薄膜Si太阳能电池生产线关键设备研制
及薄膜制备技术开发
项目负责人：蒋百灵
当前，人类社会的可持续发展正面临着传统能源紧缺和环境恶化的严重问题，并经历着一个从传统的化石能源向以太阳能为主的可再生清洁能源的转变阶段。太阳能的直接利用包括光热、光电和光热电，其中最具吸引力的是利用光电池的直接光电转换。
太阳能电池在许多发达国家乃至发展中国家都受到高度重视，德国、日本、美国和中国都列为重点发展领域。但是，太阳能电池的发展并不顺利，成本居高不下。中国虽然是太阳能电池的生产大国，但原料、技术和市场大部分都依赖国外。随着世界经济形势的恶化，国际市场的萎缩将进一步阻碍国内太阳能电池行业的发展。到目前为止，如果以转换效率和成本之比作为衡量标准对各类光电池进行比较，晶硅电池仍然是最好的，也是当前主要的发展方向和市场的主体。目前晶硅电池片发电成本为3～5元/度，是常规发电价格的5～10倍。一些发达国家采用巨额政府补贴方式扶持光伏产业，即便如此，其光伏发电量还不到总发电量的1％，且不符合我国的发展实际。晶硅电池存在的另一个问题是原料的供应问题，生产硅材料需要高品位的石英矿，资源也是有限的。
薄膜硅太阳能电池需要的硅仅为晶硅电池的1%甚至更低，不存在原料供应问题。当前处于研究开发阶段的薄膜电池除了硅系列外，还包括硒铟铜系列、碲化镉系列等。硒铟铜系列光电池的发展受到铟资源的严重限制，不可能形成真正的产业。目前全世界探明的铟储量5000吨左右，其中中国为3000吨，即使全部用于太阳能电池，也只能制造1.5×109平方米电池，日发电量4亿度左右，为当前中国用电的7％左右，而且只能用20年左右。至于碲化镉电池，除了碲为稀有元素外，镉的污染问题是非常难以解决的。我们认为，光伏产业最好的出路是采用硅材料，制作多晶硅薄膜太阳能电池。（薄膜硅仅为晶硅电池的1%的材料消耗，10%左右的单位面积薄膜制备能源消耗，如果解决了装备和工艺，极有可能将薄膜太阳能电池的发电成本控1元/度左右，其前景之广阔令人心动。
在光伏生产线建设中，设备的投资约占70%以上，虽然近年来我国光伏生产
线的投资数额不断增大，但是核心装备却全部依赖于进口。太阳能电池片的加工生产与专用设备之间的关系非常密切,俗称"一代设备,一代工艺,一代产品"，它将是不断提高太阳能电池片转换效率和降低制造成本的决定性关键要素。从全球光伏产业30多年的发展历史来看，只有拥有先进核心光伏生产设备，才能在光伏产业中处于领先地位。由于进口设备及备件价格昂贵，导致太阳电池成本增加。在薄膜太阳能生产线中，最为核心最为昂贵的两个设备就是PECVD和磁控溅射仪，其中PECVD是用来制备Si膜，磁控溅射是用来溅射电极，而目前这两部分却要依赖于进口，因此，开发研究具有自主产权的PECVD和可进行大面积镀膜的磁控溅射设备，可以大幅度的降低薄膜太阳能成本，根据我们的初步估算，自己开发研制出的一条薄膜太阳能生产线仅需要2000到3000万人民币，而目前引进这样一条生产线则需要高达2亿元以上的人民币。而当设备成本降低的时候，也会吸引更多的投资人将资金转入光伏产业，进一步扩大产业链。
西安理工大学材料学院在蒋百灵教授（项目建议人负责的）的带领下，多年来一直致力于磁控溅射设备的研制，目前，本课题组是国内唯一能够生产四靶以上大型生产用磁控溅射离子镀设备的单位。新引进的清华大学博士后王泽温原来所做的课题就是利用PECVD和磁控溅射进行多晶Si膜的制备，对于PECVD的工作原理及设备构造已经非常了解和熟悉。因此，我们有信心通过自己的努力，开发出一条完全具有自主产权的国产化薄膜Si生产线。
3长江学者和创新团队发展计划资助项目(IR T0547) 徐慢:男,1964年生,博士研究生 E 2mail :opluse @https://www.doczj.com/doc/3f12616754.html, 薄膜太阳能电池3 徐 慢,夏冬林,杨 晟,赵修建 (武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室,武汉430070) 摘要 薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正在得到迅速的发展和进步,主要介绍了非晶硅、多晶硅薄膜太 阳能电池以及CIGS 薄膜太阳能电池,通过比较这几种薄膜太阳能电池各自的特点阐述了各种薄膜太阳能电池的发展状况。 关键词 光电功能薄膜 薄膜 太阳能电池 Thin Film Solar Cells XU Man ,XIA Donglin ,YAN G Sheng ,ZHAO Xiujian (Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education , Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070) Abstract Thin film solar cells are under study by many research group s.This paper makes an introduction of the application of photoelectric f unctional thin films in solar cells ,mainly in the application of a 2Si ∶H ,poly 2Si ∶H and CIGS thin film solar cells and also includes the introduction of their development and preparation techniques. K ey w ords photoelectric f unction thin films ,thin film ,solar cells 0 前言 随着社会的进步与发展,如今光电技术已经成为热门的学科,同时它与各种学科之间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。例如,薄膜技术与光电子学领域的互相渗透使得光电子薄膜技术不断迅速发展,涌现了各种新型的光电薄膜器件,并且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。对光电薄膜材料的研究和开发工作是非常活跃的,所涉及的光电薄膜材料也很丰富,这些材料主要包括:G e 和Si 单晶以及以它们为基的掺杂体;化合物半导体有:CdS 、CdSe 、Cd Te 、ZnSe 、HgSe 、Hg Te 、PbS 、PbSe 、InP 、InAs 、InSb 、G aAs 、G aSb 等[1]。 在光(包括不可见光)的照射下,物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变化,就称为光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。光电材料中光伏材料一直是研究的热点,利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转化元件,还可以制造光电池———薄膜太阳能电池。随着世界能源的紧缺,薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜,可以有效地解决能源短缺问题,而且它无污染,易于大面积推广。 1 薄膜太阳能电池 目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导 体薄膜型和有机薄膜型。化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(如a 2Si ∶H )、ⅢV 2族(如CaAs )、Ⅱ2Ⅵ族(CdS 系)和磷化锌 (Zn 3P 2)等[2,3] 。 以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始,已经获得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳能电 池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。为降低成本,非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展,它制备工艺相对简单,易实现自动化生产,已在1980年开始实现产业化生产[4],但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S 2W 效应),因而阻碍了它的进一步发展。多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点,且无光致衰减效应,因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。另外,CIGS 薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一,其光电转化效率高,性能稳定而且不会发生光致衰减效应。本文将着重介绍非晶硅(a 2Si )、多晶硅(Poly 2Si )、铜铟镓硒(CIGS )这几种薄膜太阳能电池。 1.1 a 2Si ∶H 薄膜 相对于单晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。(1)非晶硅的光吸收系数大,因而作为太阳能电池时,薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时,要小得多;(2)相对于单晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单,制造过程能量消耗少;(3)可实现大面积化及连续的生产;(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底,因而容易降低成本;(5)可以做成叠层结构,提高效率。自1976年美国的Carlson 和Wronski 制备出第一个非晶硅太阳能电池以来,非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高,成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中,非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件,且价格便宜,市场占有率逐年增加。它能应用在如计算器、手表等弱光电池市场,也能应用在微波中继站、光伏水泵等 ? 901?薄膜太阳能电池/徐 慢等
三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术
有机薄膜太阳能电池的研究进展 摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。 关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言 近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理 图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理 当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展 有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面： 3.1 提高太阳光吸收效率 材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的 匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。 将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太
非晶硅薄膜太阳能电池及制造工艺 一、非晶硅薄膜太阳能电池结构、制造技术简介 1、电池结构 分为：单结、双结、三结 2、制造技术 ①单室，多片玻璃衬底制造技术。主要以美国Chronar、APS、EPV公司为代表 ②多室，双片（或多片）玻璃衬底制造技。主要以日本KANEKA公司为代表 ③卷绕柔性衬底制造技术（衬底：不锈钢、聚酰亚胺)。主要以美国Uni-Solar 公司为代表。 所谓“单室，多片玻璃衬底制造技术”就是指在一个真空室内，完成P、I、N 三层非晶硅的沉积方法。 作为工业生产的设备，重点考虑生产效率问题，因此，工业生产用的“单室，多片玻璃衬底制造技术”的非晶硅沉积，其配置可以由X个真空室组成（X为≥1的正整数），每个真空室可以放Y个沉积夹具（Y为≥1的正整数），例如：?1986年哈尔滨哈克公司、1988年深圳宇康公司从美国Chronar公司引进的内联式非晶硅太阳能电池生产线中非晶硅沉积用6个真空室，每个真空室装1个分立夹具，每1个分立夹具装4片基片，即生产线一批次沉积6×1×4＝24片基片，每片基片面积305mm×915mm。 ?1990年美国APS公司生产线非晶硅沉积用1个真空室，该沉积室可装1个集成夹具，该集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积760mm×1520mm。 ?本世纪初我国天津津能公司、泰国曼谷太阳公司（BangKok Solar Corp）、泰国光伏公司（Thai Photovoltaic Ltd）、分别引进美国EPV技术生产线，非晶硅沉积也是1个真空室，真空室可装1个集成夹具，集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积635mm×1250mm。 ?国内有许多国产化设备的生产厂家，每条生产线非晶硅沉积有只用1个真空室，真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具，或4个沉积夹具；也有每条生产线非晶硅沉积有2个真空室或3个真空室，而每个真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具。总之目前国内主要非晶硅电池生产线不管是进口还是国产均主要是用单室，多片玻璃衬底制造技术，下面就该技术的生产制造工艺作简单介绍。 二、非晶硅太阳能电池制造工艺 1、内部结构及生产制造工艺流程 下图是美国Chronar公司技术为代表的内联式单结非晶硅电池内部结构示意图：图1、内联式单结非晶硅电池内部结构示意图
非晶硅薄膜太阳能电池的制备 工艺流程 非晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺流程 清抚是玻璃镀膜必备的一道工序，因为班璃基片的清洁度会直接膨响沉积的薄臓的的匀性和粘附力?棊片上的任何微粒、油污和杂大程健上降低薄震的附若力.玻璃淸洗机是玻西在真亨橫痕.熟弯、钢化、中空合片等探加工丄艺和対璇璃农面述和清活、干燥处理的设篇.实验所采用的班隣为普通浮法股越口玻璃尺、j为700mm550mm D ?35rSa机主要由传动系统、辰洗、清水冲洗、纯水冲洗、冷、热J4千、电拎系统等组成”本立实验中使用HKD-TY1200清洗机清洗擴膜前的玻革基片” 背板玻璃清诜机工艺｛￡程为； 入料一城切1~盘刷洗一淀剂滾刪抚一风切2—D】水滚刷洗?傀切3—高压
喷附洗-BJ清洗一啧衲洗［-咬淋洗2-DI术洗?风刀「燥"除静电一出料玻璃淸洗后经检玲光源檢测，确认玻璃表曲没有明显微观峡陌和可见污Jft 物后方可进入镀膜阶段. “ 2,1.2玻璃基片的加热 为了提冉IF品硅太阳能电池的生产效率，首先将淆抚干挣的玻珀辜片裝载入沉枳盒.沉积盒放入侦热炉中加熱.预热炉加热方武为熱颯循环式.加热温度均20CV-300r.控富糯度￡编?控制方式为PID涮节. 2J.3 AZO膜的溅射设备 实验采用与企业共同开发研制的非标大廊积苹片磁捽银膜中试线.设备有盘岚业潔和中茨电阪靶村为平沏甕材*靶材与基片闾的距离为g如.基片敖置于墓片架上，在荷动机构的潜动下征返运动.设备设计加工尺寸为宽SS0im?. K7W W的平面肢璃赴板材科.采用夹心直加無营加热方貳.有肉匀的布P方式和稳定的抽吒速度.
制备AZO薄膜之前，使用中频反应溉射沉积SiOr钩离子阻挡层，使用的Si耙纯度为99.999%, Ar气纯度为99.99%,本底真空高f 2x10^3.之后使用直流磁控裁射沉积AZO薄膜，采用氧化锌掺铝陶瓷把材，威射气体及本底真空与隔离层一致.实验中制备的电池组件需要激光刻划来完成电池的集成.AZO 薄膜沉积之后，使用波长为355nm的激光刻划AZO薄膜. 2.1.4 Si膜的PECVD设备及电池的篥成 PECVD设备是非晶硅太阳能电池生产线的关键设备，完成a-SiiH膜的沉积。本设备为多片武中试线设备，主要由反应室、片盒、真空系统，电控系统，水路.气路，机架等组成.加热采用板式加热劈室外烘烤方式，沉积室内祁址高能达到300*0。设备电源有两种：一为AE射频CRF）电源，频率为13.56MHz, 最大功率为1?2KW； 二.为AE其离频（VHP》电源，频率为40.68MHzo设备的极用真空可以达到1X10-P/沉积用的气体由供气系统提供，柜内气体种类有硅烷⑸比）、磷烷（PH3k乙硼烷厲人）、氢气但2〉、氫气（Ar）、氮气两?设条配备有尾气处理系统.用于处理被抽出的易燃、易爆及席蚀性工艺气体.此非晶莊薄膜太阳德电池中试设篇用于生产700mmX550nun的大面积璇璃基非晶硅太阳能电池组件。 1、检査压缩空气、冷却水、设备电減足否正常，梅预热好的沉积盒推入沉枳室内，馈闭炉门。 2、开维持泵，开底抽管道插板阀，待破完管道真空后关低抽管路充气阀，开底 抽管道插板阀，开滑阀泵，特真空室内压力低于50OPa以下时，关旁路预抽阀，开低抽高阀，开罗茨泵，抽压力至IP A以下，此时若分子泵前级压力低于IP B。开分子泵，当分子泵转速到达最高转速时（31080）.关底抽管道插板阀.开分子泵前级阀"开髙抽阀，拉真空至本底真空，打开出气总阀，打开要做工艺气体的出口阀，调节流盘计度数，抽管路真空至本底良空. 3、打开尾气处理系统。观察尾气处理系统水、气、负压是否正常，炉口、炉内、水位有无报警，温度是否升到雯求700*0.加热裂解装置是否正常功能工作。 4、梅干泵N?吹扫址调制85L,开干泵，开干泵前级阀? 5、打开凱气、翘气、硅烷、磅烷气体瓶阀，确认后，开岀气总阀，依次开配气 柜氧气岀气阀，配气柜氨气进气阀，调节流爲计读数至工艺所需移数.通Ar起?辉.打击极板10分钟，关闭射频电瀕.再依次通入氢气、硅烷、确烷，调节角阀设定压力（0?266）?调节至工艺所需压力.待压力稳定后，开射频电源开关调节至工艺所需功率奁看辉光情况.稳定后，开始计时. 6、沉枳p层膜 7、沉枳到工艺所需时间后，关闭射频电源，迅速调小工艺气体流量.用干泵抽真
薄膜电池技术发展现状 太阳能电池发展中，薄膜电池从一开始就以低成本成为众人关注的亮点，目前国际上已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种，硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS ）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe ），其中，硅基薄膜电池以其特有的优势快速发展。 2010年行业专家预测，a-Si ，CdTe ，CIGS 3种电池将分别占有薄膜光伏市场的52％，37％和11％。可 见，硅基薄膜电池在中长期发展阶段仍将占据薄膜光伏市场的主导地位。薄膜电池近几年全球产量、市场份额趋势预测见表1、表2。笔者将重点介绍硅基薄膜太阳电池技术和薄膜太阳能电池市场发展现状。 摘 要：详细叙述了硅基薄膜太阳能电池结构、工艺制造技术，a-Si 沉积设备，并针对薄膜电池技术的发展现状， 分析了薄膜电池引起波动和变化的原因，展望了BIPV 薄膜电池在未来城市建筑中的应用前景。关键词：薄膜太阳能电池；非晶硅；转换效率中图分类号：TN604 文献标志码：A 收稿日期：2011－05－12；修回日期：2011－06－16 作者简介：张世伟（1962-），男，山西运城人，高级工程师，主要从事电子工艺及专用设备研究，E-mail ：scjs@https://www.doczj.com/doc/3f12616754.html, 。 薄膜太阳能电池技术及市场发展现状 （中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024） 张世伟 文章编号：1674-9146（2011）07－0041－04 表1 近几年薄膜电池全球产量 200920102011201220137211224196027373136185.5341.5484627.577311041605214426493151 2010.53170.545886013.5706054.9150.6246.7344.0544.63 9.2310.7710.5510.4310.9535.8638.6142.7245.5144.42年份 碲化镉（CdTe ） /MW 铜铟镓硒（CIGS ） /MW 非晶硅薄膜 /MW 全球产量/MW CdTe 市场份额/%CIGS 市场份额/%非晶硅薄膜市场份额 /% 表2 市场份额及趋势预测 2009201020112012201311531865270535553625464591.5721.5880107020902680311937464158 3707513765458181885356.3952.1847.6545.7946.97 12.5211.5111.0210.7612.0931.163.3141.3343.4540.95年份 碲化镉（CdTe ）/MW 铜铟镓硒（CIGS ）/MW 非晶硅薄膜 /MW 全球产量/MW CdTe 市场份额/%CIGS 市场份额/%非晶硅薄膜市场份额 /%
薄膜太阳能电池知识大全 说明：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，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上)，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，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沈积(deposition)技术，一层又一层地把p-型或n-型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。 薄膜太阳电池产品应用： 半透明式的太阳能电池模块：建筑整合式太阳能应用(BIPV) 薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事、旅行 薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防 薄膜太阳能电池的特色： 1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳) 2.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少 3.有较佳的功率温度系数 4.较佳的光传输 5.较高的累积发电量 6.只需少量的硅原料 7.没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内建) 8.厚度较晶圆太阳能电池薄 9.材料供应无虑 10.可与建材整合性运用(BIPV) 太阳能电池厚度比较：晶硅(200～350μm)、非晶性薄膜(0.5μm) 薄膜太阳能电池的种类： 非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)..等 薄膜太阳能电池分类表 薄膜太阳能电池制造厂商：联相光电、富阳光电、旭能光电、绿能科技、新能光电、茂迪、奇美能源、大亿光电、大丰能源、鑫笙能源、威奈联合、嘉晶电子、崇越科技、台达电、中环、宇通光电 薄膜太阳能测试设备厂商：庆声科技 薄膜太阳能制程流程表 薄膜太阳能模块结构图 说明：薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层..等所构成的。薄膜太阳能电池可靠度试验规范：IEC61646(薄膜太阳光电模块测试标准)、CNS15115(薄膜硅陆上太阳光电模块设计确认和型式认可)
演讲人:陈俊飞(常熟理工学院,光电系) 前言：(概述） 1.什么是薄膜太阳能电池？我个人的简单认识； 2.薄膜电池与我们之前所了解的晶硅电池相比又有哪些不同，抑或说是 优缺点； 3.薄膜电池有哪些用途(对应的商品)，以及今后的发展方向。 第一张：标题（薄膜太阳能技术课程报告） 第二张：简述我对薄膜电池的基本认识； 详细内容： 薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，其用硅量极少，更容易降低成本，同时它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。 分类详细说明： 1.硅基薄膜电池 硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池，而目前市场上主要是非晶硅薄膜电池产品。非晶硅（a - S i）太 阳电池一般是通过高频等离子体辉光放电等方法使硅烷（S i H4）气体
分解沉积而成的。非晶硅的禁带宽度为1.7e V，通过掺硼或磷可得到p 型或n型a - S i。然而由于非晶硅原子排列的不规则性，单纯的非晶硅p - n结中隧道电流占主导地位，无整流特性，不能制作太阳电池。为得到良好的二极管整流特性，一般要在p层和n层之间加入较厚的本征层i，以遏制其隧道电流，所以非晶硅太阳电池一般具有p - i - n结构。为了提高效率和改善稳定性，发展了p - i - n / p - i -n双层或多层结构式的叠层电池；美国联合太阳能（U n i t e dS o l a r）还做出了a - S i / a - S i G e /a-SiGe 三层堆叠硅锗电池，使吸收光谱更广。 2.碲化镉薄膜电池 碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一，由于其工艺过程简单、制造成本低，实验室转换效率已超过16%，大规模效率超过10.5%，远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境造成污染，使用受到限制。近年来，美国第一太阳能公司采取独特的蒸气输运法沉积等特殊措施，解决了镉元素的污染问题，开始大规模生产，并为德国建造世界最大的光伏电站提供40MW碲化镉太阳电池组件。 3.铜铟镓硒薄膜电池 铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池，通过磁控溅射、真空蒸发等方法在基底上沉积铜铟镓硒薄膜，薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。基底一般用玻璃，也可用不锈钢作为柔性衬底。铜铟镓硒薄膜电池的实验室最高效率已接近20%，成品组件效率已达到13%，是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。4.砷化镓薄膜电池
3上海海事大学青年骨干教师培养项目(No.025063) 张榕:通信作者 Tel :021********* E 2mail :rongzhang @https://www.doczj.com/doc/3f12616754.html, 碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备3 张 榕1,周海平2,陈 红3 (1 上海海事大学基础科学部,上海200135;2 四川师范大学物理与电子工程学院,成都610066; 3 上海交通大学物理系凝聚态光谱与光电子物理实验室,上海200030) 摘要 简单综述了化合物半导体碲化镉太阳能电池的发展历史、基本结构和核心问题,在此基础上重点总结了 用溅射法制备的多晶碲化镉薄膜太阳能电池的优缺点、面临问题、发展现状,展望了它的发展趋势,并讨论了用溅射法制备渐变带隙碲化镉薄膜太阳能电池以提高转化效率的可能性。 关键词 碲化镉 薄膜太阳能电池 溅射法中图分类号:TM914.42 An Overvie w of CdT e Thin Film Solar Cells and R elevant Sputtering F abrication ZHAN G Rong 1,ZHOU Haiping 2,C H EN Hong 3 (1 Basic Science Department ,Shanghai Maritime University ,Shanghai 200135;2 Department of Physics and Electronic Engineering , Sichuan Normal University ,Chengdu 610066;3 Laboratory of Condensed Matter Spectroscopy and Opto 2electronic Physics , Department of Physics ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030) Abstract This article firstly gives a brief overview to the development history ,basic structures and critical is 2 sues of compound semiconductor Cd Te 2based solar cells ,then sheds light on the advatages and disadvantages ,current status ,and trend of development of the sputtered polycrystalline Cd Te thin film solar cells.Finally ,it also discusses the possibility to fabricate graded 2bandgap Cd Te solar cells by using the sputtering method K ey w ords Cd Te ,thin film solar cells ,sputtering 0 引言 随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化以及人们对电能的需求量越来越大,太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。这非常有利于生态环境的可持续发展,造福子孙后代,因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。 太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。早在1839年,科学家们已经开始研究光生伏特效应,到20世纪40年代中期,太阳能电池的研制取得了重大突破,在单晶硅中发现了称之为Czochralski 的过程。1954年,美国贝尔实验室根据这个Czochralski 的过程成功研制了世界上第一块太阳能电池,能量转换效率达到4%。太阳能电池的问世,标志着太阳能开始借助人工器件直接转换为电能,这是世界能源业界的一次新的飞跃。 太阳能电池种类繁多,包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池等。 硅材料是目前太阳能电池材料(即光伏材料)的主流,这不仅因为硅在地壳中含量丰富,而且用它制成的电池转化效率相对较高。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。但是单晶硅太阳能电池制作工艺繁琐,且单晶硅成本价格居高不下,大幅降低成本非常困难,无法实现太阳能发电的大规模普及。 随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池愈来愈显示出诱人的前景。目前国际低成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、碲化镉(Cd Te )、铜铟硒(CuInSe 2)太阳能电池,Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体高效太阳能电池,非晶硅及结晶硅混合型薄膜太阳能电池等方面。与单晶硅太阳能电池相比,除多晶硅、砷化镓、铜铟硒、碲化镉等外,其他材料的电池光电转化效率普遍未超过15%。尽管如此,硅材料仍不是最理想的光伏材料,这主要是因为硅是间接带隙半导体材料,其光学吸收系数较低,所以研究其他光伏材料成为当前的一种趋势。其中,Cd Te 和CuInSe 2被认为是两种非常有应用前景的光伏材料,目前已经取得一定的进展,但是要将它们大规模生产并与晶体硅太阳能电池抗衡还需要投入大量的人力物力进行研发。 Cd Te 是一种化合物半导体,在太阳能电池中一般作吸收层。由于它的直接带隙为1.45eV [1],最适合于光电能量转换, 因此使得约2 μm 厚的Cd Te 吸收层在其带隙以上的光学吸收率达到90%成为可能,允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27%[2]。Cd Te 容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。因此,Cd Te 薄膜太阳能电池的制造成本较低,是应用前景较好的一种新型太阳能电池,已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。目前,已获得的最高效率为16.5%(1cm 2),电池模块效率达到11%(0.94m 2)[2～4]。然而,人们当前对Cd Te 太阳能电池的特点和发展趋势认识很零散,没有一个系统的、整体的了解。此外,人们对用溅射法制备的多晶碲化
薄膜太陽能電池發展背景 薄膜太陽能電池，顧名思義，乃是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應的薄膜，厚度僅需數μm，因此在同一受光面積之下比矽晶圓太陽能電池大幅減少矽原料的用量。薄膜太陽能電池並非是新概念的產品，實際上人造衛星就早已經普遍採用砷化鎵(GaAs)所製造的高轉換效率薄膜太陽能電池板(以單晶矽作為基板，轉換效能在30%以上)。 不過，一方面因為製造成本相當高昂，另一方面除了太空等特殊領域之外，應用市場並不多，因此直到近幾年因為太陽能發電市場快速興起後，發現矽晶圓太陽電池在材料成本上的侷限性，才再度成為產業研發中的顯學。目標則是發展出材料成本低廉，又有利於大量生產的薄膜型太陽能電池。 自2006下半年以來，因全球太陽能市場需求成長，造成矽原料供應不足、矽晶太陽能電池及模組生產成本水漲船高。而薄膜太陽能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀設計等優點，成為繼矽晶太陽能電池之後，被認為是當前最具發展潛力的太陽能技術。 太陽能電池技術發展 第一代結晶矽 單晶、多晶、非晶 第二代薄膜太陽能電池 矽薄膜、化合物薄膜 第三代染料敏化太陽能電池(DSSC)、其他新技術、新材料薄膜太陽能電池發電原理 薄膜太陽能電池，是以pn半導體接面作為光吸收及能量轉換的主體結構。在基板上分別塗上二種具不同導電性質的p型半導體及n型半導體，當太陽光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產生電洞。透過p型半導體及n型半導體分別吸引電洞與電子，把正電和負電分開，在pn接面兩端因而產生電位差。在導電層接上電路，使電子得以通過，並與在pn 接面另一端的電洞再次結合，電路中便產生電流，再經由導線傳輸至負載。 從光產生電的過程當中可知，薄膜太陽能電池的能量轉換效率，與材料的能隙大
薄膜型太阳能电池的优缺点 3.4 薄膜型太阳能电池 薄膜型太阳能电池由于使用材料较少，就每一模块的成本而言比起堆积型太阳能电池有着明显的减少，制造程序上所需的能量也较堆积型太阳能电池来的小，它同时也拥有整合型式的连接模块，如此一来便可省下了独立模块所需在固定和内部连接的成本。未来薄膜型太阳能电池将可能会取代现今一般常用硅太阳能电池，而成为市场主流。 非晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的最主要差异是材料的不同，单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的材料都疏，而非晶硅太阳能电池的材料则是SiH4，因为材料的不同而使非晶硅太阳能电池的构造与晶硅太阳能电池稍有不同。 SiH4 最大的优点为吸光效果及光导效果都很好，但其电气特性类似绝缘体，与硅的半导体特性相差甚远，因此最初认为SiH4 是不适合的材料。但在1970年代科学家克服了这个问题，不久后美国的RCA制造出第一个非晶硅太阳能电池。虽然SiH4 吸光效果及光导效果都很好，但由于其结晶构造比多晶硅太阳能电池差，所以悬浮键的问题比多晶硅太阳能电池还严重，自由电子与电洞复合的速率非常快；此外SiH4 的结晶构造不规则会阻碍电子与电洞的移动使得扩散范围变短。基于以上两个因素，因此当光照射在SiH4上产生电子电洞对后，必须尽快将电子与电洞分离，才能有效产生光电效应。所以非晶硅太阳能电池大多做得很薄，以减少自由电子与电洞复合。由于SiH4的吸光效果很好，虽然非晶硅太阳能电池做得很薄，仍然可以吸收大部分的光。 非晶硅薄膜型太阳能电池的结构不同于一般硅太阳能电池，如图9 所示，其主要可分为三层，上层为非常薄（约为0.008微米）且具有高掺杂浓度的P＋；中间一层则是较厚（0.5～1 微米）的纯质层（Intrinsic layer），但纯质层一般而言通常都不会是完全的纯质（Intrinsic），而是掺杂浓度较低的n 型材料；最下面一层则是较薄（0.02 微米）的n。而这种p+-i-n的结构较传统p-n结构有较大的电场，使得纯质层中生成电子电洞对后能迅速被电场分离。而在P＋上一层薄的氧化物膜为透明导电膜（Transparent Conducting Oxide :TCO），它可防止太阳光反射，以有效吸收太阳光，通常是使用二氧化硅（SnO2）。非晶硅太阳能电池最大的优点为成本低，而缺点则是效率低及光电转换效率随使用时间衰退的问题。因此非晶硅太阳能电池在小电力市场上被广泛使用，但在发电市场上则较不具竞争力。 图9 非晶硅薄膜型太阳能电池的结构图
发展碲化镉薄膜太阳能电池的几个关键问题 2009.4 ?碲化镉薄膜太阳能电池的发展日益受到重视。碲资源、电池成本、电池生产和使用对环境的影响等问题是碲化镉薄膜太阳能电池发展中受到很多人关注的问题。本文对此进行了分析讨论，最后分析了工业化规模生产碲化镉薄膜太阳能电池组件的关键技术。 引言 碲化镉薄膜太阳能电池的发展受到国内外的关注，其小面积电池的转换效率已经达到了16.5%，商业组件的转换效率约9%，组件的最高转换效率达到11%。国内四川大学制备出转换效率为13.38%的小面积单元太阳能电池，54cm2集成组件转换效率达到7％，正在进行0.1㎡组件生产线的建设和大面积电池生产技术的研发。 成本估算 考虑电池的结构为玻璃/SnO2：F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni，碲化镉薄膜的厚度为5微米，转换效率为7%，1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本如下表所示。 碲化镉薄膜太阳能电池的材料成本 可见，碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体，分别占到消耗材料总成本的45.4%和38.2%。 消耗材料的成本还可以进一步降低，如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米，则碲化镉材料的消耗将降低20%，从而使材料总成本降低9.1%，即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如使用99.999%纯度的碲化镉，效率依然能达到7%，材料成本还将进一步降低。因此，材料成本达到或低于每峰瓦5元人民币是可能的。
考虑工资、管理、电力和设备折旧等其他成本，碲化镉薄膜太阳能电池的成本大约是每峰瓦13.64元人民币或更低。因此，即使销售价格为每峰瓦20~22元人民币，约为晶体硅太阳能电池现在价格的60%，也能保证制造商有相当的利润空间。 由于碲化镉薄膜太阳能电池成本低，其发展对于解决我国西部地区分散居住人口的电力供应具有重要意义。 碲资源 碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。据相关报道，地球上有碲14.9万吨，其中中国有2.2万吨，美国有2.5万吨。 在美国碲化镉薄膜太阳能电池制造商First Solar年产量25MW的工厂中，300~340 公斤碲化镉即可以满足1MW太阳能电池的生产需要。考虑到碲的密度为6.25g/cm3，镉的密度为8.64g/cm3，则130~140公斤碲即可以满足1MW碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要。 由以上数据可以知道，按现已探明储量，地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用100年。 环境影响 由于碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，使很多人担心碲化镉太阳能电池的生产和使用对环境的影响。多年来，一些公司和专家不愿步入碲化镉太阳能电池的开发和生产。那么，碲化镉薄膜太阳能电池的生产和使用中镉的排放究竟有多严重呢？ 为此，美国布鲁克文国家实验室的科学家们专门研究了这个问题。他们系统研究了晶体硅太阳能电池、碲化镉太阳能电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位发电量的重金属排放量。在太阳能电池的分析中，考虑了将原始矿石加工得到制备太阳能电池所需材料、太阳能电池制备、太阳能电池的使用等全寿命周期过程。研究结果表明（见图1），石油的镉排放量是最高的，达到44.3g /GWh，媒次之，为3.7g /GWh。而太阳能电池的排放量均小于1g /GWh，其中又以碲化镉的镉排放量最低，为0.3 g / GWh。与天然气相同，硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉太阳能电池的两倍。
【关键字】大全 薄膜太阳能电池知识大全 说明：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，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上)，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，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沈积(deposition)技术，一层又一层地把p-型或n-型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。 薄膜太阳电池产品应用： 半透明式的太阳能电池模块：建筑整合式太阳能应用(BIPV) 薄膜太阳能之应用：随身折迭式充电电源、军事、旅行 薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防 薄膜太阳能电池的特色： 1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳) 2.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少 3.有较佳的功率温度系数 4.较佳的光传输 5.较高的累积发电量 6.只需少量的硅原料 7.没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内建) 8.厚度较晶圆太阳能电池薄 9.材料供应无虑 10.可与建材整合性运用(BIPV) 太阳能电池厚度比较：晶硅(200～350μm)、非晶性薄膜(0.5μm) 薄膜太阳能电池的种类： 非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)..等 薄膜太阳能电池分类表 薄膜太阳能电池制造厂商：联相光电、富阳光电、旭能光电、绿能科技、新能光电、茂迪、奇美能源、大亿光电、大丰能源、鑫笙能源、威奈联合、嘉晶电子、崇越科技、台达电、中环、宇通光电 薄膜太阳能尝试设备厂商：庆声科技 薄膜太阳能制程流程表 薄膜太阳能模块结构图 说明：薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层..等所构成的。薄膜太阳能电池可靠度试验规范：IEC61646(薄膜太阳光电模块尝试标准)、CNS15115(薄膜硅陆上太阳光电模块设计确认和型式认可) 薄膜太阳能电池专有名词整理：
薄膜太阳能电池，你了解多少？ 光伏电池组件来源:新能源前线2017/10/19 16:48:14我要投稿 关键词: 薄膜电池太阳能电池光伏技术 近几年来，太阳能电池越来越受到科研人员的重视，发展迅速，前景光明。除了传统的晶体硅用于太阳能电池的制备中，现在薄 膜太阳能电池板也发展得如火如荼，那么薄膜太阳能电池有哪些？ 它们的性能如何？跟着小编看看吧！ 随着基础科学的发展，太阳能电池板的性能也有了很大的提高。薄膜太阳能电池板正逐渐成为主流。相比于传统的硅材料太阳能电池板，它具有更好的柔韧性，拓宽了太阳能电池的应用领域，能够和你家的结构设计无缝连接！ 传统太阳能电池板和薄膜电池板的不同，二者之间最明显的区别在于厚度，导致了传统太阳能电池板和薄膜太阳能电池在太阳能捕获效率上存在差异，其原因在于材料的不同，薄膜太阳能电池采用了不同的化合物。 传统的太阳能板用的是晶体硅（C-Si），这项技术已经发展多年，比较成熟可靠。值得注意的是，虽然C-Si具有较高的能量转换效率，但是实际吸光效率较差，这就意味着太阳能板必须足够厚，才能提高实际效率。与此不同的是，薄膜技术可以“混搭”多种元素，比传统太阳能板薄350倍左右，通过在玻璃、金属、塑料等材料表面镀膜或者沉积就可以制备太阳能电池面板。这样，不同类型的材料对光能可以充分利用，提高效率。
薄膜太阳能电池的类型 现在，薄膜太阳能电池要达到两个目标：一是要具有足够的柔韧性，能够在大型建筑材料表面附着，二是要实现和传统太阳能电池一样的效率，甚至更高。不同的制备技术所得的薄膜太阳能板和传统的太阳能板相比，具有不同的优缺点。通常对薄膜太阳能板的命名来自于半导体材料的类型。 1.不定形硅(a-Si) 图1.a-Si光伏电池结构 不定形硅是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太阳能电池。这可能是因为晶体硅早已用在传统太阳能电池上，人们对硅电子的性质的了解比较透彻。 优点：