薄膜太阳电池技术发展趋势浅析

李 微，黄才勇，刘兴江

(中国电子科技集团公司第18 研究所，天津 300381)

0 引 言

太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源，也是一种能够大规模应用的现实能源，因此其技术研发和商业化生产受到各国政府的普遍重视，应用领域也更加广泛。据欧洲光伏产业协会发布的最新统计报告显示，截至2011 年底全球光伏装机容量已超过60 GW。仅2011 年全球新增装机容量就突破27.7 GW，同比2010 年增长67%，其中50%以上为中国制造。太阳能光伏应用主要包括以下五大领域:(1)太阳能电站(包括离网及并网);(2)光伏建筑一体化(BIPV);(3)太阳能电力驱动(车、船、飞艇和无人机等);(4)消费电子产品用电源;(5)卫星等各种空间飞行器的一次能源用太阳电池帆板。

目前市场上的太阳电池仍以第一代的单晶硅/多晶硅电池为主，然而第二代的薄膜太阳电池则被公认为是未来太阳电池发展的主要方向。薄膜太阳电池指微米量级厚度的材料制成的太阳电池，是大幅度降低成本的最有效途径之一。薄膜太阳电池具有下列优点［1］:(1)吸收层材料具有较高的光吸收系数(普遍大于104cm－1)，因此，微米级厚度的薄膜足以吸收绝大部分的太阳光能量，节省了原材料的用量;(2)采用低温薄膜制备技术，显著降低能耗，缩短能源回收期;(3)材料和器件制备可同步完成，便于大面积、自动化和连续化生产;(4)更可制备在如金属箔、塑料等廉价柔性衬底上，极大提高器件的质量比功率，在军事等特殊领域用电源系统上具有广阔的应用前景。当前，主流的薄膜太阳电池包括硅基薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳电池等。

通过聚焦各种薄膜太阳电池技术的发展现状及最新的研究进展，对其发展趋势进行了简单分析。

1 薄膜太阳电池技术现状及发展趋势

1.1 薄膜太阳电池技术现状

光伏发电对于缓解化石能源短缺，减少环境污染，以及满足航空航天技术发展需要，均有重要的现实意义。截止到“十一五”末各类太阳电池技术的发展情况如图1 所示［2］。

图1 各类太阳电池技术的发展情况

经过几十年的研究，各种薄膜太阳电池的实验室光电转换效率都有了很大的提高，部分技术成熟的薄膜电池已经进行商业化生产和应用，如硅基薄膜太阳电池、铜铟镓硒(CIGS)和碲化鎘(CdTe)薄膜太阳电池等。而以染料敏化太阳电池与有机太阳电池为代表的第三代太阳电池目前还处于产业化前的中试阶段。

1.1.1 硅基薄膜太阳电池

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、微晶硅电池及硅锗合金电池［3］。国际上部分从事硅基薄膜电池的研究机构取得的研究成果见表1。

表1 硅基薄膜电池成果及主要研究单位

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%，100 cm2组件效率10.5%［10］。最近利用甚高频与高压耗尽技术，制备的单结微晶硅电池效率达到了9.36%［11］。这些优异的成果使中国的硅基薄膜电池技术跨入了国际先进行列。

目前非晶硅电池技术已经比较成熟，实现了大规模生产。硅基薄膜太阳电池产品大致可分为五代。

第一代:非晶硅单结薄膜太阳电池，稳定效率在5%左右，效率衰减约为30%。

第二代:非晶硅/非晶硅双结太阳电池，稳定效率约6%，效率衰减为15%。

第三代:非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗三结太阳电池，稳定效率在7% ～8% 之间，效率衰减介于10% ～15%。日本的Fujisolar 和佳能公司将这种薄膜太阳电池加以简化，开发出非晶硅/非晶硅锗双结薄膜太阳电池，其性能与非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗三结电池接近。

第四代:非晶硅/微晶硅太阳电池，稳定效率在7% ～8%之间;效率衰减小于10%。

第五代:非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结太阳电池，目标效率为10%。

日本夏普和三菱公司已实现非晶硅/微晶硅叠层太阳电池商业化生产，生产线年产能超过30 MW，组件稳定效率在8%以上。截止到2011 年，国内的硅基薄膜电池生产企业已达到20 余家，生产线规模从几兆瓦到上百兆瓦不等，电池组件稳定效率在6%左右。硅目前国内已有硅基薄膜电池厂商进行设备和生产线的自主研发。但总体来讲，由于设备成本高，且产品性能指标较低，继而在后期安装方面又加大了投入。因此，硅基太阳电池在与晶体硅太阳电池在产品竞争上的优势体现不明显，未达到市场预期。

1.1.2 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池

CIGS 薄膜太阳电池是以多晶Cu(In，Ga)Se2半导体薄膜为吸收层的太阳电池，以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点成为光伏界的研究热点，有望成为下一代的廉价太阳电池。CIGS 薄膜电池具有以下特点:(1)高的光电转换效率，目前玻璃衬底CIGS 薄膜太阳电池实验室效率已经超过20%，接近晶硅太阳电池的世界纪录。商业化生产的CIGS 薄膜电池组件的转换效率也达到了14%，在薄膜太阳电池领域处于领先地位。(2)成本低，材料消耗少。目前，玻璃衬底的CIGS 薄膜太阳电池组件的生产成本已接近1MYM/Wp。而适合大规模卷－卷(roll－to－roll)工艺的柔性衬底CIGS 薄膜太阳电池具有进一步降低成本的巨大潜能。(3)长期稳定性好，室外使用无光致衰退效应。(4)能量偿还期短，发电后偿还生产用电的时间仅为1.5 ～2年，适于大批量生产。(5)抗辐射能力强，可满足空间应用的要求。(6)适合单片集成:金属衬底材料可通过在其表面沉积绝缘层实现单片集成，PI 衬底由于其本身的绝缘性，在单片集成领域更有前景。这些优势令CIGS 薄膜太阳电池无论在民用领域还是在军用领域均具有广阔的应用前景。

CIGS 薄膜太阳电池及组件的最新研究进展见表2，小面积CIGS 薄膜太阳电池的实验室转换效率达到了20.3%［12］，相应的组件效率也显著提高，其中瑞典Uppasala 大学研制的小组件的转换效率达到了16.6%［13］，日本昭和壳牌最新研制的玻璃衬底CIGS 电池组件的效率也超过了16%［14］，美国Miasole公司制备的不锈钢衬底CIGS 外联式组件的效率达到了15.7%［15］，此外瑞士的EMPA 研制的小面积PI 衬底的CIGS 电池效率达到了18.7%［16］。

表2 CIGS 薄膜太阳电池成果及主要研究

航空、航天领域需要太阳电池有较高的重量比功率(W/kg)，即希望单位重量的太阳电池能输出更多的功率。而部分地面建筑物和移动用电单位等特殊的应用领域又要求太阳电池具有一定的弯曲度和可折叠性。这些需求促进了柔性衬底太阳电池的发展。轻质、柔性、可卷曲折叠和不怕摔碰等特点的金属箔或高分子薄膜材料可作为CIGS 太阳电池的衬底，允许以Roll－to－Roll 方式连续化沉积，不但能体现出薄膜太阳电池的独有特性，而且使其材料成本和生产成本具有更大的降低空间，是薄膜太阳电池发展的一大亮点。

此外，CIGS 薄膜太阳电池抗辐射能力很强，非常适合空间应用。日本JAXA 的小卫星搭载有III－V族InGaP/GaAs 双结电池和CIGS 薄膜电池，在轨运行360 天后短路电流衰降情况如图2 所示。结果表明，CIGS 薄膜太阳电池抗辐射能力略优于双结In－GaP/GaAs 太阳电池［17］。

图2 在轨的InGaP/GaAs 和CIGS太阳电池短路电流衰降特性

然而，CIGS 太阳电池具有敏感的元素配比和复杂的多层结构，对工艺和设备要求十分严格，被国际光伏界认为是技术难度较大的一类太阳电池。国际上多家公司采用不同的技术路线进行产业化研制，但只有少数几家公司实现了电池组件的批量生产。根据吸收层制备方法的不同，CIGS 薄膜太阳电池的技术路线可以分为多元共蒸法、预制层后硒化法、涂覆－热处理法和电化学沉积法等，采用这些技术制备的CIGS 薄膜太阳电池组件效率均超过12%。在大面积CIGS 太阳电池制备技术和产业化发展方面，美、日、德三国的公司处于领先水平，如德国的Würth Solar 公司，美国的Global Solar 公司与Miasole 公司，日本的Honda 与Showa Shell 等。此外，美国的Ascent Solar 公司生产的PI 衬底的CIGS 柔性薄膜太阳电池组件最高效率也超过了10%，产品的平均效率为7 ～8%。

由于前期研究基础薄弱，我国的CIGS 太阳电池的产业化水平较低。南开大学研制的小面积玻璃衬底CIGS 薄膜太阳电池转换效率超过了15%，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。中国电子科技集团公司第十八研究所主要以研究柔性CIGS 薄膜太阳电池为主，目前小面积金属Ti 衬底上制备的CIGS 太阳电池光电转换效率达到12.6%，PI 衬底的CIGS 太阳电池光电转换效率超过8%。现正在进行柔性CIGS 薄膜太阳电池中试线的技术开发，以期实现Roll－to－Roll 工艺的柔性CIGS 太阳电池连续生产。

1.1.3 铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池

CIGS 太阳电池虽然具有优异的性能，但是存在使用稀有金属In 和Ga 的稀缺问题。CZTS(Cu2ZnSnS4)薄膜是替代CIGS 光伏电池吸收层的最佳选择之一，原材料Cu、Zn、Sn 和S 在地壳中储量丰富。CZTS 是一种直接带隙半导体材料，光学吸收系数超过104cm－1，光学带隙在1.45 eV 左右，非常接近光伏电池的理想带隙1.4 eV，从理论上将可达到单结电池的最高转换效率。CZTS 太阳电池目前尚处在实验室研究到中试研究阶段，目标是使用相对便宜、丰富的原材料获得最大的转换效率，其发展历程和最新研究进展见表3。

表3 CZTS 薄膜太阳电池发展历程［18 ～25］

虽然CZTS 太阳电池已取得了超过10%的转换效率，但仍有许多科学问题需要进一步研究，包括:(1)高质量CZTS 薄膜的制备工艺技术;(2)贫Cu和近化学计量比CZTS 薄膜中二次相Cu6Sn5和Sn夹杂的控制;(3)高质量异质结的形成，晶界的作用等。CZTS 薄膜太阳电池下一步的挑战将是实现12%的单体电池效率和10%的组件效率。目前美国IBM 公司与日本的Solar Frontier 公司正合作研发CZTS 电池组件，Advancis 公司也已开始定做CZTS中试线。

1.1.4 砷化镓(GaAs)薄膜太阳电池

GaAs 属于III－V 族化合物半导体，其能隙为1.4 eV，是理想的太阳电池吸收层材料。GaAs 太阳电池因其光电转换效率高、抗辐照性强、温度性好等诸多优点，在空间应用中正日益取代晶体硅太阳电池。

随着航空航天技术的不断发展，要求作为空间电源的GaAs 太阳电池质量比功率不断提高，以降低高昂的发射费用，促使GaAs 薄膜太阳电池的研制和生产成为发展的热点。

GaAs 薄膜太阳电池的研发成功得益于日渐成熟的薄膜剥离技术及反向生长GaAs 太阳电池的工艺［26］。反向生长的GaAs 多结电池最先生长的是顶电池，其次是中间电池和底电池，然后将外延片键合到一个二次支撑物上，之后原始的衬底将被除去，把太阳电池的顶部表面暴露出来。通过剥离技术，即可以将GaAs 太阳电池薄膜化，得到高效率、低重量的空间用GaAs 薄膜太阳电池。

2008 年，美国Emcore 公司通过大尺寸薄膜剥离技术，从4 英寸GaAs 衬底上将GaAs 太阳电池完整地剥离下来，剥离后制作的电池具有21.1%的光电转换效率，而且剥离后的GaAs 衬底经过处理可以再次使用［27］。2011 年NREL 研制的小面积(0.99 cm2)GaAs 薄膜太阳电池实现了28.3%的光电转换效率，其制备的面积为856.8 cm2的GaAs 薄膜太阳电池组件效率也达到了23.5%［7］。

GaAs 薄膜太阳电池可以极大的减小电源系统的重量和体积，同时又保持了超高的光电转换效率，因而在航天卫星、宇宙飞船和空间站等方面的应用上有着广阔发展前景。

1.2 薄膜太阳电池技术发展趋势

第三代太阳电池被称作先进的薄膜电池，与第一代和第二代技术相比成本更低、效率更高。在第三代太阳电池中，纳米材料和纳米技术被广泛应用。

具有纳米结构的半导体太阳电池除适应于薄膜结构之外，也被认为可以提供超高的光电转换效率。这种高的光电转换效率来源于以下的效应:(1)纳米级的晶体尺寸可与载流子的散射长度相比较，从而可显著减少散射几率提高载流子的收集效率;(2)由于态密度的增加，纳米结构有很强的光吸收系数。此外通过改变纳米材料的尺寸还可以调节其禁带宽度，以吸收特定波长的光子能量。下面介绍几种第三代太阳电池。

1.2.1 染料敏化太阳电池(DSSC)

将纳米技术成功应用于太阳能电池以瑞士Grätzel 教授提出并发展的染料敏化太阳能电池(DSSC)最受推崇，DSSC 由透明导电玻璃、多孔纳米薄膜、电解质溶液及对电极构成［28，29］。这种太阳电池的理论光电转换效率可达30%。

目前DSSC 的单体电池转换效率达到了11.4%［30，31］，面积为17.11 cm2小组件的效率达到了9.9%［32］。该类电池转换效率较低的主要原因在于充当光阳极的TiO2薄膜中存在着大量的表面态，束缚了电子在薄膜中的运动，使电子传输时间增长，增大了与电解质复合的几率，从而降低了电子的收集，影响了太阳电池的转换效率。此外，所有的染料都具有苯环结构，因此其敏化作用存在局限性。

1.2.2 有机聚合物薄膜太阳电池

有机聚合物薄膜太阳电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备柔性器件等突出优点。另外，有机聚合物材料种类繁多、可设计性强，通过材料的改性来提高太阳电池的性能方面存在巨大空间。

1992 年美国的Heeger 教授领导的研究小组发现了共轭聚合物/C60 之间光诱导超快电荷转移的现象［33］，继而在1995 年又发明了可溶液加工的共轭聚合物/可溶性C60 衍生物共混型“本体异质结”聚合物太阳电池［34］。此后的有机聚合物太阳电池主要采用了本体异质结的结构。2007 年其研究小组通过制备叠层电池，使得聚合物太阳电池的转换效率超过了6%［35］。2010 年12 月，经德国弗莱堡太阳能系统研究所和美国可再生能源实验室分别证实，德国Heliatek 公司和美国Konarka 公司各自开发出了转换效率达8.3%的有机薄膜太阳电池［36］。2011 年4 月，Science 报道了日本三菱化学通过改良有机半导体材料及采用涂布技术制备了光电转换效率达9.2%的有机薄膜太阳电池［37］。2011年日本的AIST 研制的有机太阳电池转换效率达到了10%［37］，面积为294.5 cm2的组件效率达到了4.2%［38］。

目前有机太阳电池已实现了小批量生产，但效率比较低，需要进一步开发。

1.2.3 纳米(量子点)太阳电池

量子点(或者纳米颗粒)是直径为1 ～10 nm 范围内的半导体晶体，当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构。量子点结构在理论上是可以实现热载流子电池、多激子效应电池、中间能带电池等新概念太阳电池，以尽可能满足“充分吸收光能，尽量减少转化损失”这两点，最终获得超过的转换效率。，文献报道，采用量子点结构实现多激子效应，增加了对光电流的贡献，单结电池光电转换效率可从33.7%增至44.4%［39］。更有甚者，在直径3.9 nm 的PbSe量子点中，当用4Eg 光子能量激发时可得到300%的量子产率［40］。2011 年美国NREL 实验室的Octavi E. Semonin 等人研究的PbSe 量子点太阳电池得到了外量子效率达到114 ±1%，内量子效率130%的实验结果［41］。马德里理工大学的Luque 和Marti通过理论计算指出，在太阳电池器件中引入半导体量子点中间带可获得超过Shockley－Queisser 模型单结太阳电池31%的极限效率，单结太阳电池的理论效率可达63%［42］。

纳米尺度半导体结构就像阶梯一样，从而可设计出最适于太阳光谱的带隙材料与电池结构。以纳米量子点效应为基点的新型太阳电池器件正在成为研究的热点，但尚属于概念验证阶段，需长期归还研究。

1.2.4 碳类薄膜太阳电池

作为光伏应用的新材料，经济环保的碳基材料已经引起了国内外研究人员的极大关注。日本报道了一种a－C:H/p－Si 结构太阳电池，其光电转换效率达2.1%［43］。上海交通大学的沈文忠教授领导的研究团队采用离子束溅射技术沉积出用于太阳电池的非晶氮化碳薄膜(a－C:N)，并制成ITO/a－CNx/Al结构太阳电池［44］。美国Solasta 公司的M. Naughton提出以碳纳米管结构/非晶硅吸收层/金属的纳米结构，预期电池效率可达25%。

虽然碳类薄膜太阳电池取得的光电转换效率并不高，但随着新设备新工艺的不断出现，太阳电池用的碳类材料会不断成熟，碳类太阳电池的转换效率及稳定性等将会得到进一步提高。

2 未来发展展望

发展可弯曲、可折叠的高质量比功率的柔性薄膜太阳电池，相比刚性太阳电池质量可轻5 倍以上，可降低太阳电池阵成本数倍，将大大提高我国军事电源领域的发展水平，尤其是对于空间飞行器、空间站和其他军用电源系统，显示出巨大的应用前景。

对于硅基薄膜太阳电池，其发展主要集中在以下几个方向:(1)采用高速沉积新技术生长Si 基薄膜;(2)进一步发展多结结构电池，包括将薄膜Si 和其他的吸收层或光伏技术相结合;(3)将量子点等新技术引入硅基薄膜太阳电池中，提高单结电池的光电转换效率;(4)开发新型封装材料和优化封装工艺以降低成本。

对于化合物半导体薄膜太阳电池，首先是针对CIGS 电池体系，其发展主要集中在以下几个方向:(1)开发吸收层快速沉积工艺技术，提高原材料利用率;(2)发展高效率无Cd 缓冲层的CIGS 电池组件;(3)发展CIGS 电池组件级联技术与封装技术;(4)发展采用Roll－to－Roll 工艺制备CIGS 电池组件技术;(5)发展CIGS 电池组件和废料的循环利用技术。此外，为了进一步提高CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率，还可开展陷光技术、纳米粒子技术和多结叠层技术等领域的研究。理论计算表明双结CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率可达37%，三结电池达40%。另一个发展方向是加快CZTS 系列廉价太阳电池技术研发，加大投入力度，加快研究进度，扩大应用范围。

此外，新兴太阳电池技术尤其是纳米技术的有效应用需要密切关注。

3 结 语

最近几年薄膜太阳电池技术取得了长足的发展，为大规模产业化奠定了技术基础，但仍需大幅降低成本才能得以生存，而提高转换效率是竞争中最具效力的关键。因此，该领域的研究热点仍然是提高效率、降低成本。在进一步挖掘现有太阳电池技术，尤其是产业化技术潜能的同时，需引入新的概念和新的技术，才能得以突破目前光伏领域面临的诸多挑战，真正实现高效、廉价、绿色的第三代太阳电池，将太阳电池的电价达到与传统电价相匹敌的水平。

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