薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

赵 颖戴松元孙 云冯良桓

①③教授,南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,天津300071;②教授,中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031;④教授,四川大学材料科学与工程学院,成都610064

薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

赵 颖①戴松元②孙 云③冯良桓④

①③教授,南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,天津300071;②教授,中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031;④教授,四川大学材料科学与工程学院,成都610064

硅基薄膜太阳电池 碲化镉薄膜太阳电池 铜铟镓硒薄膜太阳电池 染料敏化太阳电池

笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述,包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化合物薄膜太阳电池、以及染料敏化电池等,对每种技术分别从国内外研究现状以及产业化状况进行介绍。

1 前 言

目前市场上应用的太阳电池仍以单晶硅/多晶硅电池为主,但薄膜太阳电池被公认为未来太阳电池发展的主要方向,并已成为国际上研究最多的太阳电池技术之一。这是因为薄膜太阳电池具有生产制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产等突出优势。它另外一个特点是可被制成柔性可卷曲形状,这使得其应用环境更加广泛,例如在建筑光伏一体化、荒漠电站等领域均具有广阔的应用前景。近些年来,薄膜电池技术发展迅速,部分技术已经实现大规模生产。

中国在薄膜电池基础研究方面已经取得了较大进展,部分成果已经达到国际先进水平,为大规模产业化打下了良好的基础。目前,中国的研究机构与产业界正密切合作,积极进行薄膜太阳电池的中试或产业化技术与设备的攻关。

目前,主流的薄膜太阳电池技术包括硅基薄膜电池、化合物电池、染料敏化电池等。本文针对上述薄膜电池的研究现状以及产业化情况进行介绍。

2 薄膜太阳电池进展

2.1 硅基薄膜太阳电池

2.1.1 研究进展

按照硅基薄膜太阳电池本征层采用的材料,可以将其分为三种类型,即非晶硅电池、微晶硅电池以及硅锗合金电池等[1]。其中非晶硅电池技术发展最早,目前已经比较成熟,已实现大规模生产技术。但是非晶硅材料在光照时存在S-W效应,使得非晶硅电池呈现光致衰退现象。此外,非晶硅材料带隙较宽,难以吸收700 nm波长以上的光,限制了其对太阳光的利用率。相较于非晶硅,其它两种材料带隙较窄,可更充分吸收长波长的光。特别是微晶硅材料,被认为是一种非晶与微晶硅颗粒组成的混合相材料,其带隙调变可以通过制备过程中的氢稀释比调整实现,最低可接近单晶硅的1.1 eV,因此,微晶硅材料制备不会带来额外的工艺复杂性,与现有的非晶硅技术兼容性更好。而且微晶硅材料稳定性高,微晶硅电池基本无衰退;所以,微晶硅材料更加具有应用潜力。

为充分利用太阳光谱,将不同带隙的硅基薄膜组合,形成多结叠层结构。如图1所示,采用非晶硅/微晶硅叠层电池相对于非晶硅电池而言,具有两方面优点:一是拓宽电池长波光谱响应,提高太阳光的利用率;二是降低了较不稳定的非晶硅顶电池厚度,有利于提高整体稳定性。因此,国际公认非晶硅/微晶硅叠层太阳电池是硅薄膜电池的下一代技术,是实现高效、低成本薄膜太阳电池的重要技术途径,是薄膜电池新的产业化发展方向。

图1 非晶硅和微晶硅材料光谱响应曲线

目前,底电池技术主要分为硅锗合金电池或微晶硅电池两个方向,前者的代表研究机构为美国联合太阳能公司(USSC);而以瑞士微技术研究所(IMT)、德国余利希光伏研究所(Jülich IPV-5)、以及日本先进技术研究中心(NAIST)[2,3]、荷兰乌特勒支大学(Utrecht)为代表的众多研究机构则采用微晶硅底电池技术。表1中所列为上述研究机构的代表性成果,这些成果代表了其所在领域的最高水平。

表1 国际硅基薄膜电池主要研究单位及成果

随着国际上对硅薄膜电池的研究热潮,中国众多单位紧密合作、联合攻关,取得了不俗的成果,有些成果已跨入国际先进行列。其中,南开大学光电子薄膜器件与技术研究所研制的小面积非晶硅/微晶硅叠层电池效率达11.8%,10×10 cm2组件效率10.5%。最近利用甚高频与高压耗尽技术,在微晶硅薄膜的沉积速率1.0 nm/s以上时,单结微晶硅电池效率达到了9.36%[8]。另外,中国科学院半导体研究所在硅基薄膜材料稳定性及其高效非晶硅电池研究方面,以及科大研究生院在硅基薄膜生长和输运机理方面都取得了多项研究成果。

2.1.2 产业化情况

日本夏普和三菱公司已实现非晶硅/微晶硅叠层太阳电池产业化生产,生产线产能30 MW以上,组件稳定效率。中国已有20余家硅基薄膜电池生产企业,生产线规模从年产5兆瓦到几十兆瓦不等,组件面积从平方米至数平方米。部分企业进口国外生产线,如美国AMAT、日本Ulvac、欧洲Oerlikon等公司的生产线。在美国AMAT和欧洲Oerlikon生产线上,中国的企业已经调试出稳定效率大于8%的非晶硅/微晶硅叠层电池组件。中国大部分产品还是以非晶硅电池为主,电池组件稳定效率6%左右。中国的硅基薄膜电池生产设备主要基于美国EPV公司的单室沉积技术,通过消化吸收,不断完善,中国的单室沉积非晶硅电池的设备水平和工艺完整与可靠性,均已超过国际同类水平。南开大学与福建钧石能源公司合作,2008年建成中国首条非晶/微晶硅叠层电池中试线,并试制出效率超过8%的0.79 m2的非晶/微晶硅叠层电池组件[9],为中国建立兆瓦级的非晶/微晶硅叠层电池组件生产线奠定了很好的基础。

2.2 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池

2.2.1 研究进展

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池材料与器件的实验室技术在发达国家趋于成熟,转换效率已达20%,大面积电池组件和量产化开发是CIGS电池目前发展的总体趋势,而柔性电池和无镉电池是近几年的研究热点。由于CIGS电池的吸收层CIGS薄膜是一种多元化合物多晶半导体材料,因此,其多元组分配比和分布,以及合适的晶相结构是电池制备的难点,由此产生了不同的技术路线,如真空蒸发的一步法,以及先金属预置层后硒化的两步法。

表2 目前Cu(In,Ga)Se2太阳电池和组件的世界纪录

表3 全球CIGS薄膜太阳电池组件技术指标

在传统的CIGS太阳电池中,由于含有很少的重金属镉元素,使其不能成为真正的无污染的“绿色”电池。基于环保问题,选用无镉材料来替代缓冲层CdS薄膜是发展CIGS太阳电池的必然趋势。目前所用的无镉缓冲层包括ZnS、ZnSe、(Zn,Mg)O、In(OH)3、In2S3、In2Se3、In-ZnSe3、SnO2、SnS2等。由美国能源部国家光伏中心(NCPV)与日本新能源和工业技术开发机构(NEDO)合作研制的无镉CIGS电池效率达到18.6%,以及日本的Showa Shell采用Zn(O,S,OH)x作为缓冲层,面积为3 456 cm2的组件效率达到13.4%,二者均创造了无镉CIGS电池效率的世界纪录。

柔性CIGS薄膜太阳电池多沉积于金属箔(不锈钢、金属鈦等)或高分子聚合物(多为聚酰亚胺)薄膜基底上,具有质轻、可卷曲折叠、不怕摔碰、抗辐射能力强等特点,而且允许以卷带方式连续化沉积,其材料成本和生产成本具有更大的下降空间。无论是军事还是民用,都具有广阔的市场前景和巨大的需求背景。美国NREL和日本松下电器公司在不锈钢衬底上制备的CIGS电池效率均超过17.5%;美国环球太阳能(Global Solar)公司0.4 MW中试线(1英尺宽、卷到卷技术),生产不锈钢衬底电池小面积效率为12.5%;德国HMI研究所采用共蒸发法在钛箔衬底上制备CIGS薄膜电池效率为16.2%。聚酰亚胺薄膜(PI)是发展高比功率的轻质柔性太阳电池首选衬底材料。目前,由瑞士联邦技术研究院研制的PI衬底小面积铜铟硒电池效率达到13.0%,是目前PI衬底太阳电池的世界纪录。德国HMI研究所、ZSW中心和美国特拉华大学能源转换学院(IEC)等机构制备的PI衬底CIGS电池效率达到了10%～12%。

中国研究CIGS薄膜太阳电池在20世纪80年代开始起步。南开大学在多方面支持下建立了“铜铟硒薄膜太阳电池试验平台与中试基地”,并在CIGS电池材料、器件的研究上及相应的工程技术上取得了多项突破,在玻璃衬底、不锈钢和聚酰亚胺柔性衬底CIGS电池方面均取得了标志性成果(见表4)。其他研究单位如北京大学、清华大学、上海大学、中电集团十八所、上海空间电源研究所,中科院深圳现代技术研究院、上海技术物理所、上海硅酸盐研究所等,也进行了大量的基础研究。

表4 南开大学研制的铜铟硒薄膜太阳电池及转换效率

2.2.2 产业化情况

CIGS电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结构,要求其工艺和设备十分严格,被国际光伏界认为是技术难度比较大的一种太阳电池。虽然全球有上百家企业和机构置身于CIGS太阳电池产业,但突破设备瓶颈、能够开发出大面积电池组件的只有少数几个,而单机年产高于15 MW的生产线,并且电池组件商品进入市场的企业只有德国的Würth Solar,Solibro,美国的Global Solar,日本的Honda,Showa Shell等少数几家公司。其中,德国Solarion公司完成了300 kW卷到卷(roll to roll)中试开发,20×20 cm2面积电池最高转换效率达到8%,平均转换效率为5%。

对于CIGS电池技术,台湾企业界掀起了投资研发热潮。新能公司投资7 000万欧元与德国Centrotherm公司合作开发30 MW CIGS电池生产线,以溅射后硒化法制备电池面积为1.1×1.4 m2,目前良品率是面临的最大问题;台湾铼德、绿阳光电等公司自主开发,均已制备出不同面积的玻璃衬底CIGS组件,正在进行量产化开发。南开大学现正在开发80×40 cm2玻璃衬底CIGS薄膜太阳电池连续制造技术,为60×120 cm2玻璃衬底CIGS薄膜生产线开发研制提供科学数据。

2.3 染料敏化太阳电池

2.3.1 研究进展

自从染料敏化太阳电池在实验室研究取得突破以来,立即引起企业界人士的极大关注。从专利公布生效开始,即有澳大利亚、瑞士和德国等七家公司购买了专利使用权,并投入大量人力和物力进行产业化和实用化研究。

中国在染料敏化太阳电池的基础研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近。在中国国家自然科学基金的大力支持下,中国的高校和科研机构的研究人员广开思路,在基础研究上取得了很好的成绩。在中国国家863计划探索性项目的支持下,开展了各种电解质材料和电池结构的研究,并提出各种创新性的结构和思想,如福州大学魏明灯博士提出的染料敏化太阳电池与储能结合的思想;中国科学院物理所孟庆波博士提出的环境友好的复合电解质;清华大学林红博士提出的新型高效低成本叠层柔性薄膜太阳电池等,都是对染料敏化太阳电池各项关键技术和材料提出新的思路和方法。中国国家重点基础研究计划和纳米专项(973项目)先后三次对染料敏化太阳电池进行立项,中国科学院知识创新工程也把染料敏化太阳电池项目作为重要方向,重点解决目前染料敏化太阳电池所遇到的关键问题,并先后在基础科学问题和关键技术问题上取得突破。中国科学院等离子体物理研究所早在1994年就开始对染料敏化太阳电池进行研究和开发,并取得了相当的科研成果。特别是在中国科技部“十五”和“十一五”973项目的支持下,小面积太阳电池的实验室光电转换效率最高达9%,大面积电池组件(40×60 cm2)光电转换效率达5.7%[13],为目前国际较好的研究成果之一;在染料合成技术、纳米半导体薄膜研究、电池密封和电极研制上也取得一定的成果,设计合成了多种新型染料光敏化剂,并研究其吸附性能和空间效应对敏化性能的影响,综合了各项关键技术,制备出15×20 cm2的太阳电池组件,在室内1个太阳光照时效率为6.3%。中国科学院长春应用化学研究所在新型染料研究和离子液态电解质上取得突破,实现自主研发染料C101,效率达到11%[14],基于混合离子液态电解质电池的效率达到8.2%[15],从而在该领域具有一定的影响。

另外,北京大学、清华大学、复旦大学、浙江大学、南京大学、吉林大学、武汉大学、天津大学、东南大学、华侨大学、河北科技大学、华南理工大学、华东理工大学等先后在染料敏化剂、纳米薄膜修饰和电池光电转换效率上取得了较好的结果[16]。

2.3.2 产业化情况

从1992年至1999年间,以德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STA公司(后并入STI,现并入Dyesol公司)为典型的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究。2001年5月2日,通过多年的实践,STI建立了世界上首条染料敏化太阳电池中试线。STI公司与中国科学院等离子体物理研究所合作生产的产品在2001年苏州APEC展览会上首次亮相,赢得国际同行的赞赏。2003年完成200 m2染料敏化太阳电池显示屋顶,集中体现了未来工业化的前景。

2004年底,中国科学院等离子体物理研究所建立了500 W染料敏化太阳电池示范系统,并保持长期有效的运行,为今后实现产业化打下了基础[17]。

2.4 碲化镉太阳电池

2.4.1 研究进展

碲化镉是直接能隙半导体,其能隙宽度与太阳光谱有很好的匹配,而且它的能隙较宽,在较高的环境温度下也能正常工作,具有很好的抗辐射性能。此外,碲化镉太阳电池由多晶的薄膜所构成,制备工艺相对简单。因此,碲化镉太阳电池应用前景非常广阔,尤其适合于高原及荒漠电站、外太空及深空间电源,以及用作聚光电池。

国际上碲化镉薄膜太阳电池的研究和制造十分活跃,以美国的可再生能源国家实验室(NREL)为首,该实验室仍保持小面积碲化镉电池的最高效率纪录16.5%。该电池的技术特点是采用CdSnO4/ZnSnO4复合膜作为透明前电极。这种复合型明导电膜在退火后,CdSnO4有很高的导电率,ZnSnO4有恰当的电阻率,而在这两层之间可形成很薄的过渡层。另外一个典型的技术路线是采用Te/W2Te3作为背接触层,欧洲的多个研究小组采用该技术,如德国ANTEC公司、西班牙CIEMAT公司、瑞士ETH大学、比利时Gent大学、德国ISFH公司、意大利Parma大学、意大利SSE公司、英国Loughborough大学、瑞士Solaronix公司、德国Dieter Bonnet中心、德国达姆斯塔德技术大学、英国巴示大学等,他们制备的小面积电池的最高转换效率在10%～13%之间。

中国碲化镉太阳电池的发展也颇受关注,但研究工作起步较晚。2001年,四川大学太阳能组研制出了面积为0.52 cm2的碲化镉太阳电池,转换效率达11.6%。这项成果为中国碲化镉太阳电池的发展做出了开创性的贡献,荣获中国高校技术发明二等奖。“十五”期间,小面积电池制造技术有了进一步提高,该组制备的电池效率达到13.38%,再次创造出中国碲化镉太阳电池的转换效率纪录,接近国际领先水平。2.4.2产业化情况

十多年来,众多研究机构对碲化镉电池的污染问题进行了研究,认为在碲化镉电池的生产过程中,镉污染容易控制,不会影响人体健康。即使遇到火灾,熔融的电池中释放的镉对环境的污染也很微小,而且在同样的发电量下,碲化镉电池的重金属排放当量是最低的。因此,在重视环保的美国和德国等发达国家,碲化镉太阳电池研究和产业化技术一直得到很好的发展。

美国的First Solar公司是全球最大的碲化镉太阳电池制造商,他们自主开发的蒸汽输运法,使碲化镉薄膜电池生产线产能达到每年100 MW。规模化生产使得碲化镉太阳电池的成本从2005年的1.59 USD/W降为目前的1.19 USD/W,是目前所有太阳电池中生产成本最低的。First Solar公司除了在美国建有90 MW的生产线、在德国建有120 MW生产线,还在马来西亚和新加坡分别建有240 MW和120 MW的生产线。完成2010年的扩产计划后,其产能将达到1.2 GW。

德国的ANTEC公司有8 MW的自动化生产线,生产面积为1.2×0.6 m2的碲化镉电池组件,平均效率在6%～7%之间。

中国的碲化镉薄膜电池产业化技术也取得了一定的进步。四川大学开发了中试生产线关键设备,建立了全部由中国生产的设备构成的0.3 MW中试生产线,使中国成为继美、德之后世界上第三个能生产碲化镉太阳电池的国家。在该中试线上研制了面积为30×40 cm2的串联集成组件,转换效率达为8.25%,已超出德国水平。这些成果奠定了中国建立兆瓦级碲化镉电池生产线的基础。

3 结 语

薄膜太阳电池技术的基础研究取得了长足的发展,为大规模产业化奠定了基础。目前研究的热点仍然是提高效率、降低成本。非晶硅/微晶硅叠层电池技术被认为是下一代的硅基薄膜电池的产业化技术。以碲化镉为代表的化合物电池已经实现了低成本的大规模生产。理论上染料敏化电池的生产成本最低,但其产业化尚需时日。

(2010年5月8日收到)

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Status and Trends of Thin Film Solar Cells

ZHAO Ying①,DAI Song-yuan②,SUNYun③,FEN G Liang-huan④

①③Professor,Institute of Photo-Electronics Device and Technology,Nankai University,Tianjin 300071,China;②Professor,Institute of Plasma PhysicsChinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;④Professor,College of Materials Science and Engi-neering,Sichuan University,Chengdu 610064,China

Thin film solar cells(TFSC)are a promising approach for terrestrial photovoltaics and offer a wide variety of choices in terms of the device design and fabrication.The authors analyse the current status of TFSC and their future developments.Research and production progress of silicon based thin film solar cells,CdTe and Cu(In,Ga)Se2solar cells,and dye-sensitized solar cells in China are introduced.

silicon based thin film solar cell,CdTe solar cell,CIGS solar cell,dye-sensitized solar cell

(责任编辑:沈美芳)

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.006