光敏陶瓷知识点分享之太阳能电池应用- 大数跨境

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光敏陶瓷知识点分享之太阳能电池应用

CERADIR先进陶瓷在线

2021-09-14

导读：光敏陶瓷也被称为光敏电阻瓷，属于半导体陶瓷，它在光的照射下，吸收光能，产生光电导或光生伏特效应。

前情提要

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光敏陶瓷知识点分享之【材料工艺】

光敏陶瓷知识点分享之【制备工艺】

光敏陶瓷知识点分享之【材料特性】

太阳能电池是以太阳光为光源的光电池，它在国计民生中越来越显出它的重要性。由于它质量轻，可靠性高，寿命长，能承受各种环境的变化，又成了空间技术中重要的能源。因此太阳能电池是一种非常有前途的能源。本周我们将对太阳能电池这一光敏陶瓷的材料特性进行简略介绍：

1 太阳能电池的效应

（1)光生伏特效应

暗态时，p-n结处于热平衡条件下，扩散电流与漂移电流相等，当光照射时，其平衡就被破坏，产生非平衡载流子。

图.光伏陶瓷瓦via网络

（2)光电转换效率

太阳光是连续光谱，不同波长的光有不同的能量。光子能量等于禁带宽度时，能直接产生光电效应，光能转换成电能。光子能量大于禁带宽度时，相当于禁带宽度的那部分能量转换成电能。多余的能量传递给晶格，加强晶格振动，变成热能损耗掉。光子的能量小于禁带宽度时，以同样的方式变成热能损耗掉或透射过去，因此使太阳光转换成电能的效率降低了。

光子的能量大于禁带宽度时，超过的那部分能量也造成热损耗，如果光电池的禁带宽度越宽，造成的低能光子损耗越大，导致光电转换效率越低，因此使用禁带很宽的材料作太阳能电池是不利的。但是，光子能量大于禁带宽度，超过的那部分能量也造成热损耗，如果光电池的禁带宽度过窄，由于高能光子造成的损耗也会导致光电转换效率下降，也不宜作光电池材料。

实际上，太阳能电池的转换效率不仅受光子激发利用率的限制，还要受材料表面的反射损耗，电子空穴对复合损失等多种因素的限制。理论研究表明，转换效率的理论值可达25%左右，但实验的最高值小于23%,一般产品的转换率都在10%以下。综合考虑了影响光电转换效率的诸因素之后得知，光敏材料的禁带宽度在1.0~1.6eV较合适。

表1 部分半导体材料的禁带宽度

从禁带宽度来看，Si、Cu₂S、GaAs、CdTe等都适合制造太阳能电池。其中Si、GaAs常用作单晶或多晶薄膜太阳能电池材料，而Cu₂S、CdTe常用作陶瓷太阳能材料。

2 Cu₂S-CdS陶瓷太阳能电池

Cu₂S-CdS陶瓷太阳能电池常用烧结－电化学法制造。首先将高纯CdS研细，放入石英舟，在氮气中（含氧量＜200×10^-6)750~780℃预处理3h,注意粉末必须保持金黄色，不能发黑，预处理后在玛瑙研钵中研细，加适量聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，干压成型，然后烧结。烧结必须在氮气流中进行，其氧含量应小于1000×10^-6,烧结温度为800℃，保温5~7h，冷却至室温后再去氮气。

Cu₂S-CdS陶瓷工艺流程图：

原材料处理——压片——烧成——加负电极——电化学处理——加正电极——装配

Cu₂S-CdS太阳能电池，虽然不如硅太阳能电池，但它的成本低，而辐射能力比硅太阳能电池强。因此在空间技术中已有应用。它的主要缺点是有Cu离子迁移，使Cu离子扩散到CdS中，造成太阳能电池性能不稳定。

Cu₂S-CdS太阳能电池的另一个缺点是光电转换效率不高，其原因之一是：虽然Cu2S和CdS同属于纤锌矿型，但Cu₂S的c轴长为56nm,而CdS的c轴长为58. 5nm,由于晶格参数的差异，使异质结面存在大量位错，导致复合率高，以致转换效率无法提高。近来有人在CdS中固溶一定量的Zn,当组分为Cd_0.57Zn_0.43S时，可使其晶格参数与Cu₂S完全一致，这对提高转换效率有显著效果。

3 薄膜Cu₂S-CdS太阳能电池

薄膜太阳能电池可以镀在有机薄膜上，其面积大、体积小、自重轻是太阳能电池的主要形式。

蒸发镀膜可用真空镀膜机，也可用电炉。蒸发前要做准备工作，首先要利用陶瓷技术制造CdS烧结体，它的比电阻要控制在0.5~1.0Ω·cm,方能适合太阳能电池的要求。另一个准备工作是把基板镀上导电膜，可以是锌也可以是透明导电SnO₂薄膜。

蒸镀膜时烧结体CdS放入坩埚中，基板用夹具夹好，放入电炉。蒸发源CdS要保持800~1100℃,低于800℃CdS蒸发慢，析出速度小。高于1100℃CdS析出速度过快，膜的厚度难以控制。基板温度应控制在250~500℃之间。基板温度在250℃以下，膜是非晶质的，主要成分是Cd。高于500℃造成膜的再蒸发，而得不到CdS膜。蒸发时的气氛对于成膜速度也有影响，在氮气或惰性气体的气氛中，成膜速度小，5μm/h以下，膜的电阻高，结晶性不好。在氢或含氢的气氛中，成膜速度快，为0.3~0.5μm/min，结晶性良好，无针孔。

已经形成的CdS膜，放入CuSO₄的温水溶液中浸泡，或在含铜离子的水溶液中把它当阴极，铜板做阳极，二者之间通以微弱的电流，在CdS表面形成p型Cu_2-xS层，并在Cu_2-xS表面形成格子状电极，它作阳极，导电性极板作阴极，就成了太阳能电池。基板不透明时，太阳光从阳极Cu_2-xS处进入，这种太阳能电池称为前壁式太阳能电池。基板透明时，太阳光可从CdS层进入，这种太阳能电池称后壁式太阳能电池。

4 CdTe-CdS太阳能电池

CdTe-CdS太阳能电池是一种厚膜型烧结膜电池，它的制造过程如下：首先把CdS制成浆料，用丝网印刷法印刷到玻璃基板上，干燥后，在氮气气氛中650℃烧成，这样可以得到一宽禁宽（2.4eV)的半导体CdS层，凡能量小于2.4eV的光子都可以透过CdS膜，所以利用它作光学窗口，使转换效率提高，这在光电池中有非常重要的意义。

在CdS层上掺Zn的CdTe用作n型衬底，其禁带宽度Eg=1.44eV，作为光子吸收层用。

接着用浸泡法在CdTe上形成p型CuTe,最后形成p-n结。在Cu₂Te层上涂敷银电极，并在CdS窗口的露出部分涂敷上In-Ga电极，焊上引线，装配成太阳能电池。

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