薄膜太陽能電池

　　薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm，目前轉換效率最高以可達13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大，可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份，應用非常廣泛。
　　非晶硅(a-Si)太陽電池是在玻璃(glass)襯底上沉積透明導電膜(TCO)，然后依次用等離子體反應沉積p型、i型、n型三層a-Si，接著再蒸鍍金屬電極鋁(Al).光從玻璃面入射，電池電流從透明導電膜和鋁引出，其結構可表示為glass/TCO/pin/Al，還可以用不銹鋼片、塑料等作襯底。
　　硅材料是目前太陽電池的主導材料，在成品太陽電池成本份額中，硅材料占了將近40%，而非晶硅太陽電池的厚度不到1μm，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，這就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太陽電池的制造溫度很低(～200℃)、易于實現大面積等優點，使其在薄膜太陽電池中占據首要地位，在制造方法方面有電子回旋共振法、光化學氣相沉積法、直流輝光放電法、射頻輝光放電法、濺謝法和熱絲法等。特別是射頻輝光放電法由于其低溫過程(～200℃)，易于實現大面積和大批量連續生產，現成為國際公認的成熟技術。在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口層、梯度界面層、μC-SiC p層等，明顯改善了電池的短波光譜響應.這是由于a-Si太陽電池光生載流子的生成主要在i層，入射光到達i層之前部分被p層吸收，對發電是無效的.而a-SiC和μC-SiC材料比p型a-Si具有更寬的光學帶隙，因此減少了對光的吸收，使到達i層的光增加；加之梯度界面層的采用，改善了a-SiC/a-Si異質結界面光電子的輸運特性.在增加長波響應方面，采用了絨面TCO膜、絨面多層背反射電極(ZnO/Ag/Al)和多帶隙疊層結構，即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al結構.絨面TCO膜和多層背反射電極減少了光的反射和透射損失，并增加了光在i層的傳播路程，從而增加了光在i層的吸收.多帶隙結構中，i層的帶隙寬度從光入射方向開始依次減小，以便分段吸收太陽光，達到拓寬光譜響應、提高轉換效率之目的。在提高疊層電池效率方面還采用了漸變帶隙設計、隧道結中的微晶化摻雜層等，以改善載流子收集。
普通電池的原理、發展史
　　電池是一種能量轉化與儲存的裝置。它通過反應將化學能或物理能轉化為電能。電池即一種化學電源，它由兩種不同成分的電化學活性電極分別組成正負極，兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質中，當連接在某一外部載體上時，通過轉換其內部的化學能來提供能。作為一種電的貯存裝置，當兩種金屬（通常是性質有差異的金屬）浸沒于電解液之中，它們可以導電，并在“極板”之間產生一定電動勢。電動勢大小（或電壓）與所使用的金屬有關，不同種類的電池其電動勢也不同。
　　電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。
　　電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時，電池非靜電力（化學力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的大小無關。
　　電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。電池的能量儲存有限。電池的容量與電極物質的數量有關，即與電極的體積有關。
　　在電池反應中，1千克反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。
　　電池的面積越大，其內阻越小。　
　　實用的化學電池可以分成兩個基本類型：原電池與蓄電池。原電池制成后即可以產生電流，但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池，使用前須先進行充電，充電后可放電使用，放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時，電能轉換成化學能；放電時，化學能轉換成電能。
電池的發展史
　　在古代，人類有可能已經不斷地在研究和測試“電”這種東西了。一個被認為有數千年歷史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格達附近被發現。它有一根插在銅制圓筒里的鐵條－可能是用來儲存靜電用的，然而瓶子的秘密可能永遠無法被揭曉。
　　不管制造這個粘土瓶的祖先是否知道有關靜電的事情，但可以確定的是古希臘人絕對知道。他們曉得如果磨擦一塊琥珀，就能吸引輕的物體。亞里斯多德(Aristotle)也知道有磁石這種東西，它是一種具有強大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。
　　1780年的一天，意大利解剖學家伽伐尼在做青蛙解剖時，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而只用一種金屬器械去觸動青蛙，卻并無此種反應。伽伐尼認為，出現這種現象是因為動物軀體內部產生的一種電，他稱之為“生物電”。伽伐尼于1791年將此實驗結果寫成論文，公布于學術界。
　　伽伐尼的發現引起了物理學家們極大興趣，他們競相重復枷伐尼的實驗，企圖找到一種產生電流的方法，意大利物理學家伏特在多次實驗后認為：伽伐尼的“生物電”之說并不正確，青蛙的肌肉之所以能產生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點，伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進行試驗。結果發現，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發生了化學反應，金屬片之間就能夠產生電流。
　　1799年，伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發現連接兩塊金屬的導線中有電流通過。于是，他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來。用手觸摸兩端時，會感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功的制成了世界上第一個電池──“伏特電堆”。這個“伏特電堆”實際上就是串聯的電池組。它成為早期電學實驗，電報機的電力來源。
　　意大利物理學家伏打就多次重復了伽伐尼的實驗。作為物理學家，他的注意點主要集中在那兩根金屬上，而不在青蛙的神經上。對于伽伐尼發現的蛙腿抽搐的現象，他想這可能與電有關，但是他認為青蛙的肌肉和神經中是不存在電的，他推想電的流動可能是由兩種不同的金屬相互接觸產生的，與動物無關。實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過的（甚至只要是濕和）硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西（他認為這是使實驗成功所必須的），并用金屬線把兩個金屬片連接起來，不管有沒有青蛙的肌肉，都會有電流通過。這就說明電并不是從蛙的組織中產生的，蛙腿的作用只不過相當于一個非常靈敏的驗電器而已。
　　1836年，英國的丹尼爾對“伏打電堆”進行了改良。他使用稀硫酸作電解液，解決了電池極化問題，制造出第一個不極化，能保持平衡電流的鋅─銅電池，又稱“丹尼爾電池”。此后，又陸續有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。但是，這些電池都存在電壓隨使用時間延長而下降的問題。
　　1860年，法國的普朗泰發明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段使電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“蓄電池”。
　　然而，無論哪種電池都需在兩個金屬板之間灌裝液體，因此搬運很不方便，特別是蓄電池所用液體是硫酸，挪動時很危險。
　　也是在1860年，法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發明了世界廣受使用的電池（碳鋅電池）的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負極，經證明是作為負極材料的最佳金屬之一)，而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，所以一直到1880年才被改進的“干電池”取代。負極被改進成鋅罐（即電池的外殼），電解液變為糊狀而非液體，基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。
　　1887年，英國人赫勒森發明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應用。
電池的原理
　　在化學電池中，化學能直接轉變為電能是靠電池內部自發進行氧化、還原等化學反應的結果，這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質由電位較負并在電解質中穩定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較正并在電解質中穩定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類，含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。當外電路斷開時，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，存儲在電池中的化學能并不轉換為電能。當外電路閉合時，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內部，由于電解質中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質與電解質界面的氧化或還原反應，以及反應物和反應產物的物質遷移。電荷在電解質中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此，電池內部正常的電荷傳遞和物質傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時，電池內部的傳電和傳質過程的方向恰與放電相反；電極反應必須是可逆的，才能保證反方向傳質與傳電過程的正常進行。因此，電極反應可逆是構成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應自由能增量(焦)；F為法拉第常數=96500庫=26.8安•小時；n為電池反應的當量數。這是電池電動勢與電池反應之間的基本熱力學關系式，也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學方程式。實際上，當電流流過電極時，電極電勢都要偏離熱力學平衡的電極電勢，這種現象稱為極化。電流密度（單位電極面積上通過的電流）越大，極化越嚴重。極化現象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有三：①由電池中各部分電阻造成的極化稱為歐姆極化；②由電極－電解質界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化；③由電極－電解質界面層中傳質過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。
電池主要性能參數
　　電池的主要性能包括額定容量、額定電壓、充放電速率、阻抗、壽命和自放電率。
　　額定容量
　　在設計規定的條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下，電池應能放出的最低容量，單位為安培小時，以符號C表示。容量受放電率的影響較大，所以常在字母C的右下角以阿拉伯數字標明放電率，如C20=50，表明在20時率下的容量為50安•小時。電池的理論容量可根據電池反應式中電極活性物質的用量和按法拉第定律計算的活性物質的電化學當量精確求出。由于電池中可能發生的副反應以及設計時的特殊需要，電池的實際容量往往低于理論容量。
　　額定電壓
　　電池在常溫下的典型工作電壓，又稱標稱電壓。它是選用不同種類電池時的參考。電池的實際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開路電壓等于正、負電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質的種類有關，而與活性物質的數量無關。電池電壓本質上是直流電壓，但在某些特殊條件下，電極反應所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會造成電壓的微小波動，這種現象稱為噪聲。波動的幅度很小但頻率范圍很寬，故可與電路中自激噪聲相區別。
　　充放電速率
　　有時率和倍率兩種表示法。時率是以充放電時間表示的充放電速率，數值上等于電池的額定容量(安•小時)除以規定的充放電電流（安）所得的小時數。倍率是充放電速率的另一種表示法，其數值為時率的倒數。原電池的放電速率是以經某一固定電阻放電到終止電壓的時間來表示。放電速率對電池性能的影響較大。
　　阻抗
　　電池內具有很大的電極-電解質界面面積，故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯回路。但實際情況復雜得多，尤其是電池的阻抗隨時間和直流電平而變化，所測得的阻抗只對具體的測量狀態有效。
　　壽命
　　儲存壽命指從電池制成到開始使用之間允許存放的最長時間，以年為單位。包括儲存期和使用期在內的總期限稱電池的有效期。儲存電池的壽命有干儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環壽命是蓄電池在滿足規定條件下所能達到的最大充放電循環次數。在規定循環壽命時必須同時規定充放電循環試驗的制度，包括充放電速率、放電深度和環境溫度范圍等。
　　自放電率
　　電池在存放過程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時間內自放電損失的容量占儲存前容量的百分數表示。
化學電池
　　化學電池，是指通過電化學反應，把正極、負極活性物質的化學能，轉化為電能的一類裝置。經過長期的研究、發展，化學電池迎來了品種繁多，應用廣泛的局面。大到一座建筑方能容納得下的巨大裝置，小到以毫米計的品種。無時無刻不在為我們的美好生活服務。現代電子技術的發展，對化學電池提出了很高的要求。每一次化學電池技術的突破，都帶來了電子設備革命性的發展。現代社會的人們，每天的日常生活中，越來越離不開化學電池了。現在世界上很多電化學科學家，把興趣集中在做為電動汽車動力的化學電池領域。
干電池和液體電池
　　干電池和液體電池的區分僅限于早期電池發展的那段時期。最早的電池由裝滿電解液的玻璃容器和兩個電極組成。后來推出了以糊狀電解液為基礎的電池，也稱做干電池。
　　現在仍然有“液體”電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些做為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對于移動設備，有些使用的是全密封，免維護的鉛酸蓄電池，這類電池已經成功使用了許多年，其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸付的。
一次性電池和可充電電池
　　一次性電池俗稱“用完即棄”電池，因為它們的電量耗盡后，無法再充電使用，只能丟棄。常見的一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池、水銀電池、氫氧電池和鎂錳電池。
　　可充電電池按制作材料和工藝上的不同，常見的有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其優點是循環壽命長，它們可全充放電200多次，有些可充電電池的負荷力要比大部分一次性電池高。普通鎳鎘、鎳氫電池使用中，由于記憶效應，造成使用上的不便，常常引起提前失效。
　　電池的理論充電時間
　　電池的理論充電時間：電池的電量除以充電器的輸出電流。
　　例如：以一塊電量為800MAH的電池為例，充電器的輸出電流為500MA那么充電時間就等于800MAH/500MA=1.6小時，當充電器顯示充電完成后，最好還要給電池大約半個小時左右的補電時間。
燃料電池
　　燃料電池是一種將燃料的化學能透過電化學反應直接轉化成電能的裝置。燃料電池是利用氫氣在陽極進行的是氧化反應，將氫氣氧化成氫離子，而氧氣在陰極進行還原反應，與由陽極傳來的氫離子結合生成水。氧化還原反應過程中就可以產生電流。燃料電池的技術產生了：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態氧化物燃料電池（SOFC），以及直接甲醇燃料電池（DMFC）等，而其中，利用甲醇氧化反應作為正極反應的燃料電池技術，更是被業界所看好而積極發展。
薄膜太陽能電池說明
　　薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前實驗室轉換效率最高已達20%以上，規模化量產穩定效率最高約13%。薄膜太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大，可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術，一層又一層地把p-型或n-型材料長上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。
薄膜太陽能電池的種類
　　非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半導體II-VI 族[CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2]、染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell，簡稱DSSC)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物)..等。
薄膜太陽能模塊結構圖
　　薄膜太陽能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層..等所構成的。
薄膜太陽電池產品應用
　　半透明式的太陽能電池模塊：建筑整合式太陽能應用(BIPV)
　　薄膜太陽能之應用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行
　　薄膜太陽能模塊之應用：屋頂、建筑整合式、遠程電力供應、國防
太陽能電池厚度比較
　　晶體硅(180～250μm)、單結非晶硅薄膜(600nm)，疊層非晶硅薄膜（800nm）。
薄膜太陽能電池的特色
　　1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發電性佳)
　　2.照度相同下損失的功率較晶圓太陽能電池少
　　3.有較佳的功率溫度系數
　　4.較佳的光傳輸
　　5.較高的累積發電量
　　6.只需少量的硅原料
　　7.沒有內部電路短路問題(聯機已經在串聯電池制造時內建)
　　8.厚度較晶圓太陽能電池薄
　　9.材料供應無慮
　　10.可與建材整合性運用(BIPV)
薄膜太陽能電池的種類
　　非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半導體II-IV 族[CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物)..等
發展趨勢
　　近年來,業界對以薄膜取代硅晶制造太陽能電池在技術上已有足夠的把握。日本產業技術綜合研究所于去年2月已經研制出目前世界上太陽能轉換率最高的有機薄膜太陽能電池，其轉換率已達到現有有機薄膜太陽能電池的4倍。此前的有機薄膜太陽能電池是把兩層有機半導體的薄膜接合在一起，從太陽能到電能的轉換率約為1%。新型有機薄膜太陽能電池在原有的兩層構造中間加入一種混合薄膜，變成三層構造，這樣就增加了產生電能的分子之間的接觸面積，從而大大提高了太陽能轉換率。
　　可折疊薄膜的太陽能電池是一種利用非晶硅結合PIN光電二極管技術加工而成的薄膜太陽能電池。此系列產品具有柔軟便攜、耐用、光電轉換效率高等特點；可廣泛應用于電子消費品、遠程監控/通訊、軍事、野外/室內供電等領域。
　　有機薄膜太陽能電池使用塑料等質輕柔軟的材料為基板，因此人們對它的實用化期待很高。研究人員表示，通過進一步研究，有望開發出轉換率達20%、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。專家認為,未來5年內薄膜太陽能電池將大幅降低成本，屆時這種薄膜太陽能電池將廣泛用于手表、計算器、窗簾甚至服裝上。
　　早在10年前，科學家就發明了一種比頭發還要細的太陽能電池，由于其所使用的半導體原料遠較一般太陽能電池為少，因此可解決太陽能電池價格高昂的問題。后來，研究人員使用稱為CIS的復合半導體的技術，將2～3微米厚的CIS放在玻璃等物料上，制成薄膜太陽能電池。它比傳統以矽制成的太陽能電池薄100倍，實際上比頭發還要薄，它亦較輕和使用較少半導體物料，售價因此較便宜并可大量生產。
　　傳統的矽電池需大量半導體物料，價格昂貴，因此無法普及，而且由于較笨重，其應用范圍受限制。薄膜電池卻只需要將廉價物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可，價錢便宜而且輕便。
　　有機薄膜太陽能電池使用塑料等質輕柔軟的材料為基板，因此人們對它的實用化期待很高。研究人員表示，通過進一步研究，有望開發出轉換率達20%、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。專家相信,不久的將來，薄膜材料的太陽能電池將出現在人們的日常生活中。
　　目前，世界上至少有40個國家正在開展對下一代低成本、高效率的薄膜太陽能電池實用化的研究開發。
　　IBM公司2009年公布的“IBM未來五年的五項創新”(IBM Next Five in Five)，列出了在未來5年有望改變人們工作、生活和娛樂方式的創新，其中即包括了薄膜太陽能電池的普及應用。