太阳能的利用—薄膜太阳电池

硅太阳电池的应用日趋广泛,但昂贵的原材料成为发展的瓶颈.薄膜太阳电池由于只需使用一层极薄的光电材料，材料使用非常少。并可使用软性衬底，应用弹性大，假如技术发展成熟，其市场面将相当宽阔。本文就迄今被人们广为关注的薄膜太阳电池,即非晶硅薄膜太阳电池，微（多）晶硅薄膜太阳电池，铜铟硒薄膜太阳电池，碲化镉薄膜太阳电池，染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池的发展概况,技术难点和优缺点进行论述.

1引言

新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。光伏电池是一种重要的可再生能源,既可作为独立能源,亦可实现并网发电,而且是零污染排放。硅太阳电池由于成本原因,最初只能用于空间,随着技术发展和生产工艺成熟,其成本日趋下降,应用也逐步扩大.面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染,以至危及人类自身生存的现实,开发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受.发电能力超过100兆瓦的超大型光伏发电站相继在世界各处建造,发电能力为几十兆瓦的大型光伏发电站更不在少数(在建的和已建成的).大规模的发展使得上游原材料的生产供不应求,问题日益突出,许多太阳电池芯片生产厂家和组件生产厂家因原材料问题而不得不经常处于停产状态,原材料的供应和价格成了制约当前太阳电池生产的瓶颈.

大力发展薄膜型太阳电池不失为当前最为明智的选择,薄膜电池的厚度一般大约为0.5至数微米,不到晶体硅太阳电池的1/100,大大降低了原材料的消耗,因而也降低了成本.薄膜电池可沉积在玻璃、不锈钢片或聚脂薄膜等廉价的衬底上,可以弯曲甚至可以卷起来,便于携带.

薄膜太阳电池的研究始于20世纪60年代,目前从国际上的发展趋势看重要是非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳电池,微(多)晶硅薄膜太阳电池,铜铟硒(CuInSe,CIS)薄膜太阳电池,碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池,染料敏化薄膜太阳电池(DSSC),有机薄膜太阳电池.以下分别概述各类薄膜太阳电池的研发情况.

2非晶硅薄膜太阳电池

2．1重要进展

非晶硅薄膜太阳电池在20世纪70年代世界能源危机时获得了迅速发展,它在降低成本方面的巨大潜力,引起了世界各国研究单位、公司和政府的普遍重视,其重要特点是

（1）重量轻,比功率高

在不锈钢衬底和聚脂薄膜衬底上制备的非晶硅薄膜电池,重量轻、柔软,具有很高的比功率.在不锈钢衬底上的比功率可达1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率最高可达2000W/Kg.而晶体硅的比功率一般仅40-100W/Kg.由于衬底很薄,可以卷曲、裁剪,便于携带,这关于降低运输成本特别是关于空间应用十分有利.

（2）抗辐照性能好

由于晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池在受到宇宙射线粒子辐照时,少子寿命明显下降.如在1Mev电子辐射通量1×1016e/cm2时,其输出功率下降60%,这关于空间应用来说是个严重问题.而非晶硅太阳电池则表现出良好的抗辐射能力,因宇宙射线粒子的辐射不会(或很小)影响非晶硅太阳电池中载流子的迁移率,但却能大大减少晶体硅太阳电池和砷化镓太阳电池中少子的扩散长度,使电池的内量子效率下降.在相同的粒子辐照通量下,非晶硅太阳电池的抗辐射能力(效率10%,AM0条件下)远大于单晶硅太阳电池的50倍,具有良好的稳定性.多结的非晶硅太阳电池比单结的具有更高的抗辐照能力.

（3）耐高温

单晶硅材料的能带宽度为1.1eV,砷化镓的能带宽度为1.35eV,而非晶硅材料的光学带隙大于1.65eV,有相对较宽的带隙,所以非晶硅材料比单晶硅和砷化镓材料有更好的温度特性.在同样的工作温度下,非晶硅太阳电池的饱和电流远小于单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池,而短路电流的温度系数却高于晶体硅电池的1倍,这十分有利在较高温下保持较高的开路电压(Voc)和曲线因子(FF).在盛夏,太阳电池表面温度达到60-70度是常有的,良好的温度特性是十分重要的.

据报导在空间应用时,由于辐照和高温的原因,初始稳定效率为9%的非晶硅太阳电池,其性能优于初始效率为14%的单晶硅太阳电池.

非晶硅太阳电池经过30多年的发展,在技术上已取得很大进展,重要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜来替代非晶硅薄膜做窗口材料,以改善电池的短波方向光谱响应;采用梯度界面层,以改善异质界面的输运特性;采用微晶硅薄膜做n型层,以减少电池的串联电阻;用绒面二氧化锡代替平面氧化铟锡;采用多层背反射电极,以减少光的反射和透射损失,提高短路电流;采用激光刻蚀技术,实现电池的集成化加工;采用叠层的电池结构,以扩展电池的光谱响应范围,提高光电转换效率;采用分室持续沉积技术,以消除反应气体的交叉污染,提高电池的性能.上述技术的采用使非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率从2%提高到13.7%.

随着非晶硅太阳电池光电转换效率的提高,其产业化进程也取得令人瞩目的进展.由于非晶硅材料优越的短波响应特性,使其在计算器、手表等荧光灯下工作的微功耗电子产品中占据很大优势,不仅在80年代的10年中取得了数十亿美元的利润,而且至今仍具有很大的消费市场。从计算器、手表等弱光应用到各种消费品甚至功率方面的应用,如收音机、太阳帽、庭院灯、微波中继站、特种航海信号灯、气象监测、光伏水泵及小型独立电源等应用领域不断扩大,产量迅速上升.世界上出现了若干MW级的生产线和许多非晶硅薄膜太阳电池的公司.到80年代中,整个非晶硅薄膜太阳电池的年销售量上升很快,形成了非晶硅薄膜、多晶硅和单晶硅的三分天下的局面.

2．2发展中出现的问题和应对措施

尽管非晶硅薄膜太阳电池具有上述诸多优点,然而在发展中也显现出一些明显的问题.重要是电池的光电转换效率在强光用途下呈逐渐衰退的态势,这一问题是阻碍非晶硅薄膜太阳电池进一步发展的重要障碍.初期产品的光电转换效率本来就低(仅4-5%),再加上30%左右的衰退率,使非晶硅薄膜太阳电池的低成本的优势被较低的效率所抵消.这样就造成了非晶硅薄膜太阳电池的产量从80年代末到90年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段.对此学术界自90年代起围绕如何提高非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率稳定性的问题,从材料、器件结构等多个层面进行研究.特别针对光电转换效率在强光用途下衰退的机理进行了不懈的探索,初步结论是本征非晶硅材料的S-W效应.为了揭示S-W效应的起因,在理论上人们提出了各种微观模型:如Si-Si弱键模型;电荷转移模型;再杂化双位模型;Si-H弱键模型以及桥键模型等.

为了减少材料中的氢的含量,最成熟的技术是在沉积薄膜的过程中用氢气稀释反应气体法。由于这种方法，工艺简单易行，而且效果明显，因此是当前普遍采用的技术。研究表明，用氢气稀释法制备的本征非晶硅的太阳电池，其光电转换效率的衰退率从25%以上降到20%。

除上述通过改善非晶硅材料的S-W效应来提高电池的光电转换效率的稳定性以外,人们还从电池结构上采取措施,其中最重要的就是采用多带隙叠层电池结构,即多个不同带隙的p-i-n结叠加的结构,这样可减薄每个子电池的i层厚度,使每个电池的内电场增强,从而新增了每个子电池的载流子收集效率.

经过十几年的不断探索,目前在提高非晶硅薄膜太阳电池的效率稳定性方面取得了很大的进步,其光电转换效率的衰退率已达到小于15%.光电转换效率本身也有明显的提高,如小面积的已达到13%,大面积的已超过10%,组件的达到7.1%.

技术上的突破与进步带来了更大规模的发展,如九十年代中期,国际上先后建立了数条5-10MW的薄膜太阳电池组件生产线,生产量力新增了25MW.生产流程实现了全自动化,组件面积为平方米量级,采用新型封装技术,产品组件寿命达到10年以上.

我国自70年代末开始研究非晶硅薄膜太阳电池,到80年代末小面积电池效率达到11.2%,大面积电池效率超过8%,均达到国际先进水平.然而在产业化方面落后于国外,至今没有一条具有自主知识产权的非晶硅薄膜太阳电池生产线.

目前研究、开发和生产非晶硅基太阳电池的大公司重要是：

（1）日本的Kaneka公司。发展a-Si太阳电池有20多年历史，1999年达到规模生产，他们最先开发了在200℃沉积a-Si/μc-Si叠层电池结构，並申请了专利。这种a-Si/μc-Si叠层电池的成本（按40MWp/年来计算）,只及c-Si太阳电池的一