薄膜太陽電池國內外發展現狀與趨勢

袁英

摘 要：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。

關鍵詞：晶體硅薄膜；CulnSe2薄膜；商業化

中圖分類號：TM914.42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-8882（2015）05-117-02

近幾年來，光伏市場發展極其迅速，1997年光伏組件的銷售量達122Vw，比上年增加38%。世界主要幾大公司宣稱，近期光伏組件產量將會增加到263.5MW，其中薄膜太陽電池將達到91.5MW，占太陽電池總量的34.7%?？焖侔l展的光伏市場導致許多太陽電池生產廠家力求擴大生產能力，開辟大容量的太陽電池生產線。但目前太陽電池用硅材料大部分來源于半導體硅材料的等外品和單晶硅的頭尾料，不能滿足光伏工業發展的需要。同時硅材料正是構成晶體硅太陽電池組件成本中很難降低的部分，因此為了適應太陽電池高效率、低成本、大規模生產化發展的要求，最有效的辦法是不采用由硅原料、硅錠、硅片到太陽電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽電他的工藝路線，即發展薄膜太陽電他的技術。

一、晶體硅薄膜太陽電池發展

晶體硅薄膜太陽電池，近年來在國外發展比較迅速。為了使晶體硅薄膜太陽電池達到商業化，努力將實驗室結果推向市場，1988年制造出100cm2的薄膜太陽電池，其轉換效率為8%。18個月后，其效率在同樣面積下達到10.9%，3年半后12kw薄膜太陽電池系統投入市場。1994年底美國加利福尼亞區成功建立了17.1kW硅薄膜太陽電池方陣系統，這個系統電池是利用高溫熱分解噴涂法制備的。在薄膜電池上覆蓋了一層抗反射層，硅薄膜晶粒為毫米級，具有宏觀結構特性，減少了蘭色和遠紅外光的響應。

1997年召開的26屆IEEE PVSC，14屆歐洲PVSEC和世界太陽能大會報道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太陽電池，轉換效率為16.6%，日本的Kanebo為9.8%，美國NREL提供的測試結果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池，面積為903cm2，轉換效率為10.2%，功率為9.2W。

我國晶體硅薄膜太陽電他的研究仍處于實驗室階段。1982年長春應用化學研究所韓桂林等人用CVD法，在系統中采用高頻加熱石墨，系統抽真空后通氖氣以驅除殘留氣體，加熱石墨至所需溫度，隨即通入混合氣體，在1100℃-1250℃下，SiCl4被H2還原，硅沉積在襯底上。研究了多晶硅薄膜的生長規律并對膜的基本物理特性進行研究。1998年北京市太陽能研究所趙玉文等報道了以SiH2Cl2為原料氣體，采用快速熱化學氣相沉積（RTCVD）工藝在石英反應器中沉積多晶硅薄膜。氣源為H2和SiH2Cl2的混合物，石英管內配有石墨樣品托架，采用程控光源將石墨樣品托架加熱到1200℃。試驗所用襯底為重摻雜磷非活性單晶硅片或非硅質底材。在1030℃下薄膜生長速率為10nm/s，研究了薄膜生長特性，薄膜的微結構，并研制了多晶硅薄膜電池，電池結構為金屬柵線/p+多晶硅膜/n多晶硅膜/n++C-硅/金屬接觸。采用擴硼形成p+層，結深約為1?m，電池面積為1cm2，AM1.5、100mV/cm2條件下，無減反射涂層，電池轉換效率為4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，FF=0.67。

我國晶體硅薄膜太陽電池研究水平與國際水平相差較大，應加速發展。在廉價襯底上形成高質量的多晶硅薄膜，研究襯底與硅膜之間夾層，用以阻擋雜質向硅膜擴散，并研制出具有較高轉換效率的多晶硅薄膜電池，在近期內使其轉換效率能達到10%左右，為工業化生產作準備，以期成本能降低到$1/w左右。

二、國內CulnSe2薄膜太陽電池發展情況

我國的CulnSe2薄膜太陽電池研究始于80年代中期。內蒙古大學、南開大學、云南師范大學、中國科學院長春應用化學研究所等單位先后開展了這項研究。1986年長春應用化學研究所用噴涂法制備了C1S薄膜。薄膜具有黃銅礦結構，并制備了全噴涂C1S/CdS太陽電池，電池具有光伏效應。1990年內蒙古大學采用雙源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，經天津電源研究所測試，面積為0.9cm×0.9cm，效率為8.5%。南開大學采用蒸發硒化法制作CulnSe/C北薄膜太陽電池，面積為0.1cm2和lcm2的太陽電池，其效率分別達到7.62%和7.28%，5cm×5cm電他的平均效率為6.67%。

我國該技術仍處于實驗室階段，而且處于較低的水平，投入很少，進展緩慢。因此，急需加快研究和開發力度，加大對薄膜太陽電他的投入，盡快向工業化生產過渡，將薄膜太陽電池作為21世紀優先發展的高科技項目。近期內，對CulnSe2薄膜太陽電池的研制，通過控制Se、In、Cu三元素配比和蒸發速率，以獲得重復性好、化學計量比符合要求，具有黃銅礦結構的硒鋼銅薄膜，用化學成膜法制備致密和均勻的CdS薄膜，用濺射法制備ZnO薄膜。期望近期內，光伏轉換效率能達到10%左右，為21世紀大規模發展Cu1nSe2薄膜太陽電池奠定基礎。

三、薄膜光伏的商業化

在過去的幾年，世界光伏市場以每年45%的增幅在快速發展，不斷有新的公司進入市場，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市場化也取得了進展，并在很多領域廣泛應用（包括屋頂計劃和建筑物等）。2006年，整個世界范圍內薄膜光伏的市場份額小于6%，然而在美國薄膜光伏的市場份額高達44%，這主要得益于位于奧爾良的First Solar和密歇根的United Solar，這2個公司在2006年取得長足進展。 中機院-專注于園區規劃、產業研究、產業規劃、城市發展規劃、投融資服務

世界上很多薄膜光伏公司從事a-Si、CIGS和CdTe的商業化發展，美國也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的進展和技術進步足以支持其往兆瓦級的生產轉化。在美國有16家公司從事非晶硅和薄硅的商業化進程，很顯然，其中的領跑者為密歇根的Uni-Solar，其在2006年產能為60MW，而2007年的產能達到120MW。美國薄膜光伏的快速發展得益于美國國家再生能源實驗室（NREL）在多結太陽電池技術上的成就；Applied Material則可提供單結非晶硅和納米硅疊層太陽電池“交鑰匙”工程，迄今為止，已在包括中國、印度、德國、西班牙等世界各地裝機超過200MW。目前美國有15家公司采用不同的吸收層沉積技術開展CIGS業務，機會和挑戰在這兒并存；同時有8個公司從事CdTe薄膜光伏的市場化運作。

目前世界上有5個公司致力于CIGS薄膜光伏的商業化生產，主要是德國的Wurth Solar、美國的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌和德國的Sulfurcell，其年產量介于5MW至27MW之間。同時有34家公司正在開發CIGS薄膜太陽電池生產技術，采用了約10種不同的吸收層沉積技術。在生產中，不論吸收層是采用共蒸發法還是兩步法（如濺射后硒化），在所有技術路線中均采用濺射法制備Mo底電極以及濺射或化學氣相沉積法制備ZnO薄膜。

參考文獻：

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