2019年中国光伏技术发展报告(1)

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

1 薄膜太阳电池的研究进展

1.1 薄膜太阳电池的发展概况

2018年，各类薄膜太阳电池都取得了较大进展。

2018年，单结μc-Si:H太阳电池的效率提高到了11.9%，研究方向仍以光管理、电学和结构的优化为主，半透明和柔性衬底的非晶硅太阳电池依然保持着较高的研究热度。

2018年，日本Solar Frontier公司的铜铟镓硒太阳电池小面积器件效率达22.9%，尺寸为30 cm×30 cm的组件的最高效率为19.2%；国内小面积铜铟镓硒电池的效率提升至21.49%。此外，比利时欧洲跨校际微电子研究中心(IMEC)与德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心(ZSW)创造了24.6%的钙钛矿/铜铟镓硒双结叠层太阳电池效率纪录。

2018年，铜锌锡硫基薄膜太阳电池的小面积器件研究取得较大进展，国内外多家研究机构取得了超过11%的器件效率，国内2家单位制备的器件效率已超过13%。

碲化镉薄膜太阳电池的小面积器件效率仍由美国First Solar公司保持在22.1%，大面积组件的效率仍为18.6%。2018年，国内碲化镉太阳电池的效率提升至18.44%，大面积组件的平均效率达到13%以上。

2018年，砷化镓(GaAs)薄膜单结太阳电池的效率经历较快突破。美国Alta Devices公司制备的柔性薄膜太阳电池效率已提至29.1%；三结GaAs薄膜太阳电池的最高效率仍为日本Sharp公司研发的倒装型IMM(Inverted Metamorphic Multijunction)电池，达到 了37.9%。

1.2 硅基薄膜太阳电池的研究进展

1.2.1 硅基薄膜太阳电池研究的国际进展

目前，在效率方面，日本产业技术综合研究所(AIST)的SAI等[1]在周期性衬底上将n-i-p型μc-Si:H电池(面积为1.044 cm2)的效率提升至约11.9%，该效率的突破得益于填充因子FF的大幅提高。该电池的结构及效率如图1所示。

在硅基薄膜太阳电池中，光管理一直是研究的热点内容之一。为限制光致衰退效应对太阳电池的影响，必须要求在厚度尽可能薄的电池上获得更高的光吸收，这对电池的效率优化是一种考验。不同的研究机构在研究传统或新型陷光结构方面做了许多工作。目前，陷光结构可分为表面局域等离子体陷光、传统随机织构陷光和新型周期性织构陷光3种。

法国的POKAM等[2]研究发现，在n-i-p型a-Si:H太阳电池的SnO2衬底上制备出10～130 nm尺寸分布的Ag纳米颗粒，利用其较强的局部表面等离子体共振效应，发现在粗糙的衬底上在560、700、850 nm波长附近有很强的共振散射峰，最终使光谱响应增强14%～15%[2]。印度的SHAIK等[3]将Ag纳米颗粒制备到a-Si:H吸收层50 nm处，发现在波长600 nm处电池有较高的光谱响应，这说明Ag纳米颗粒起到了增强长波散射的能力。

对于传统的随机织构陷光结构，意大利的 MENNUCCI等[4]采用离焦离子束法制备了纳米织构的衬底，相比传统的Asahi-U型FTO(SnO2:F)衬底，新制备的衬底具有更大的散射角度和范围，在提高电池效率方面有较大的应用前景。对于多波长光耦合散射，韩国的HUSSAIN等[5]首先采用化学腐蚀法在玻璃衬底上腐蚀出半球形形貌用于耦合长波段光，随后利用磁控溅射技术沉积AZO (ZnO:Al)作为透明导电膜，最后利用稀盐酸腐蚀出纳米形貌用于耦合短波段光，最终采用该多织构形貌衬底制备出转换效率为9.61%的a-Si:H太阳电池，如图2所示。

德国的DONIE等[6]采用萃取法实现PMMA和聚苯乙烯相分离，制备出纳米颗粒，采用湿法刻蚀形成随机分布的纳米柱，并以此为背反射器，在其上制备n-i-p型a-Si:H太阳电池，如图3所示。相较于平面电池，该方法将短路电流密度(Jsc)提高了33%，最终制备出的电池的效率为7.6%。

印度的BOSE等[7]基于传统的溅射ZnO:Al(AZO)衬底，用等浓度的HCl+HNO3进行腐蚀，在不影响衬底电学特性的基础上通过控制腐蚀时间实现在550 nm波长处雾度由2%～30%进行可控。相对于平面电池，基于该衬底的a-Si:H太阳电池的效率可提高12.2%。

2.1 盐胁迫条件下生物复菌剂对黄瓜种子发芽及生长的影响 由表2可知，空白对照(加水)下，“苗壮素”菌液对黄瓜种子发芽率、鲜重及干重影响较小。但在盐胁迫处理下，种子发芽率提高17.5%，鲜重提高23.5%，说明“苗壮素”对黄瓜种子具有明显的耐盐促生作用。

在新型周期性织构陷光研究方向，德国不来梅雅各布大学和日本AIST的TAMANG等[8]提出一种接近几何陷光极限的周期性三角织构表面，如图4所示。该织构可以接近垂直入射光条件下的Yablonovitch几何陷光限制，进而可以为μc-Si:H太阳电池提供更高的Jsc。通过模拟发现，采用此方法可将Jsc提高至35.5 mA/cm2，同时可将μc-Si:H太阳电池的效率提升至13.2%，甚至可达到14.6%[8]。

新加坡的LI等[9]采用PS小球辅助图形刻蚀法制备周期性的织构形貌，采用该周期性的纳米织构可将n-i-p型a-Si:H太阳电池的Jsc提高20%，最终获得7.53%的电池效率。

硅基薄膜太阳电池的输出特性不仅受光吸收影响，电学特性对其影响也是巨大的。韩国的PHAM等[10]在优化a-SiGe:H太阳电池的过程中发现，采用a-SiOx:H作为p/i界面的能带失配缓冲层，可以提高电池的Voc和Jsc，最终通过对缓冲层的优化，将a-SiGe:H太阳电池效率提高到9.6%。采用LP-CVD法制备的BZO (ZnO:B)具有较大的粗糙度，有利于对光谱的散射，但该衬底为类金字塔形貌，沟壑和尖端较为尖锐，不利于薄膜的沉积，劣化电池的性能。韩国的LEA等[11]利用高能Ar等离子体对BZO衬底尖端进行了钝化，通过研究发现，尖端钝化的同时，Ar等离子的轰击会促进O空位的形成，增强BZO衬底的电学特性。基于该衬底所制备的a-Si:H电池在电学特性上有较大的提升，效率由7.31%提高到10.26%。

在光伏建筑一体化及智能便携型领域，半透明和柔性硅基薄膜太阳电池一直是研究的热点之一。为更好地将太阳电池应用到建筑中，需要进一步提高可见光的透过率，这就要求吸收层有更宽的带隙。韩国的YANG等[12]利用a-SiOx:H宽带隙的特点制备出了a-SiOx:H太阳电池，通过优化吸收层中CO2/SiH4的比例来调节电池输出特性与透过率的平衡，使其达到最优。韩国的LEE等[13]开发出了颜色可调的半透明太阳电池。该电池的透明前电极由3层结构组成，第1层为GZO(ZnO:Ga)；第2层为Ag导电层，为提高Ag在GZO表面的浸润性，将GZO放在醋酸和硝酸混合溶液(10:2)中进行处理，以提高表面自由能；第3层为GZO光电控制层，通过控制该层的厚度可以精确调控电池的颜色。电池的主体结构为p-i-n型a-Si:H太阳电池，如图5所示，通过优化，制备的半透明太阳电池的效率为4.8%，可见光平均透过率为20%。

韩国的JO等[14]将ZnO/AgOx/ZnO典型氧化物-金属-氧化物结构(OMO)应用到a-Si:H太阳电池的背电极中，如图6所示。通过调节O2流量控制AgOx的电学和光学特性，最后在O2流量为1 sccm时，获得的电池的双面效率为7.87%；O2流量为 3 sccm 时，500～800 nm 可见光平均透过率最高，为21.9%。

德国的Jülich和中国宁波中国科学院的WANG等[15]以玻璃纸(赛璐玢)为柔性衬底，AZO/Ag/AZO的OMO结构为前电极，采用传统HCl化学腐蚀获得随机织构陷光，最终得到的a-Si:H太阳电池的效率为5.7%。电池剖面结构SEM图及实物图如图7所示。

莫斯科的MANSUROVA等[16]尝试有机无机杂化，以PEN为柔性衬底，AZO为前电极，PEDOT:PSS聚合物为空穴传输层制备a-Si:H太阳电池，最终得到的电池效率为1.3%。印度的MADAKA等[17]通过研究低温110 ℃沉积a-Si:H薄膜技术发现，在低温下，a-Si:H不仅可以沉积在传统的PET、PI衬底上，还可以沉积在相纸上，并分别获得3.30%、3.36%和1.08%的效率，扩展了衬底的应用范围。加拿大的YANG等[18]在沉积温度为150 ℃的条件下，在塑料衬底上制备出效率约为5%的a-Si:H柔性半透明电池，并通过光电和弯曲度测试验证了其具有良好的柔性和耐用性，如图8所示。

综上所述，近期国际的研究进展中，单结μc-Si:H高效电池由AIST突破，a-Si:H单结及叠层电池效率止步不前。在众多硅基薄膜太阳电池的研究中，传统及新型的陷光结构始终是研究重点之一，虽然陷光结构为太阳电池的效率提升带来了较好的前景，但总体来看，目前其光学特性依然无法与电学特性达成一致，优异的纳米结构的陷光无疑会给电池在电学上的优化带来巨大挑战，使当下许多采用新型陷光结构的电池的效率受到较大限制。另一方面，半透明和柔性衬底的研究依然保持着较高热度，这也预示了未来硅基薄膜太阳电池的发展潜力。

1.2.2 硅基薄膜太阳电池研究的国内进展

国内对硅基薄膜太阳电池的研究可分为光管理、电池电学特性及结构优化、叠层太阳电池3大部分。

在光管理研究方面，国内研究与国际研究方向一致，分为贵金属等离子体陷光、传统随机织构陷光和新型周期性织构陷光。郑州中原工学院的LIU等[20]通过模拟研究发现，若将Ag纳米球阵列放置于前电极之上，通过优化Ag纳米球半径和阵列宽度，利用表面等离子体共振散射效应，在500～730 nm范围内，可以提高作为参考的a-Si:H太阳电池64%的光吸收，具有较高的应用潜力。南开大学与河北北方学院的WANG等[21]共同研发出针对不同波长光的耦合散射的多级织构透明导电极AZO。通过磁控溅射后HCl腐蚀法制备出微米级尺寸的织构，形成对长波长的光耦合，再溅射H、Al共掺的HAZO薄膜，形成纳米尺度的织构形貌耦合短波长光，制备过程如图9所示。相较于传统单层溅射后腐蚀AZO，这种多级复合织构的透明导电膜可使单结μc-S:H电池的效率提高13.4%。

厦门大学的HE等[22]采用喷砂法和起泡法在玻璃衬底上制备出微米级织构，再采用LPCVD法制备纳米尺寸的BZO (ZnO:B)，最终形成多级织构衬底，以增强对不同波段的光耦合。最终，相对于平面衬底，采用喷砂法和起泡法获得的多级织构衬底将a-Si:H/μc-Si:H叠层电池的效率分别提高1%左右和0.8%。上海交通大学的LIU等[23]采用纳米压印法获得了周期性球面凹阵列织构，如图10所示。研究发现，周期为10 μm的阵列可以将反射率由8.6%降至7.4%，相对于平面标准电池，基于周期性凹面阵列织构的a-Si:H太阳电池的Jsc和效率分别提高了3.46%和3.57%。

南开大学和天津工业大学的CHEN等[24]在周期性微米锥衬底上叠加Ag随机纳米结构，形成准晶体结构(QCS)，如图11所示。该结构对电池响应全波段光都具有良好的耦合和陷光作用。采用QCS结构的n-i-p型a-SiGe:H太阳电池初始效率达到10.4%，相较于平面和纳米结构电池，效率分别提高了38.7%和19.5%。

在电池电学特性及结构优化方面，南开大学和内蒙古大学的REN等[25]利用p-nc-SiOx:H宽带隙，高电导特性，采用FTO/p-a-SiOx:H/p-nc-SiOx:H结构，在提高a-Si:H太阳电池内建电势的同时，解决了FTO在H等离子体氛围下还原的问题，如图12所示。研究结果有效提高了电池的输出特性，为产业化快速提高电池效率提供了一种可能的途径。

南开大学的 FANG等[26-27]系统地研究了超薄(i-a-Si:H≤70 nm) a-Si:H电池中光学和电学特性的影响。研究发现，首先，当电池厚度远小于表面织构特征尺寸时，如溅射后腐蚀AZO形成的织构，其光吸收的增加得益于电池有效面积的增加。只有在纳米尺度的织构(ZnO:B/FTO)才能形成对光的散射，而其中ZnO:B纳米尺度织构的尺度较大，散射能力较强，因此制备的超薄a-Si:H电池的效率最高，如图13所示[26]。然后，基于BZO衬底的超薄a-Si:H电池需要克服尖端漏电、电子通过吸收层隧穿、掺杂层掺杂原子反向扩散的问题。而采用n-SiOx:H可以猝灭尖端漏电、阻止电子隧穿和掺杂原子反向扩散，最终在吸收层厚度为70、50、20 nm时，制备的电池效率分别为8.79%、7.65%和5.32%，为目前此类型电池的国际最高效率[27]。中国科学院半导体所的ZHANG等[28]研究发现，在a-Si:H太阳电池中，p-nc-Si:H材料对p层及p/i界面势垒有较大的影响。通过分析光态和暗态J-V曲线，有针对性的对p-nc-Si:H的Eg进行优化，最终采用优化后的p-nc-Si:H使n-i-p型a-Si:H太阳电池的Jsc提高了6.6%。

在叠层太阳电池研究方面，南开大学的FANG等[29]将硅异质结太阳电池作为底电池，a-Si:H电池作为顶电池，制备出a-Si:H/HIT叠层电池，如图14所示。通过优化，使该叠层电池的Voc达到 1.5 V 以上，Jsc＞14 mA/cm2，效率为14.26%。该类电池在一体化制氢应用方面有巨大的应用前景，也具备替代化学电池的潜力。南开大学和内蒙古大学的LI等[30]系统地研究了Ar等离子体辅助生长μc-Si:H材料后发现，适当引入Ar等离子体后会调制μc-Si:H材料的沉积速率、晶化率及光暗电导，可以实现对材料微结构的调控。通过该方法制备出总厚度仅为1450 nm的a-Si:H/μc-Si:H叠层电池，其初始效率为11.44%，1000 h后效率衰退为10.24%，结果表明，Voc×FF的稳定性要优于Jsc。

综上所述，国内目前的研究主要以光管理、电池电学特性和结构优化为主。在光管理方面，多尺度织构的设计是研究重点，贵金属等离子体陷光研究尚有待完善，周期性织构陷光在效率上有所突破。在电池电学特性和结构优化方面，超薄硅基薄膜电池有所突破，其效率也达到国际顶尖水平。在叠层电池研究方面，其研究开始向其它领域交叉，尤其是催化领域，拓展了叠层电池的应用范围。 (待续)