硅基薄膜太阳电池新进展
Solar168 07-06-21 出处:南开大学作者:耿新华张建军编辑:solar168
一.引言
能源危机和环境污染的日趋严重极大地促进了光伏产业的迅速发展。过去的5年，在全球硅材料紧缺、价格飙升的情况下，世界光伏市场继续以平均每年40％的幅度增加。2006年实际产量达到2．6GW，产能超过3GW，人大超过对2006年预测的20~25％的增幅。中国2006年光伏电池地产量达到460MW，比2005年(140MW)增加280％，电池产能达到1200MW。光伏产业成为迄今为止最快增长的工业之一，商业预测到2010年全球市场容量将增加到400亿欧元。
图1、2006年太阳能电池TOP10厂家
2006年全球晶体硅电池的市场份额仍然占据90%以上。然而，晶体硅原材料继续保持较高的价格，这为薄膜太阳电池的发展提供了机会，使薄膜电池迎来了有史以来空前未有的大发展时期。不仅许多新进入光伏领域的投资者选择薄膜光伏作为其发展方向，就连产量居世界前十位的晶体硅电池生产公司中也有几家把自己的产品范围扩充到了薄膜技术领域(见图1)。2004年到2005年，全球薄膜太阳电池出货量增加了50％以上，从60MW增加到94MW。目前正在兴建的薄膜电池厂家会使薄膜电池的产能在2008年前增加5倍之多。预计到2010
年薄膜电池的产量将会扩展到1-2GW，这表明薄膜光伏的市场份额将上升到20％(见图2)，而到2020年这一份额更会增加到25％，达到25GW。
图2、晶硅和薄膜电池的未来发展趋势
和晶体硅电池相比，薄膜电池的不足之处是产品效率较低，生产技术不够成熟，特别是制造设备没有标准化。但是，薄膜太阳电池具有很大的降低成本的潜力，其共有的低成本优势省材、低功耗、便于大面积连续化生产。在薄膜太阳电池中，硅基薄膜具有更独特的优势：①原材料丰富，且无毒无污染；⑦能耗最低，制造温度约200摄氏度，可以使用大面积廉价的玻璃作为衬底；①原材料消耗少，每瓦电池只消耗0.2克硅烷，相当于0.02欧元／Wp，而每瓦晶硅电池要消耗8-12g晶体硅，相当于0.3欧元／Wp：④工艺简单，加工技术相对成熟。因此硅薄膜电池成为研究最多，发展最快，占有市场份额最大的薄膜电池。图3所示为到2010年a-Si、CIGS和CdTe三种薄膜电池市场发展预测。预计到2010年，a-Si、CIGS、CdTe三种电池将分别占有薄膜光伏市场的60％、20％和20％。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。本文将重点介绍硅基薄膜太阳电池的发展现状及其未来发展趋势。
图3、a-Si,CIGS,CdTe薄膜光伏电池技术产能预测
二．硅基薄膜太阳电池研发现状
硅基薄膜太阳电池的第一代技术——非晶硅太阳电池的单条生产线规模已达到
20-40MW(Kaneka 20MW，Uni-Solar 25MW，AM 40MW)，产品稳定效率达到5％-7％。国际上硅薄膜太阳电池主要生产厂商及产量如表1所示，各个公司所采用的电池技术如表2所示．从表1看出，2006年全球硅薄膜电池产能总和已经达到200MW，2007年预计达到350MW．从表2看出，目前大部分硅薄膜电池厂商的产品还是以第一代非晶硅电池为主，但是已有不少传统硅薄膜电池公司开始第二代非晶硅／微晶硅叠层电池技术产业化和设备的研发(Canon，SANYO，SHARP，UNAXISsolar，UnitedSolar)，预计在不远的将来第二代砖薄膜电池生产线就会登场。
中国非晶硅电池新增产能50MW(津能8 MW，广东中山10 MW，福建泉州10 MW，宁波慈溪5MW,北京世华10 MW，山东蓝星5 MW，山东东营2．5MW)。为了进一步提高效
率和稳定性，发展了硅基薄膜电池的第二代技术一一微晶硅薄膜电池．和非晶硅电池相比，微晶硅具有两大优点，一是微晶硅具有类似于单晶硅的低光学带隙，因此可明显拓展长波光谱响应，从而实现高的电流密度；二是具有很小的光致衰退效应，可明显提高电池稳定性。因此其受到广泛的重视和研究。微晶硅电池的缺点在于它是间接带隙半导体，在短波段的光吸收系数比非晶硅低，因此要实现高的短路电流密度需要超过1um的吸收层厚度。为了实现微晶硅电池的低成本制造，需要高速沉积技术。有实用前景的高速沉积技术，有甚高频(VHF)等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术，射频高压耗尽(RFHPD)一PECVD技术。最近，把甚高频与高压相结合，使微晶硅薄膜的沉积速率提高到20—30A/s。微晶硅薄膜采采用与非晶硅兼容的技术制备，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅怍底电池，形成非晶硅／微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。非晶硅/微晶硅叠层太阳电池被国际上公认是实现高效、高稳定、低成本薄膜太阳电池的重要技术途径。通过诸多实验室的努力，微晶硅电池自1994年被报道以来，转换效率得到明显的提高。目前，单结微晶硅电池的效率已超过10％，非晶硅／微晶硅双结叠层电池的效率超过14％，三结叠层电池的效率超过15％，大面积组件效率-13％。
国际上研发微晶硅电池技术,并取得较好成果的单位有日本的产业技术综合研究所光伏研发中心、Kenaka公司、三菱重工公司，德国Juelich的IPV、AppliedFilms公司，瑞士的IMT、Oerlikon公司，美国的Uui-Solar、Applied Materials公司，中国的南开大学等。
南开大学从2001开始研究微晶硅电池，截止到2005年，小面积微晶硅单结电池效率已达到9.2％，双结叠层电池效率达到11.8％，大面积双结叠层电池效率达到9．7％。采用甚高频和高压相结合的技术，硅薄膜的沉积速率从传统的1-3A/s提高到20A／s以上。在短短五年内实验室技术已赶上国际先进水平。
为了大幅度降低光伏发电成本，目前对微晶硅电池的研发集中在两个方面，一是在提高薄膜沉积速率的基础上，进一步提高效率和稳定性；二是开发大面积组件的产业化技术。微晶硅薄膜电池实现产业化的难点在于，如何实现高速沉积大面积薄膜的均匀性。因为高的激发频率下，电磁波的波长与电极面积相比拟，极板上电场的均匀性将大幅下降，导致等离子体分布不均匀，而薄膜材料特性受等离子体影响非常大。目前，国际上正在加紧研发高速沉积大面积微晶硅薄膜电池的产业化尺寸PECVD设备及其工艺技术。主要的PECVD技术有分室连续沉积技术(Kenaka)，单室技术(Oerlikon)，Cluster技术(三菱重工，AM)和roll-to-roll 技术(Uni-Solar)。预计日本Kenaka公司2007年6月将完成非晶砖／微晶硅电池生产线建设，AM(AF)和Oerlikon公司将于2008年完成。南开大学与国际同步也正在进行非晶硅/微晶硅电池产业化关键技术开发,目前下在开发非晶硅／微晶硅电池产业化关键设备和工艺技术。
三．硅薄膜电池发展前景
