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太陽(yáng)能工藝

季銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池或?qū)⑷〈杌夥l(fā)電技術(shù)

激光制造商情 來(lái)源:光伏太陽(yáng)能網(wǎng)2011-11-25 我要評(píng)論(0 )   

目前,雖然太陽(yáng)能電池板市場(chǎng)(2010年生產(chǎn)18.2 GWP)的主宰仍是晶硅太陽(yáng)能電池,但是,基于硫族化合物(S,SE和TE)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù),將大大增加它們的市場(chǎng)滲透。例如,...

       目前,雖然太陽(yáng)能電池板市場(chǎng)(2010年生產(chǎn)18.2 GWP)的主宰仍是晶硅太陽(yáng)能電池,但是,基于硫族化合物(S,SE和TE)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù),將大大增加它們的市場(chǎng)滲透。例如,F(xiàn)irst Solar2010年生產(chǎn)15億瓦的碲化鎘(CdTe)組件,估計(jì)2011年底會(huì)達(dá)到23億瓦。其他碲化鎘公司,比如普萊姆星公司(Prime star)就屬于能源巨頭通用電氣公司,它正在加速碲化鎘生產(chǎn),而很多其他公司,如Solar Frontier,邁阿太陽(yáng)公司(Mia sole),Ascent,納米太陽(yáng)能公司(Nano solar)等,都在集中搞銅銦鎵(DI)硒(CIGS:copper indium gallium (di)selenide)太陽(yáng)能電池。銅銦鎵硒有可能達(dá)到更高的效率,實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備效率已達(dá)20.3%。

除了設(shè)備性能之外,價(jià)格波動(dòng)問題(特別是銦),稀土稀缺性問題(例如碲),以及潛在的環(huán)境問題(如鎘的毒性問題),都已引起一些人顧慮碲化鎘和銅銦鎵硒。最先找到的下一代薄膜光伏材料,就是低成本季銅鋅錫硫(CZTS:quaternary copper-zinc-tin-sulfide)和銅鋅錫硫族(CZTSSe:copper-zinc-tin-chalcogenide)。值得注意的是,這些材料包含地殼中豐富的天然元素,毒性非常低。

“從歷史上看,大部分季銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池的合成,是采用真空沉積金屬前體,之后再硫化,”休哥W ·希爾豪斯(Hugh W. Hillhouse)說(shuō),他是華盛頓大學(xué)(University of Washington)化學(xué)工程系任伯格(Rehnberg)首席教授。“然而,這種方法具有挑戰(zhàn)性,原因是成本、空間異質(zhì)性成分和所形成的二元化合物,如硫化鋅(ZnS)。因此,他們正在開發(fā)一些溶液為基礎(chǔ)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池化學(xué)技術(shù),以顯著降低生產(chǎn)成本,提高性能。”

當(dāng)前的紀(jì)錄,銅鋅錫硫族太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率超過10.1%,這一紀(jì)錄是由米茲(Mitzi)和IBM的同事制造的(《高效率太陽(yáng)能電池采用地球上豐富的液體處理吸收劑》),使用的前體需要用肼(hydrazine)穩(wěn)定,肼是一種具有肝毒性、易爆的致癌溶劑。

有一篇論文發(fā)表在最近一期《先進(jìn)能源材料》上,就是《地球上豐富的光伏元素直接來(lái)自可溶性前體高產(chǎn)量需使用無(wú)毒溶劑》(Earth-Abundant Element Photovoltaics Directly from Soluble Precursors with High Yield Using a Non-Toxic Solvent),希爾豪斯和他的小組表明,還有其他的化學(xué)方法,使用更加良性的溶劑,這需要演示一種簡(jiǎn)單輕便的液相法(solution phase method),以制成季銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池,使用市售前體和無(wú)毒溶劑,也可高產(chǎn)。
 

 

銅鋅錫硫族光電器件的橫截面

  在這項(xiàng)工作中,一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是有了一些替代品,這樣,不再使用納米晶體油墨或有毒溶劑如肼,也可以產(chǎn)生高效溶液加工的太陽(yáng)能電池。

“事實(shí)上,對(duì)于溶液加工無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池有什么可能性,我們很可能只是抓住了表面,”希爾豪斯說(shuō)。

他淺顯的新化學(xué)方法制備銅鋅錫硫族薄膜太陽(yáng)能電池,需采用旋涂溶液,就是一種高度可溶、價(jià)格便宜的市售前體,還有環(huán)保無(wú)毒溶劑,即二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide),這樣,就可形成高質(zhì)量銅鋅錫硫族薄膜,在涂有鉬(molybdenum)的內(nèi)石灰(sodalime)玻璃上隨后進(jìn)行硒化(selenization)。制成的太陽(yáng)能電池設(shè)備具有空氣穩(wěn)定性,呈現(xiàn)的效率是4.1%。

希爾豪斯指出,從前體到薄膜,用這種方法摻合的金屬量可接近100%,采用納米晶體油墨方法就不是這樣的情況,但可以制成效率7.2%的設(shè)備。

這種新穎的加工方法打開了一扇大門,可以制造成本低、用溶液加工制備的薄膜太陽(yáng)能電池,就采用地球上豐富的元素。吸收層沉積,可以采用狹縫擠壓涂層(slot die coating),間壁涂層,或其他易于升級(jí)的工藝。
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“到目前為止,都很少了解這種基本電子屬性、缺陷物理學(xué)、熱力學(xué),或季銅鋅錫硫的形成動(dòng)力學(xué),甚至更不太了解基于季銅鋅錫硫的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電器件,”希爾豪斯說(shuō)。“單結(jié)太陽(yáng)能電池的理論效率極限,使用季銅鋅錫硫或銅鋅錫硫族均超過30%,很可能,一旦這些基本條件到位,季銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池有朝一日就可以取代銅銦鎵硒、碲化鎘,甚至硅基光伏發(fā)電技術(shù)。”

 

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