薄膜太阳电池国内外发展现状与趋势

袁英

摘 要：薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。

关键词：晶体硅薄膜；CulnSe2薄膜；商业化

中图分类号：TM914.42 文献标识码：A 文章编号：1672-8882（2015）05-117-02

近几年来，光伏市场发展极其迅速，1997年光伏组件的销售量达122Vw，比上年增加38%。世界主要几大公司宣称，近期光伏组件产量将会增加到263.5MW，其中薄膜太阳电池将达到91.5MW，占太阳电池总量的34.7%。快速发展的光伏市场导致许多太阳电池生产厂家力求扩大生产能力，开辟大容量的太阳电池生产线。但目前太阳电池用硅材料大部分来源于半导体硅材料的等外品和单晶硅的头尾料，不能满足光伏工业发展的需要。同时硅材料正是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分，因此为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的要求，最有效的办法是不采用由硅原料、硅錠、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电他的工艺路线，即发展薄膜太阳电他的技术。

一、晶体硅薄膜太阳电池发展

晶体硅薄膜太阳电池，近年来在国外发展比较迅速。为了使晶体硅薄膜太阳电池达到商业化，努力将实验室结果推向市场，1988年制造出100cm2的薄膜太阳电池，其转换效率为8%。18个月后，其效率在同样面积下达到10.9%，3年半后12kw薄膜太阳电池系统投入市场。1994年底美国加利福尼亚区成功建立了17.1kW硅薄膜太阳电池方阵系统，这个系统电池是利用高温热分解喷涂法制备的。在薄膜电池上覆盖了一层抗反射层，硅薄膜晶粒为毫米级，具有宏观结构特性，减少了兰色和远红外光的响应。

1997年召开的26届IEEE PVSC，14届欧洲PVSEC和世界太阳能大会报道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太阳电池，转换效率为16.6%，日本的Kanebo为9.8%，美国NREL提供的测试结果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜电池，面积为903cm2，转换效率为10.2%，功率为9.2W。

我国晶体硅薄膜太阳电他的研究仍处于实验室阶段。1982年长春应用化学研究所韩桂林等人用CVD法，在系统中采用高频加热石墨，系统抽真空后通氖气以驱除残留气体，加热石墨至所需温度，随即通入混合气体，在1100℃-1250℃下，SiCl4被H2还原，硅沉积在衬底上。研究了多晶硅薄膜的生长规律并对膜的基本物理特性进行研究。1998年北京市太阳能研究所赵玉文等报道了以SiH2Cl2为原料气体，采用快速热化学气相沉积（RTCVD）工艺在石英反应器中沉积多晶硅薄膜。气源为H2和SiH2Cl2的混合物，石英管内配有石墨样品托架，采用程控光源将石墨样品托架加热到1200℃。试验所用衬底为重掺杂磷非活性单晶硅片或非硅质底材。在1030℃下薄膜生长速率为10nm/s，研究了薄膜生长特性，薄膜的微结构，并研制了多晶硅薄膜电池，电池结构为金属栅线/p+多晶硅膜/n多晶硅膜/n++C-硅/金属接触。采用扩硼形成p+层，结深约为1?m，电池面积为1cm2，AM1.5、100mV/cm2条件下，无减反射涂层，电池转换效率为4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，FF=0.67。

我国晶体硅薄膜太阳电池研究水平与国际水平相差较大，应加速发展。在廉价衬底上形成高质量的多晶硅薄膜，研究衬底与硅膜之间夹层，用以阻挡杂质向硅膜扩散，并研制出具有较高转换效率的多晶硅薄膜电池，在近期内使其转换效率能达到10%左右，为工业化生产作准备，以期成本能降低到$1/w左右。

二、国内CulnSe2薄膜太阳电池发展情况

我国的CulnSe2薄膜太阳电池研究始于80年代中期。内蒙古大学、南开大学、云南师范大学、中国科学院长春应用化学研究所等单位先后开展了这项研究。1986年长春应用化学研究所用喷涂法制备了C1S薄膜。薄膜具有黄铜矿结构，并制备了全喷涂C1S/CdS太阳电池，电池具有光伏效应。1990年内蒙古大学采用双源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太阳电池，经天津电源研究所测试，面积为0.9cm×0.9cm，效率为8.5%。南开大学采用蒸发硒化法制作CulnSe/C北薄膜太阳电池，面积为0.1cm2和lcm2的太阳电池，其效率分别达到7.62%和7.28%，5cm×5cm电他的平均效率为6.67%。

我国该技术仍处于实验室阶段，而且处于较低的水平，投入很少，进展缓慢。因此，急需加快研究和开发力度，加大对薄膜太阳电他的投入，尽快向工业化生产过渡，将薄膜太阳电池作为21世纪优先发展的高科技项目。近期内，对CulnSe2薄膜太阳电池的研制，通过控制Se、In、Cu三元素配比和蒸发速率，以获得重复性好、化学计量比符合要求，具有黄铜矿结构的硒钢铜薄膜，用化学成膜法制备致密和均匀的CdS薄膜，用溅射法制备ZnO薄膜。期望近期内，光伏转换效率能达到10%左右，为21世纪大规模发展Cu1nSe2薄膜太阳电池奠定基础。

三、薄膜光伏的商业化

在过去的几年，世界光伏市场以每年45%的增幅在快速发展，不断有新的公司进入市场，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市场化也取得了进展，并在很多领域广泛应用（包括屋顶计划和建筑物等）。2006年，整个世界范围内薄膜光伏的市场份额小于6%，然而在美国薄膜光伏的市场份额高达44%，这主要得益于位于奥尔良的First Solar和密歇根的United Solar，这2个公司在2006年取得长足进展。 中机院-专注于园区规划、产业研究、产业规划、城市发展规划、投融资服务

世界上很多薄膜光伏公司从事a-Si、CIGS和CdTe的商业化发展，美国也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的进展和技术进步足以支持其往兆瓦级的生产转化。在美国有16家公司从事非晶硅和薄硅的商业化进程，很显然，其中的领跑者为密歇根的Uni-Solar，其在2006年产能为60MW，而2007年的产能达到120MW。美国薄膜光伏的快速发展得益于美国国家再生能源实验室（NREL）在多结太阳电池技术上的成就；Applied Material则可提供单结非晶硅和纳米硅叠层太阳电池“交钥匙”工程，迄今为止，已在包括中国、印度、德国、西班牙等世界各地装机超过200MW。目前美国有15家公司采用不同的吸收层沉积技术开展CIGS业务，机会和挑战在这儿并存；同时有8个公司从事CdTe薄膜光伏的市场化运作。

目前世界上有5个公司致力于CIGS薄膜光伏的商业化生产，主要是德国的Wurth Solar、美国的Global Solar、日本本田、日本昭和壳牌和德国的Sulfurcell，其年产量介于5MW至27MW之间。同时有34家公司正在开发CIGS薄膜太阳电池生产技术，采用了约10种不同的吸收层沉积技术。在生产中，不论吸收层是采用共蒸发法还是两步法（如溅射后硒化），在所有技术路线中均采用溅射法制备Mo底电极以及溅射或化学气相沉积法制备ZnO薄膜。

参考文献：

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