CdTe蹄化鎘薄膜光伏電池技術研究
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【摘 要】CdTe（蹄化鎘）薄膜光伏電池技術是通過對CdTe薄膜特性、光電轉換效率、高效充電特性的研究，提出一種制作CdTe（蹄化鎘）薄膜光伏電池的方法。該技術采用了矩陣開關電路，解決了強弱光自適應及低功耗的技術難題;采用非對稱的多個電池芯、電芯開關電路和控制軟件，提高了電池的使用壽命。
【關鍵詞】CdTe;薄膜;光伏電池
【中圖分類號】TM914.42 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0049-02
1 研究背景
目前，光伏電池市場的主流產品是以晶硅技術為主的光伏電池，晶硅電池又分晶體光電池和非晶體光電池。其中，晶體光電池生產工藝成熟，轉換效率高，仍是現階段光伏市場的主導產品。雖然太陽能被視為清潔能源，但晶體硅的提煉過程卻是高能耗、高污染的工序。面對全球氣候變暖、二氧化碳排放量超標等問題，晶硅光電池未來的發展令人擔憂。
CdTe（碲化鎘）是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，帶隙1.5eV，和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光;其理論轉換效率達30%，是非常理想的光伏材料。CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池在成本上大大低于晶體硅和其他材料的太陽能電池，具有低能耗、可回收（生命周期結束后）、強弱光均可發電、溫度越高表現越好等特點。擁有如此多優勢的CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池在全球市場占有率上已經開始向傳統晶體硅太陽能電池發起了挑戰。
2 CdTe（蹄化鎘）薄膜光伏電池
CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池簡稱CdTe電池，是一種以P型碲化鎘（CdTe）和N型硫化鎘（CdS）的異質結為基礎的太陽能電池。一般標準的碲化鎘薄膜太陽能電池由5層結構組成，即玻璃襯底、透明導電氧化層（TCO層）、硫化鎘（CdS）窗口層、碲化鎘（CdTe）吸收層、背接觸層和背電極。
與結晶硅太陽電池不同，薄膜型太陽電池僅需要一層極薄的光電材料，因此其所使用材料量相對較低。此外，薄膜的基板可使用軟性或硬性的基材，可選擇性高，制作成本一般低于結晶硅太陽電池，為其成本的30%～40%。薄膜型太陽電池目前已有或正在開發的包括非晶硅、碲化鎘薄膜、染料敏化、銅銦硒、銅銦鎵硒合金薄膜等薄膜太陽電池。在這幾類太陽電池中，硅類太陽電池生產規模最大，技術成熟，而且由于薄膜電池用材省，成本低，現已成為研究的熱點。碲化鎘薄膜太陽電池屬于II-VI族化合物半導體，其結構主體由2μm層的P-型CdTe層與僅0.1μm的N-型窗口CdS膜層形成，光子吸收層主要發生于CdTe層，吸光效率系數>105 cm-1，故厚度相當薄，并可吸收90%以上的光，轉換效率在8%以上，成為目前有較大趨勢取代硅類太陽電池的潛力品種。
目前，CdTe（碲化鎘）薄膜太陽電池在生產工藝上主要采用近距蒸發方法（CSS）制作薄膜太陽電池，制作方法復雜，生產效率不高。本技術從生產碲化鎘太陽電池的工藝著手進行研究開發，目的在于較大幅度地降低其生產成本，降低太陽能電池的價格，提高薄膜太陽能電池的吸光率和對薄膜太陽電池板的保護。
3 CdTe（蹄化鎘）高效充電的研究
本文進行了硅晶電池和碲化鎘電池光電轉換效率實驗的研究，主要是在相同的陽光照射條件下，測試硅晶電池和碲化鎘電池的充電特性;測量硅晶電池和碲化鎘電池充電電量，計算兩種電池充電量的差別等，從而驗證硅晶電池和碲化鎘電池光電轉換效率。
3.1 實驗目的
驗證硅晶電池和碲化鎘電池光電轉換效率。
3.2 實驗設備
2組硅晶光伏電池板（每組10塊）、2組碲化鎘太陽能光伏電池板（每組10塊）、光伏電池架、蓄電池、光電傳感器、電流表、電腦、分析軟件等。
3.3 實驗原理
本實驗原理如下：采用太陽光直接照射2組不同材料的太陽能光伏電池板，光伏電池板將吸收的光能直接轉化成電能，給蓄電池充電。在相同時間內，測量2組不同材料的太陽能光伏電池板對蓄電池充電的電量，通過計算得出2組不同材料的太陽能光伏電池板的光電轉化效率。
3.4 實驗電路連接
①將20塊碲化鎘光伏電池板每10塊串聯成一組，共串成2組，再將2組并聯成1組;并將光電傳感器、電流表分別接入電路;最后將蓄電池接入電路。②將20塊硅晶光伏電池板也如上述方法接入電路。
3.5 實驗過程
①將2個蓄電池放電，放電完成后，記錄最后剩余電量，要求2個蓄電池的剩余電量相同。②按實驗電路連接要求，連接好電路;要求電池板正對陽光。③實驗時間設定為10 h，從8點開始，到18點測試結束。④實驗數據每30 min記錄1次，每種電池板數據記錄共20組。
3.6 實驗數據
實驗數據見表1。
3.7 實驗結果與分析
從實驗測試數據我們可以得出以下結論：①相同條件下，碲化鎘光伏電池板平均充電電流為2.76 A;硅晶光伏電池板平均充電電流為1.84 A;碲化鎘光伏電池板充電電流高于硅晶光伏電池板的充電電流。②相同條件下，碲化鎘光伏電池板10 h充電電量為1 933.74 Ah;而硅晶光伏電池板10 h充電電量只有1 291.66 Ah，比碲化鎘少了642.08 Ah。③碲化鎘光伏電池板充電效率是硅晶光伏電池板的1.5倍。
4 非對稱電池組技術的應用
多電芯電池技術在很多領域已經有應用，但主要是用于提升蓄電池的總體容量或輸出電壓，而在本技術中，我們將采用非對稱電池組技術解決太陽能電池應急快速充電功能和電池壽命保護的難題。非對稱蓄電池組包括1個小容量的蓄電池單元和1個或多個大容量蓄電池單元，利用太陽能電池供電的裝置對非對稱蓄電池充電的電路。 該技術利用了小容量蓄電池單元充電時間較短的特性，在正常使用過程中，通過定期檢測各電芯電壓情況，合理選擇充電、放電電芯，防止單一電芯頻繁充放電的情況，有效保護了電池的使用壽命。
5 技術的創新性
①采用矩陣開關電路，解決了強弱光自適應及低功耗的技術難題。通過檢測單元和控制軟件，實現光電轉化最大功率輸出的智能矩陣控制技術，具有智能、高效、低成本等明顯優勢。②率先采用非對稱的多個電池芯、電芯開關電路和控制軟件，實現了太陽能電池快速給蓄電池充電、設備快速反應的功能，并且有效提高蓄電池的使用壽命。③采用聚光鋼化玻璃、增透膜技術、光電轉換板分組設計等技術，提高了光電板的光能利用率。
6 CdTe（蹄化鎘）薄膜光伏電池制作技術
本技術研究目的在于提供一種CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池的制作技術及方法，用于提高現有技術中碲化鎘薄膜太陽能電池的吸光率和耐磨率，并且降低現有技術中碲化鎘薄膜太陽能電池生產成本高的問題。
CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池由吸光防護層、玻璃層、碲化鎘層、硫化鎘層、石墨層和背電極層組成。碲化鎘薄膜太陽能電池各層的厚度分別如下：吸光防護層為50～100 nm、玻璃層為10～15μm、碲化鎘層為10～15μm、硫化鎘層為200～350 nm、石墨層為100～200 nm、背電極層為200～350 nm。
CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池的制作方法如下：①制備硫化鎘和碲化鎘顆粒。②把制備的硫化鎘和碲化鎘顆粒制備成膠體液并依次涂布在玻璃層上，分別進行烘干。③在烘干的碲化鎘層上采用真空鍍膜的方法依次噴涂石墨層和背電極層。④在玻璃層上粘貼吸光防護層，完成碲化鎘薄膜太陽能電池的制作。本制備方法提高了碲化鎘薄膜太陽能電池的吸光率和耐磨率，降低了碲化鎘薄膜太陽能電池生產成本。
7 結語
CdTe（碲化鎘）薄膜太陽能電池在成本上大大低于晶體硅和其他材料的太陽能電池，和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光。同時，它具有低能耗、可回收（生命周期結束后）、強弱光均可發電、溫度越高表現越好等特點。因此，碲化鎘薄膜太陽能電池是目前較為理想的替代傳統晶體硅太陽能電池的原料，它的替代完成將結束晶體硅在提煉過程中的高能耗、高污染歷史，達到效益、節能及環?！叭A”的效果。
參 考 文 獻
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[責任編輯：鐘聲賢]
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