多晶薄膜太陽(yáng)電池發(fā)展

　　太陽(yáng)能電池正在發(fā)生革命性地變化，近年來，業(yè)界已經(jīng)充分掌握了以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)能電池的技術(shù)。專家認(rèn)為，未來5年內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池將大幅降低成本，屆時(shí)這種薄膜太陽(yáng)能電池將得到廣泛應(yīng)用。

　　在各種類型的太陽(yáng)能電池中，晶體硅太陽(yáng)能電池仍然占據(jù)著85%以上的份額，但現(xiàn)在正受到來自薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)。近幾年，薄膜太陽(yáng)能電池所占份額有所增加，特別是非晶硅太陽(yáng)能電池與以銅銦鎵硒、碲化鎘為代表的化合物太陽(yáng)能電池增加明顯，這一方面是由于世界各國(guó)在薄膜太陽(yáng)能電池方面持之以恒地研發(fā)投入，特別是在探索低成本、大面積化的薄膜太陽(yáng)能電池方面頗見成效；另一方面是由于光伏市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，以高純多晶硅為主要原材料的晶體硅太陽(yáng)能電池，受高純多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)和資金壁壘的限制，擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃受到制約；再者，晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)技術(shù)接近成熟，單位質(zhì)量高純多晶硅生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的數(shù)量潛力有限，加之提煉高純多晶硅的耗能較大，就使得晶體硅太陽(yáng)能電池組件的成本下降空間有限，這也在客觀上為薄膜太陽(yáng)能電池的迅速發(fā)展提供了契機(jī)。

　　薄膜太陽(yáng)電池不僅價(jià)格低廉，還可以作為大型建筑的透明鑲嵌板，安置在摩天大樓和房頂?shù)年?yáng)面，比太陽(yáng)能電池板更持久耐用，并且更美觀。

　　綜上所述，由于材料消耗少、成本低、性能穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%以上，薄膜太陽(yáng)電池受到世界各國(guó)越來越多的關(guān)注。目前薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多晶硅電池，很多業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為薄膜太陽(yáng)能電池取代多晶硅電池是必然趨勢(shì)，世界上至少有40個(gè)國(guó)家正在開展對(duì)下一代低成本、高效率的薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)用化的研究開發(fā)。

　　薄膜太陽(yáng)電池的體系包括硅基、銅銦鎵硒（CuIn1-XGaXSe2，簡(jiǎn)寫為CIGS）、碲化鎘（CdTe）以及摻雜聚合物材料等（如表1所示），這3種薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有很大區(qū)別，其中多晶薄膜太陽(yáng)電池CdTe和CIGS具有較大的優(yōu)勢(shì)，通過詳細(xì)的成本計(jì)算（如表2所示），實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)時(shí)，這2種電池在成本方面也非常有競(jìng)爭(zhēng)力（如表3所示）。

注：1是指玻璃襯底的CIGS薄膜太陽(yáng)電池；2是指不銹鋼襯底的CIGS薄膜太陽(yáng)電池。

　　薄膜太陽(yáng)電池組件完全適用于“并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”、“離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”和“光伏與建筑物集成”3大太陽(yáng)電池市場(chǎng)，如圖1所示。

圖1  薄膜太陽(yáng)電池組件的應(yīng)用

　　為了更好地了解CIS和CdTe太陽(yáng)電池和組件技術(shù)，首先來了解一下目前世界最高水平的太陽(yáng)電池和組件，表4列出了CIGS薄膜太陽(yáng)電池的最好結(jié)果，表5列出了世界上各太陽(yáng)電池組織和公司性能最好的組件，其中很多測(cè)試數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）提供。

注：1.*代表美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)測(cè)試結(jié)果

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2.CIGSS=Cu(In,Ga)(Se,S)2。

一、技術(shù)基礎(chǔ)

　　了解太陽(yáng)電池的工作原理有利于商業(yè)化生產(chǎn)中組件性能的提高、成品率和工藝穩(wěn)定性，得到高性能CIGS和CdTe薄膜太陽(yáng)電池及組件的關(guān)鍵在于其制備研究，在一些科技報(bào)道中已公開論述了高性能太陽(yáng)電池的制備過程甚至包括一些細(xì)節(jié)。但是這些對(duì)于商業(yè)化生產(chǎn)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這可能是由于電池制備過程和電池性能的相關(guān)聯(lián)系及其機(jī)理并不十分清楚。很多研究者正在研究制備過程和材料表征對(duì)電池性能的影響，很多報(bào)道關(guān)注CIGS和CdTe吸收層材料的微觀和納米結(jié)構(gòu)表征，詳細(xì)分析了PN結(jié)的形成等。

　　1.CIGS技術(shù)

　　CIGS薄膜太陽(yáng)電池的典型結(jié)構(gòu)為MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/玻璃，并以襯底支撐，通常以低廉的鈉鈣玻璃為襯底進(jìn)行組件制作，另外，聚合物、金屬箔、不銹鋼等也可用作襯底。目前，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的世界最高記錄由NREL保持，轉(zhuǎn)換效率為19.9%（AM1.5）。當(dāng)緩沖層以單一的ZnS（O,OH）或CdZnS（O,OH）替代傳統(tǒng)的CdS緩沖層，則最高轉(zhuǎn)換效率超過18%；吸收層厚度為1.1mm的CIGS薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為17.1%（全面積），這些數(shù)據(jù)都列于表4中。CIGS吸收層薄膜采用物理氣相沉積法，緩沖層CdS或CdZnS(O,OH)采用化學(xué)浴法（CBD），ZnO薄膜采用化學(xué)氣相沉積法或?yàn)R射法制備。

　　新的技術(shù)進(jìn)展是采用真空沉積法制備緩沖層薄膜以替代傳統(tǒng)的化學(xué)浴法。在吸收層制備中，除了傳統(tǒng)的蒸發(fā)法外，又開發(fā)了另2條技術(shù)路線，其中之一是真空沉積法（如濺射法）制備Cu－In－Ga金屬預(yù)制膜，而后用H2Se氣體硒化制得CIGS薄膜；另一技術(shù)途徑是以納米“墨水”采用印刷的方法制備。然而之后的研究表明以印刷法制備的CIGS薄膜太陽(yáng)電池器轉(zhuǎn)換效率未能超過13％；另一缺點(diǎn)是濕法制備的CIGS吸收層需用氫化物腐蝕才能得到好的性能。德國(guó)的Sulfurcell公司采用該項(xiàng)濕法技術(shù)開始規(guī)模化生產(chǎn)并已有首批商業(yè)化產(chǎn)品。有些研究工作以CuGaSe2和CuInSe2為吸收層，其中佛羅里達(dá)太陽(yáng)能中心以CuInSe2為吸收層，制得的太陽(yáng)電池最高轉(zhuǎn)換效率為11.99%（CIS世界記錄）。研究表明，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)是將吸收層厚度降至1mm或更薄，這將減少稀有金屬的用量，有助于降低成本、提高生產(chǎn)力；吸收層厚度可減薄至0.7mm，若繼續(xù)減薄將影響太陽(yáng)電池的開路電壓、影響因子和短路電流，從而影響性能。

　　2.CdTe技術(shù)

　　CdTe薄膜太陽(yáng)電池的典型結(jié)構(gòu)為玻璃/SnO2/CdS/CdTe/電極，目前，CdTe薄膜太陽(yáng)電池的世界最高記錄由NREL保持，轉(zhuǎn)換效率為16.5%。SnO2前電極被Cd2SnO4取代，同時(shí)采用半透明底電極，CdTe的最高光電轉(zhuǎn)換效率為13.9%。NREL和第一太陽(yáng)能公司（First Solar）所生產(chǎn)性能良好的CdTe薄膜太陽(yáng)電池均是在高溫（>500°C）下真空升華沉積制得，另外，其他技術(shù)如電鍍法也曾被用于制備CdTe薄膜太陽(yáng)電池。很多研究工作集中于CdTe薄膜的微觀納米結(jié)構(gòu)、CdTe吸收層、CdS/CdTe界面的相互擴(kuò)散（尤其是S往CdTe薄膜中的擴(kuò)散）、CdCl2氣體的加熱方式、Cu的摻入等對(duì)薄膜太陽(yáng)電池性能所產(chǎn)生的影響。其中有意思的是，CdTe的開路電壓可以在不影響影響因子和短路電流的情況下得到提高，由850mV提高至900mV。在規(guī)模化生產(chǎn)中，2007年First Solar將其60cm×120cm的組件性能由50～55W提升至55～65W。

　　3.組件可靠性

　　目前廣泛認(rèn)為CIGS和CdTe比晶體硅或非晶硅對(duì)潮氣更敏感，要求更好的組件封裝。如果沒有這些措施，CIGS和CdTe組件通過“濕—熱”測(cè)試（暴露在85°C，85％相對(duì)濕度的環(huán)境下1000h）是很困難的。NREL的研究表明，在不同的天氣條件下暴露在65～100°C下，光照對(duì)未封裝太陽(yáng)電池的性能將產(chǎn)生影響；而對(duì)于組件來說，太陽(yáng)電池的連接也將對(duì)其長(zhǎng)期性能產(chǎn)生影響。對(duì)于CdTe太陽(yáng)電池而言，完整太陽(yáng)電池制備（包括底電極）的詳細(xì)過程對(duì)于得到高性能、高可靠的組件是非常必要的。在佛羅里達(dá)太陽(yáng)能中心和德克薩斯州的A&M大學(xué)開展了一項(xiàng)真實(shí)環(huán)境測(cè)試，將薄膜光伏組件暴露在又熱又潮濕的天氣下，測(cè)試組件的長(zhǎng)期性能，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)CIGS和CdTe組件具有良好封裝時(shí)可通過“濕—熱”測(cè)試。

二、薄膜光伏的商業(yè)化

　　在過去的幾年，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。

　　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。

　　First Solar在薄膜光伏技術(shù)領(lǐng)域是世界上的佼佼者，已在奧爾良建立了產(chǎn)能90MW的CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件的生產(chǎn)線（如圖2所示），最近打算在德國(guó)新建年產(chǎn)120MW的生產(chǎn)線；同時(shí)，將于2009年在馬來西亞建立年產(chǎn)240MW的生產(chǎn)線；因此，F(xiàn)irst Solar在2009年的產(chǎn)能將達(dá)到450MW，成為世界上最大的太陽(yáng)電池生產(chǎn)廠商。NREL早在1991年便首次授權(quán)給奧爾良的Solar Cells Inc.來發(fā)展CdTe薄膜太陽(yáng)電池及其組件技術(shù)，并且從技術(shù)上支持Solar Cells Inc.和First Solar開展商業(yè)化生產(chǎn)。圖3列出了First Solar的CdTe組件的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大后，成本從2004年的2.94美元/W（6MW）降至1.25美元/W（90MW）。預(yù)計(jì)在2012年生產(chǎn)規(guī)模再擴(kuò)大、成品率和組件效率提高后成本可降至0.60美元/W。

注：圖中 “Q4’06”是指2006年第4季度。