袁英

摘 要：薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%。薄膜電池太陽(yáng)電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。

關(guān)鍵詞：晶體硅薄膜；CulnSe2薄膜；商業(yè)化

中圖分類號(hào)：TM914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-8882（2015）05-117-02

近幾年來(lái)，光伏市場(chǎng)發(fā)展極其迅速，1997年光伏組件的銷售量達(dá)122Vw，比上年增加38%。世界主要幾大公司宣稱，近期光伏組件產(chǎn)量將會(huì)增加到263.5MW，其中薄膜太陽(yáng)電池將達(dá)到91.5MW，占太陽(yáng)電池總量的34.7%。快速發(fā)展的光伏市場(chǎng)導(dǎo)致許多太陽(yáng)電池生產(chǎn)廠家力求擴(kuò)大生產(chǎn)能力，開辟大容量的太陽(yáng)電池生產(chǎn)線。但目前太陽(yáng)電池用硅材料大部分來(lái)源于半導(dǎo)體硅材料的等外品和單晶硅的頭尾料，不能滿足光伏工業(yè)發(fā)展的需要。同時(shí)硅材料正是構(gòu)成晶體硅太陽(yáng)電池組件成本中很難降低的部分，因此為了適應(yīng)太陽(yáng)電池高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)化發(fā)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(yáng)電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽(yáng)電他的工藝路線，即發(fā)展薄膜太陽(yáng)電他的技術(shù)。

一、晶體硅薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展

晶體硅薄膜太陽(yáng)電池，近年來(lái)在國(guó)外發(fā)展比較迅速。為了使晶體硅薄膜太陽(yáng)電池達(dá)到商業(yè)化，努力將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果推向市場(chǎng)，1988年制造出100cm2的薄膜太陽(yáng)電池，其轉(zhuǎn)換效率為8%。18個(gè)月后，其效率在同樣面積下達(dá)到10.9%，3年半后12kw薄膜太陽(yáng)電池系統(tǒng)投入市場(chǎng)。1994年底美國(guó)加利福尼亞區(qū)成功建立了17.1kW硅薄膜太陽(yáng)電池方陣系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)電池是利用高溫?zé)岱纸鈬娡糠ㄖ苽涞?。在薄膜電池上覆蓋了一層抗反射層，硅薄膜晶粒為毫米級(jí)，具有宏觀結(jié)構(gòu)特性，減少了蘭色和遠(yuǎn)紅外光的響應(yīng)。

1997年召開的26屆IEEE PVSC，14屆歐洲PVSEC和世界太陽(yáng)能大會(huì)報(bào)道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率為16.6%，日本的Kanebo為9.8%，美國(guó)NREL提供的測(cè)試結(jié)果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池，面積為903cm2，轉(zhuǎn)換效率為10.2%，功率為9.2W。

我國(guó)晶體硅薄膜太陽(yáng)電他的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。1982年長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所韓桂林等人用CVD法，在系統(tǒng)中采用高頻加熱石墨，系統(tǒng)抽真空后通氖氣以驅(qū)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(zhǎng)規(guī)律并對(duì)膜的基本物理特性進(jìn)行研究。1998年北京市太陽(yáng)能研究所趙玉文等報(bào)道了以SiH2Cl2為原料氣體，采用快速熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）工藝在石英反應(yīng)器中沉積多晶硅薄膜。氣源為H2和SiH2Cl2的混合物，石英管內(nèi)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(yàn)所用襯底為重?fù)诫s磷非活性單晶硅片或非硅質(zhì)底材。在1030℃下薄膜生長(zhǎng)速率為10nm/s，研究了薄膜生長(zhǎng)特性，薄膜的微結(jié)構(gòu)，并研制了多晶硅薄膜電池，電池結(jié)構(gòu)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(kuò)硼形成p+層，結(jié)深約為1?m，電池面積為1cm2，AM1.5、100mV/cm2條件下，無(wú)減反射涂層，電池轉(zhuǎn)換效率為4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，F(xiàn)F=0.67。

我國(guó)晶體硅薄膜太陽(yáng)電池研究水平與國(guó)際水平相差較大，應(yīng)加速發(fā)展。在廉價(jià)襯底上形成高質(zhì)量的多晶硅薄膜，研究襯底與硅膜之間夾層，用以阻擋雜質(zhì)向硅膜擴(kuò)散，并研制出具有較高轉(zhuǎn)換效率的多晶硅薄膜電池，在近期內(nèi)使其轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到10%左右，為工業(yè)化生產(chǎn)作準(zhǔn)備，以期成本能降低到$1/w左右。

二、國(guó)內(nèi)CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展情況

我國(guó)的CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池研究始于80年代中期。內(nèi)蒙古大學(xué)、南開大學(xué)、云南師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所等單位先后開展了這項(xiàng)研究。1986年長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所用噴涂法制備了C1S薄膜。薄膜具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，并制備了全噴涂C1S/CdS太陽(yáng)電池，電池具有光伏效應(yīng)。1990年內(nèi)蒙古大學(xué)采用雙源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池，經(jīng)天津電源研究所測(cè)試，面積為0.9cm×0.9cm，效率為8.5%。南開大學(xué)采用蒸發(fā)硒化法制作CulnSe/C北薄膜太陽(yáng)電池，面積為0.1cm2和lcm2的太陽(yáng)電池，其效率分別達(dá)到7.62%和7.28%，5cm×5cm電他的平均效率為6.67%。

我國(guó)該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，而且處于較低的水平，投入很少，進(jìn)展緩慢。因此，急需加快研究和開發(fā)力度，加大對(duì)薄膜太陽(yáng)電他的投入，盡快向工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)渡，將薄膜太陽(yáng)電池作為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的高科技項(xiàng)目。近期內(nèi)，對(duì)CulnSe2薄膜太陽(yáng)電池的研制，通過(guò)控制Se、In、Cu三元素配比和蒸發(fā)速率，以獲得重復(fù)性好、化學(xué)計(jì)量比符合要求，具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的硒鋼銅薄膜，用化學(xué)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(nèi)，光伏轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到10%左右，為21世紀(jì)大規(guī)模發(fā)展Cu1nSe2薄膜太陽(yáng)電池奠定基礎(chǔ)。

三、薄膜光伏的商業(yè)化

在過(guò)去的幾年，世界光伏市場(chǎng)以每年45%的增幅在快速發(fā)展，不斷有新的公司進(jìn)入市場(chǎng)，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市場(chǎng)化也取得了進(jìn)展，并在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用（包括屋頂計(jì)劃和建筑物等）。2006年，整個(gè)世界范圍內(nèi)薄膜光伏的市場(chǎng)份額小于6%，然而在美國(guó)薄膜光伏的市場(chǎng)份額高達(dá)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(gè)公司在2006年取得長(zhǎng)足進(jìn)展。 中機(jī)院-專注于園區(qū)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)研究、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、城市發(fā)展規(guī)劃、投融資服務(wù)

世界上很多薄膜光伏公司從事a-Si、CIGS和CdTe的商業(yè)化發(fā)展，美國(guó)也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的進(jìn)展和技術(shù)進(jìn)步足以支持其往兆瓦級(jí)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。在美國(guó)有16家公司從事非晶硅和薄硅的商業(yè)化進(jìn)程，很顯然，其中的領(lǐng)跑者為密歇根的Uni-Solar，其在2006年產(chǎn)能為60MW，而2007年的產(chǎn)能達(dá)到120MW。美國(guó)薄膜光伏的快速發(fā)展得益于美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在多結(jié)太陽(yáng)電池技術(shù)上的成就；Applied Material則可提供單結(jié)非晶硅和納米硅疊層太陽(yáng)電池“交鑰匙”工程，迄今為止，已在包括中國(guó)、印度、德國(guó)、西班牙等世界各地裝機(jī)超過(guò)200MW。目前美國(guó)有15家公司采用不同的吸收層沉積技術(shù)開展CIGS業(yè)務(wù)，機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)在這兒并存；同時(shí)有8個(gè)公司從事CdTe薄膜光伏的市場(chǎng)化運(yùn)作。

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

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