo relativamente bajo de las baterías de película delgada de silicio policristalino y silicio amorfo, la batería de silicio monocristalino eventualmente será reemplazada y se convertirá en el producto líder en el mercado.

Mejorar la eficiencia de conversión y reducir el costo son los dos factores principales a considerar en la preparación de células solares. Para las células solares de silicio actuales, es difícil mejorar aún más la eficiencia de conversión. Por lo tanto, además de continuar desarrollando nuevos materiales para baterías, la investigación futura debería centrarse en cómo reducir los costos. Las células solares existentes con alta eficiencia de conversión se fabrican en obleas de silicio de alta calidad, que es la parte más cara de la fabricación de células solares de silicio. Por lo tanto, es muy importante reducir el costo del sustrato cuando la eficiencia de conversión aún es alta. También es un problema urgente para el desarrollo de células solares en el futuro. Recientemente, se han utilizado algunas tecnologías para producir tiras de silicio como sustratos de células solares de película fina de silicio policristalino en países extranjeros.

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