為了尋找單晶硅電池的替代品,，人們除開(kāi)發(fā)了多晶硅，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外,，又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物,，硫化鎘,，碲化鎘及銅錮硒薄膜電池等。
上述電池中,，盡管硫化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高,，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn),，但由于鎘有劇毒,，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此,，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代,。砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。
砷化鎵太陽(yáng)能電池
GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料,，其能隙為1.4eV,，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值,，與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫,，在250℃的條件下,，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%,，特別適合做高溫聚光太陽(yáng)電池,。
砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)制造,，這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸,，比硅晶圓的12英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機(jī)臺(tái),，同時(shí)砷化鎵原材料成本高出硅很多,，最終導(dǎo)致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種,，一種是化學(xué)的MOCVD,，一種是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù),，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò),，反應(yīng)壓力，III-V比率,，總流量等諸多參數(shù)的影響,。 GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達(dá)29.5%(一般在19.5%左右) ,，產(chǎn)品耐高溫和輻射,，但生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量受限,，目前主要作空間電源用,。以硅片作襯底， MOCVD技術(shù)異質(zhì)外延方法制造GaAs電池是降用低成本很有希望的方法,。已研究的砷化鎵系列太陽(yáng)電池有單晶砷化鎵,，多晶砷化鎵，鎵鋁砷--砷化鎵異質(zhì)結(jié),，金屬-半導(dǎo)體砷化鎵,，金屬--絕緣體--半導(dǎo)體砷化鎵太陽(yáng)電池等。
砷化鎵材料的制備類似硅半導(dǎo)體材料的制備,，有晶體生長(zhǎng)法,，直接拉制法，氣相生長(zhǎng)法,，液相外延法等,。由于鎵比較稀缺,，砷有毒，制造成本高,，此種太陽(yáng)電池的發(fā)展受到影響,。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb,，GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā),。
1998年德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2%，為歐洲記錄,。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7%,。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs,，Gasb電池,，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池,，下電池用的是Gasb,，所得到的電池效率達(dá)到31.1%。
砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感,，適合于制造高效單結(jié)電池,。但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及,。
銅銦硒電池
銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱CIC.CIS材料的能降為1.leV,，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換，另外,，CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題,。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目,。
CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅,，銦和硒,，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS,。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15%左右,。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3%(面積1cm2) ,。1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率17.l%的CIS太陽(yáng)能電池,，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率,。預(yù)計(jì)到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%，相當(dāng)于多晶硅太陽(yáng)能電池,。 CIS作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料,，具有價(jià)格低廉，性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向,。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素,，因此,，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
碲化鎘太陽(yáng)能電池
CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體,，帶隙1.5eV,，與太陽(yáng)光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換,，是一種良好的PV材料,，具有很高的理論效率（28%），性能很穩(wěn)定,，一直被光伏界看重,，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜,，沉積速率也高,。CdTe薄膜太陽(yáng)電池通常以CdS ／CdT e異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。盡管CdS和CdTe和晶格常數(shù)相差10%,，但它們組成的異質(zhì)結(jié)電學(xué)性能優(yōu)良,，制成的太陽(yáng)電池的填充因子高達(dá)F F =0.75。
制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái),，如近空間升華,、電沉積、PVD,、CVD,、CBD、絲網(wǎng)印刷,、濺射,、真空蒸發(fā)等。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法：由含CdTe,、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe,、CdS 膜，然后在600～700℃可控氣氛下進(jìn)行熱處理1h 得大晶粒薄膜. 近空間升華法：采用玻璃作襯底,，襯底溫度500～600℃,，沉積速率10μm/min. 真空蒸發(fā)法：將CdTe 從約700℃加熱鉗堝中升華,，冷凝在300～400℃襯底上，典型沉積速率1nm/s. 以CdTe 吸收層,，CdS 作窗口層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)：減反射膜/玻璃/（SnO2:F）/CdS/P-CdTe/背電極,。電池的實(shí)驗(yàn)室效率不斷攀升，最近突16%,。20世紀(jì)90年代初,，CdTe電池已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn),，但市場(chǎng)發(fā)展緩慢,，市場(chǎng)份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%,。
人們認(rèn)為,，CdTe薄膜太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能電池中最容易制造的，因而它向商品化進(jìn)展最快,。提高效率就是要對(duì)電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化,，適當(dāng)減薄窗口層CdS 的厚度，可減少入射光的損失,，從而增加電池短波響應(yīng)以提高短路電流密度,，較高轉(zhuǎn)換效率的CdTe 電池就采用了較薄的CdS 窗口層而創(chuàng)了最高紀(jì)錄。要降低成本,，就必須將CdTe 的沉積溫度降到550 ℃以下,，以適于廉價(jià)的玻璃作襯底；實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè),，必須經(jīng)過(guò)組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì),、研究和優(yōu)化過(guò)程。近年來(lái),，不僅有許多國(guó)家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉(zhuǎn)換效率12%以上的CdTe 太陽(yáng)電池,，而且在大面積組件方面取得了可喜的進(jìn)展，許多公司正在進(jìn)行CdTe薄膜太陽(yáng)電池的中試和生產(chǎn)廠的建設(shè),。有的已經(jīng)投產(chǎn),。
在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國(guó)際上許多國(guó)家的CdTe薄膜太陽(yáng)電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開(kāi)始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),。1998年美國(guó)的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW,，目前，美國(guó)高爾登光學(xué)公司 (Golden Photo)在CdTe薄膜電池的生產(chǎn)能力為2MW,，日本的CdTe電池產(chǎn)量為2.0MW。德國(guó)ANTEC公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)廠,，預(yù)計(jì)其生產(chǎn)成本將會(huì)低于＄1.4/W,。該組件不但性能優(yōu)良,，而且生產(chǎn)工藝先進(jìn)，使得該光伏組件具有完美的外型,，能在建筑物上使用,，既拓寬了應(yīng)用面，又可取代某些建筑材料而使電池成本進(jìn)一步降低,。BP Solar公司計(jì)劃在Fairfield生產(chǎn)CdTe薄膜太陽(yáng)電池,。而Solar Cells公司也將進(jìn)一步擴(kuò)大CdTe薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)。
CdTe薄膜太陽(yáng)電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件,。美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)于1993年用升華法在1cm2面積上做出效率為15.8 %的太陽(yáng)電池 ,，隨后，日本Matsushita Battery報(bào)道了CdTe基電池以CdTe作吸收層,，CdS作窗口層的n-CdS/ P - CdTe半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池,，其典型結(jié)構(gòu)為MgF2/玻璃/ SnO2:F/ n-CdS/ P- dTe/背電極，小面積電池最高轉(zhuǎn)換效率16%,，成為當(dāng)時(shí)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄,，近年來(lái)，太陽(yáng)電池的研究方向是高轉(zhuǎn)換效率,，低成本和高穩(wěn)定性.因此,，以CdTe為代表的薄膜太陽(yáng)電池倍受關(guān)注，Siemens報(bào)道了面積為3600cm2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.1%的水平,。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供了Solar Cells lnc的面積為6879cm2CdTe薄膜太陽(yáng)電池的測(cè)試結(jié)果,，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.7%；Bp Solar的CdTe薄膜太陽(yáng)電池,，面積為4540cm2,，效率為8.4%，面積為706cm2的太陽(yáng)電池,，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.1%,；Goldan Photon的CdTe太陽(yáng)電池，面積為3528cm2,，轉(zhuǎn)換效率為7.7%,。
碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的制造成本低，目前,，已獲得的最高效率為16%,，是應(yīng)用前景最好的新型太陽(yáng)電池，它已經(jīng)成為美,、德,、日、意等國(guó)研究開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。
我國(guó)CdTe薄膜電池的研究工作開(kāi)始于上世紀(jì)80年代初,。內(nèi)蒙古大學(xué)采用蒸發(fā)技術(shù),、北京太陽(yáng)能研究所采用電沉積技術(shù)（ED）研究和制備CdTe薄膜電池，后者研制的電池效率達(dá)到5.8%,。80年代中期至90年代中期,，研究工作處于停頓狀態(tài)。90年代后期,，四川大學(xué)太陽(yáng)能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)下在我國(guó)開(kāi)展了碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的研究,，在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計(jì)劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽(yáng)電池的研制”,。采用近空間升華技術(shù)研究CdTe薄膜電池,，并取得很好的成績(jī)。最近電池效率已經(jīng)突破13.38%,，進(jìn)入了世界先進(jìn)行列,。“十五”期間，CdTe薄膜電池研究被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”重點(diǎn)項(xiàng)目,。
經(jīng)過(guò)多年幾代科學(xué)工作者的不懈努力,，我國(guó)正處于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展階段，并計(jì)劃建立年產(chǎn)量0.5MW的中試生產(chǎn)線,。CdTe薄膜太陽(yáng)電池研究,，由原來(lái)的只有內(nèi)蒙古大學(xué)、四川大學(xué),、新疆大學(xué)等幾家科研院所進(jìn)行這方面的基礎(chǔ)研究,，到今年的四川阿波羅太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽(yáng)能電池核心材料產(chǎn)業(yè)化，為期兩年,，將建設(shè)擁有年產(chǎn)碲化鎘50噸的生產(chǎn)線,、硫化鎘10噸生產(chǎn)線，使我國(guó)在CdTe薄膜太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化將得到長(zhǎng)足發(fā)展,，向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn),。
CdTe薄膜太陽(yáng)電池較其他的薄膜電池容易制造，因而它向商品化進(jìn)展最快,。已由實(shí)驗(yàn)室研究階段走向規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。下一步的研發(fā)重點(diǎn),，是進(jìn)一步降低成本,、提高效率并改進(jìn)與完善生產(chǎn)工藝。CdTe太陽(yáng)能電池在具備許多有利于競(jìng)爭(zhēng)的因素下,，但在2002年其全球市占率僅0.42﹪,，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過(guò)10﹪，究其無(wú)法耀升為市場(chǎng)主流的原因，大至有下列幾點(diǎn)：一,、模塊與基材材料成本太高,，整體CdTe太陽(yáng)能電池材料占總成本的53﹪，其中半導(dǎo)體材料只占約5.5﹪,。二、碲天然運(yùn)藏量有限,，其總量勢(shì)必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤(pán)的倚賴此種光電池發(fā)電之需,。三、鎘的毒性,，使人們無(wú)法放心的接受此種光電池,。
CdTe太陽(yáng)能電池作為大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用的光伏器件，最值得關(guān)注的是環(huán)境污染問(wèn)題,。有毒元素Cd對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員健康的危害是不容忽視的,。我們不能在獲取清潔能源的同時(shí)，又對(duì)人體和人類生存環(huán)境造成新的危害,。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件,，技術(shù)上很簡(jiǎn)單。而Cd是重金屬,，有劇毒,，Cd的化合物與Cd一樣有毒。其主要影響,，一是含有Cd的塵埃通過(guò)呼吸道對(duì)人類和其他動(dòng)物造成的危害,；二是生產(chǎn)廢水廢物排放所造成的污染。因此,，對(duì)破損的玻璃片上的Cd和Te應(yīng)去除并回收,，對(duì)損壞和廢棄的組件應(yīng)進(jìn)行妥善處理，對(duì)生產(chǎn)中排放的廢水,、廢物應(yīng)進(jìn)行符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的處理,。目前各國(guó)均在大力研究解決CdTe薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素，相信上述問(wèn)題不久將會(huì)逐個(gè)解決,，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來(lái)社會(huì)新的能源成分之一,。
作為第二代薄膜太陽(yáng)能電池的代表性材料，碲化鎘/硫化鎘CdTe/CdS將成為未來(lái)最有潛力的薄膜太陽(yáng)能電池材料,，美國(guó)可再生能源研究所(NREL)及美國(guó)第一太陽(yáng)能公司(First Solar Inc)已經(jīng)使該系列太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模生產(chǎn),。