硅基薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展與未來(lái)

硅基薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展與未來(lái)摘要本文首先介紹了硅基薄膜太陽(yáng)電池在光伏發(fā)電技術(shù)中的重姜地位；然后敘述了硅基薄膜電池初期的快速發(fā)展，前進(jìn)中遇到的困難，國(guó)際范困的攻堅(jiān)及技術(shù)上的突破；最后預(yù)言了硅基薄膜電池的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，并提出了我國(guó)發(fā)展硅基薄膜電池的策略與建議。一、 硅基薄膜太陽(yáng)電池在光伏中的地位隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)可再生清潔能源成為國(guó)際范圍內(nèi)的重大戰(zhàn)略問(wèn)題之一。太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成為世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展能源的戰(zhàn)略決策。陽(yáng)光發(fā)電是大規(guī)模經(jīng)濟(jì)地利用太陽(yáng)能的重要手段。因此，對(duì)大陽(yáng)電池的研究受到世界各國(guó)的普遍重視。無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家，還是發(fā)展中國(guó)家均制定了中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃，把光伏發(fā)電作為人類(lèi)未來(lái)能源的希望。目前，光伏發(fā)電在航天、通訊及微功耗電子產(chǎn)品領(lǐng)域已成功地占據(jù)了不可替代的位置。但做為社會(huì)整體能源結(jié)構(gòu)的組成部分，其所占比例尚不足1%.造成這種狀況的主要原因是燈日電池的成本較高。要使光伏發(fā)電真正成為能源體系的組成部分，必須要大幅度地降低成扒薄膜太陽(yáng)電池在降低成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，其中，硅基薄膜電池的優(yōu)勢(shì)更大，因?yàn)椋孩俟璨牧蟽?chǔ)量豐富（硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素），而且無(wú)毒、無(wú)污染，是人們研究最多，技術(shù)最成熟的材料，②耗材少、制造成本低。硅基薄膜電池的厚度小于1^m幾不足晶體硅電池厚度的1/100,這便大大降低了材料成本；硅基薄膜電池采用低溫工藝技術(shù)（200。0,這不僅可節(jié)能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉價(jià)襯底；另外，硅基薄膜采用氣體的輝光效電分解沉積而成，通過(guò)改變反應(yīng)氣體組分可方便地生長(zhǎng)各種硅基薄。膜材料，實(shí)現(xiàn)pin和各種疊層結(jié)構(gòu)的電池，節(jié)省了許多工序。③便于實(shí)現(xiàn)大面積、全自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。由于“基薄膜大”電池在降低成本方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其自1976年一誕生，立即在全世界范國(guó)內(nèi)掀起對(duì)硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究熱潮。至今二十幾年來(lái)在研究水平和開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使其在先伏領(lǐng)域占據(jù)了不可替代的重要位置。二、 硅基薄膜太陽(yáng)電池的崛起由于硅基薄膜太陽(yáng)電池在降低成本方面的巨大潛力，所以，引起了研究單位、企業(yè)界及各國(guó)政府的普遍重視，從而促進(jìn)了硅基薄膜太陽(yáng)電池突飛猛進(jìn)的發(fā)展，當(dāng)前的硅基薄膜大陽(yáng)電池是非晶硅電池，在初期階段的技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在：①用a-SiC或^C-SiC代替a-Si做窗口層，以改善電池的短波光譜響應(yīng)。②采用梯度界面層，以改善異質(zhì)結(jié)界面的輸運(yùn)特性。③采用UC一S1做n層，己減少串聯(lián)電阻。④用絨面Sii0，代替平面IT0，并采用多層背反射電極，以減少先的反射和透射損失，提高短路電流。⑤采用激光切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電池的集成化。⑥采用疊層電池結(jié)構(gòu)，以擴(kuò)展電池的光譜響應(yīng)范圍，提高轉(zhuǎn)換效率。⑦采用分室連續(xù)沉積技術(shù)，以消除反應(yīng)氣體的交叉污染，提高電池的性能和重復(fù)性等等。所有這些新技術(shù)合，采用，使硅基薄膜電池的效率從2%提高到13.7%。硅基薄膜電池發(fā)展迅速的另一個(gè)標(biāo)志是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程短。雖然第一個(gè)非晶硅太陽(yáng)電池1976年才被研制出來(lái)，但1980年就實(shí)現(xiàn)了商品化.如日本三洋電氣公司1980年利用硅基薄膜太陽(yáng)電池率先制成計(jì)算器，隨后便實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并把產(chǎn)品打入世界市場(chǎng)。由于非晶硅材料優(yōu)越的短波響應(yīng)特性，使其在計(jì)算器、手表等熒光下工作的微功耗電子產(chǎn)品中占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)，不僅在80年代的10年中取得了數(shù)十憶美元的利潤(rùn)，而且至今仍然具有很大的消費(fèi)市場(chǎng)。隨著硅基薄膜電池效率的不斷提高，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，從計(jì)算器手表等弱光下應(yīng)用擴(kuò)大到各種消費(fèi)品及功率應(yīng)用領(lǐng)域。如太陽(yáng)能收音機(jī)、太陽(yáng)帽、庭院燈、微波中繼站、航空航海信號(hào)燈、氣象監(jiān)測(cè)、光伙水泵及戶(hù)用獨(dú)立電源等。隨著硅基薄膜太陽(yáng)電池應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)量亦迅速增加，世界上出現(xiàn)了若干MW級(jí)的生產(chǎn)線(xiàn)和許多生產(chǎn)硅基薄膜太陽(yáng)電池的企業(yè)。到80年代中期，硅基薄膜太陽(yáng)電池的年銷(xiāo)售量已超過(guò)世界光伏總銷(xiāo)量的U3，形成硅基薄膜、多晶硅、單晶硅三足鼎立的局面。三、發(fā)展中的障礙與技術(shù)的進(jìn)步：盡管硅基薄膜太陽(yáng)電池具有如上許多優(yōu)點(diǎn)，然而在發(fā)展進(jìn)程中也顯示出一些明顯的缺點(diǎn)。主要的缺點(diǎn)是電池效率的光致衰退效應(yīng)，這一效應(yīng)成為硅基薄電池進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的主要障礙。另外由于初期產(chǎn)品的效率較低(4-5%)再加上30%以上的衰退率，使硅基薄膜電池低成本的優(yōu)勢(shì)被較低的效率所抵消。所有這些造成硅基薄膜電池的產(chǎn)量從80的代末至90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段。針對(duì)上述問(wèn)題，自90年代起國(guó)際上提出要提高硅基薄膜電池穩(wěn)定效率的口號(hào)，并成立了由研究機(jī)構(gòu)和大公司組成的專(zhuān)門(mén)研究隊(duì)伍。研究表明，硅基薄膜電池效率光致衰退的主要原因是本征非晶硅的S-W效應(yīng)。因此，如何制備高穩(wěn)定性的本征硅基薄膜材料成為研究的重點(diǎn)。為了克服材料的S-W效應(yīng)，人們從理論上、工藝上和沉積方法上開(kāi)展了全面的研究。為了揭示S-W效應(yīng)的起因，在理論上人們提出有關(guān)S-W效應(yīng)機(jī)制的各種微觀(guān)模型：如Si-Si弱鍵模型；電荷轉(zhuǎn)移模型；再雜化雙位模型；Si-H弱鍵模型以及橋鍵模型等。盡管目前國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)S-W效應(yīng)起因的解釋還不一致，但在大多數(shù)模型中都提到H在光誘導(dǎo)變化中可能起重要作用。為了減少材料中的H含量，在制備方法方面分別采用了電子回旋共振化學(xué)氣相沉積（ECR—CvD）、氫根化學(xué)氣相沉積（HR-CVD）、熱絲（HW）法沉積和二極管系統(tǒng)等。在制備工藝方面采用了用H等離子體化學(xué)退火法、H2釋法、He一稀釋法以及摻入氟等隋性氣體法等。均取得了一定效果。比如，用常規(guī)Mcvn技術(shù)制備的a—si：H膜中含有約10%的M，而用化學(xué)退火法制備的a一Si：H膜的合H量小于9%，用熱絲法制備的a-Si：H膜的含H量只有1一2%。在上述這些技術(shù)中，最成熟的技術(shù)是在沉積膜的過(guò)程中用H2稀釋反應(yīng)氣體法。由于這種方法，工藝簡(jiǎn)單易行，并具有明顯的效果，因此是當(dāng)前普遍采用的技術(shù)。研究表明，用H2稀釋法制備1層的電池，效率的衰退率可從25%以上降至20%以下。除了通過(guò)克服非晶硅基材料的S-W效應(yīng)改善電池的穩(wěn)定性外，人們還從電池結(jié)構(gòu)上采取措施，并取得了明顯的效果。其中最主要的措施就是采用了多帶隙疊層電池結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴捎茂B層結(jié)構(gòu)后可減薄每個(gè)子電池1層的厚度，結(jié)果使每個(gè)子電池的內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，增加了各子電池的收集效率。再加上多帶隙結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍，綜合如上兩方面的優(yōu)勢(shì)，使電池的穩(wěn)定效率得到提高。如表、所示。表h不同始舷太陽(yáng)電池和組件的藏商穩(wěn)定戲率結(jié) 釉面春穗定敕率偶）來(lái)源0.259.2USSCa-Si/i-SiC.7510.1USSCZUZifkC.-2511.2；ussc!?t—S>/ iGfi/i_S-iGs1 -10.2513.。USSCa-Si/a-Si12008.9Fujia_S Cfi9029.5MSGa-SVa-Si/a-SiC?心8.SSo1arexa-S1/a-SLGe/SLGe501It).1USSC經(jīng)過(guò)近10年來(lái)的深入研究，在提高硅基薄膜電池的穩(wěn)定效率方面取得很大的進(jìn)步與突破。目前硅基薄膜電池效率的光致衰退率降互150A以下，小面積電池的穩(wěn)定效率已達(dá)到13%大面積電池的穩(wěn)定效率超過(guò)10%，產(chǎn)品組件穩(wěn)定效率達(dá)71%。技術(shù)上的進(jìn)步與突破帶來(lái)了硅基薄膜太陽(yáng)電池更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的新高潮，在90年代中期，國(guó)際上先后建立了數(shù)條5Mwl0MW的高水平電池組件生產(chǎn)線(xiàn)，使硅基薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)能力增加725MW。生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，組件面積為平方米量級(jí)，采用新型封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命達(dá)到10年以上。預(yù)計(jì)到2000年，硅基薄膜電池的生產(chǎn)能力將擴(kuò)展到45MW，與單晶硅、多晶硅生產(chǎn)能力增加量（分別為46MW和57Mw）才相當(dāng)。四、硅基薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展行趨勢(shì)現(xiàn)有的硅基薄膜電池一非晶硅電池效率的光致不穩(wěn)定性是由非晶硅材料微結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)屬性決定的，因此S-w效應(yīng)是不易完全消除的，為了獲得高效率、高穩(wěn)定性的硅基薄膜大陽(yáng)電池，近年來(lái)叉出現(xiàn)了微晶硅3c-Si）、多晶硅（po1y-Si）薄膜電池。實(shí)驗(yàn)證明，用uc-Si和p01y-Si薄膜代替a-Si作電池的有源層制備的電池，在長(zhǎng)期光照下沒(méi)有任何衰退現(xiàn)象。因此，發(fā)展晶化的硅基薄膜太陽(yáng)電池是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高效、低成本最有前途的方法，因而成為國(guó)際同行研究的熱點(diǎn)。目前研究的焦點(diǎn)是如何利用低成本工藝技術(shù)，獲得大面積優(yōu)質(zhì)的晶化硅薄膜材料，以及新型硅基薄膜電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，制備晶化硅薄膜材料的技術(shù)很多，但基本上可分成兩大類(lèi)。一類(lèi)是高溫生長(zhǎng)技術(shù)，如快速熱CyD技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)等。另一類(lèi)是低溫晶化技術(shù)，如PECVD、HW一CVD直接生長(zhǎng)和a-Si膜固相晶化技術(shù)，其中包括爐熱退大、快速光熱退火和金屬誘導(dǎo)選擇晶化等?？偟膩?lái)說(shuō)，高溫技術(shù)晶化的材料具有較大的晶粒尺寸，用這種材料制備的電池效率在10%以上。高溫晶化技術(shù)的缺點(diǎn)是能耗高、工藝復(fù)雜、襯底材料成本高。而低溫晶化技術(shù)制備的晶化材料的晶粒尺寸較小，但用該材料制備的電池效率也達(dá)到9.2人低溫晶化技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是便于采用玻璃等廉價(jià)襯底，且工藝能耗較小。將來(lái)那種技術(shù)路線(xiàn)占優(yōu)勢(shì)，要看其性能價(jià)格比°^C—Si材料可以用pECvD技術(shù)，通過(guò)加大氫稀釋率和微量摻硼獲得，具有與a—Si相同的低溫工藝、工藝簡(jiǎn)單、便于大面積生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因而受到普遍重視。目前，用M—Si材料制備的太陽(yáng)電池已達(dá)到8.5們勺效率，制備M—Si材料中存在的問(wèn)題是其生長(zhǎng)速率較低（＜1A）不利于降低制造成本。當(dāng)前提高M(jìn)—Si長(zhǎng)速率的方法主要是增加等離子體的激發(fā)頻率，如用超高頻技術(shù)（vIIF）可使uC—Si生長(zhǎng)速率增加到10A/s.并可獲得效率7.2%的uCli電池。在高沉積速率下如何提高pc—8i材料的光電特性是有待解決的問(wèn)題。盡管在微晶、多晶硅薄膜技術(shù)中還存在許多問(wèn)題，但是其在未來(lái)的高穩(wěn)定效率、低成本、長(zhǎng)壽命薄膜光伏技術(shù)中具有很大的潛力，特別是用微晶、多晶硅薄膜做為窄帶隙材料與非晶硅組成疊層電池結(jié)構(gòu)，可更充分地利用太陽(yáng)光譜。因?yàn)閡c—Si和p01y—Si比a—SIGe具有更窄的光學(xué)帶隙（1.12ev），用a—Si/uc—Si和a—Si/po1y—Si疊層結(jié)構(gòu)代替a—Si/a-sIGe/a—SiGe三結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，可將電池光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限從目前的0.9pm擴(kuò)展到1.1pm，如此可把太陽(yáng)能的利用率提高10%以上，加之po1y—Si和uc—S1比a—SIGe具有更好的穩(wěn)定性將使電池的穩(wěn)定效率有更大的提高，目前a-Si/Uc疊層太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率已達(dá)到12%，a—Si/poly—Si疊層太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率為11.5%。大面積優(yōu)質(zhì)多晶（微晶）硅薄膜的獲得及與非晶硅電池的最佳匹配，將使硅基薄膜太陽(yáng)電池性能產(chǎn)生突破性進(jìn)展。五、硅基薄膜太陽(yáng)電池的應(yīng)用前景隨著太陽(yáng)電池效率的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及成本的大幅度下降，國(guó)際上時(shí)太陽(yáng)電池的利用已由分散的消費(fèi)品電源向戶(hù)用電源一獨(dú)立大型電源一并網(wǎng)發(fā)電的趨勢(shì)發(fā)展。目前世界上已經(jīng)建成了10多座W級(jí)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。特別是進(jìn)入90年代以來(lái)，太陽(yáng)能光代發(fā)電技術(shù)成為全球減排溫空氣體的重要技術(shù)手段。不少發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始實(shí)施太陽(yáng)能光伏發(fā)電屋頂計(jì)劃，如美國(guó)總統(tǒng)宣布的百萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃，安裝規(guī)模達(dá)1000W—3000W.日本、歐洲也都有類(lèi)似的計(jì)劃。預(yù)計(jì)到下世紀(jì)中葉，光伏發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量的20%,成為人類(lèi)的基礎(chǔ)能源之一。在光伏應(yīng)用中，硅基薄膜太陽(yáng)電池有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，比如：①硅基薄膜電池可在任何形狀的襯底上制作，可直接做成屋瓦式太陽(yáng)電池。這種太陽(yáng)能屋頂，可極大地節(jié)省安裝空間，減少系統(tǒng)成本。特別是柔性襯底的硅基薄膜電池，輕而柔軟，容易安裝，在建筑集成市場(chǎng)中具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。②可以做成透射部分可見(jiàn)光的硅基薄膜太陽(yáng)電池，稱(chēng)為Seethr0ugh型電池，這樣的電池可做為小汽車(chē)的太陽(yáng)頂及房屋的窗玻璃。③可在很薄的不妨鋼(50Um和塑料襯底上制備超輕量級(jí)的硅基薄膜太陽(yáng)電池。這種電池具有很高的電功率/重量比(300W/kg)，對(duì)于城市遙感用平流層氣球平臺(tái)和軍用無(wú)人駕駛尋航飛機(jī)的能源系統(tǒng)具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。④硅基薄膜太陽(yáng)電池子組件可做成集成型，具有高的輸出電壓，便于組裝和聯(lián)接。⑤由于a一S1材料的先帶隙比c一S1和Doly—Si寬，因此a一Si太陽(yáng)電池的功率輸出不明顯依賴(lài)子溫度。由于硅基薄膜太陽(yáng)電池的上述優(yōu)點(diǎn)，再如上硅基薄膜電池在降低成本方面的巨大潛力，使其在光伏應(yīng)用中占有不可輕視的地位。目前功率型應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面：傳統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用市場(chǎng)，如通信、交通信號(hào)和管網(wǎng)保護(hù)等；邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電系統(tǒng)和并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。僅從目前各國(guó)公布的已實(shí)施和正在實(shí)施的光伏應(yīng)用計(jì)劃，就提供了十幾GW的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，可夠目前全世界各種光伏電池廠(chǎng)生產(chǎn)100年。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化問(wèn)題的日益重視，包括太陽(yáng)能在內(nèi)的可再生能源技術(shù)的發(fā)展將會(huì)起到越來(lái)越重要的作用。誰(shuí)首先在這個(gè)領(lǐng)域里加強(qiáng)投入，誰(shuí)就會(huì)在今后10年中占領(lǐng)這一市場(chǎng)，從而獲得巨大的市場(chǎng)利潤(rùn)。六、加快產(chǎn)業(yè)化步伐迎接國(guó)際挑戰(zhàn)我國(guó)自70年代未開(kāi)始研究硅基薄膜太陽(yáng)電池。到80年代未，小面積電池效率達(dá)到11.2%，大面積電池效率超過(guò)8%，均達(dá)到國(guó)際同期先進(jìn)水平。然而在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后子國(guó)外，至今沒(méi)有一條具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅基薄膜電池生產(chǎn)廠(chǎng)，引進(jìn)的2條MW級(jí)的生產(chǎn)線(xiàn)是美國(guó)Chronar公司80年代初的技術(shù)裝備起來(lái)的設(shè)備，無(wú)論是從電池產(chǎn)品的數(shù)量，還是從質(zhì)量上均不能與國(guó)際大企業(yè)財(cái)團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)。目前世界上太陽(yáng)：“光伏發(fā)電制造業(yè)基本被國(guó)際超級(jí)財(cái)團(tuán)所壟斷，如目前硅基薄膜電池的生產(chǎn)廠(chǎng)，以及1997年至2000年擴(kuò)產(chǎn)的商家主要是美國(guó)的聯(lián)合太陽(yáng)公