薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀 與 分析

高敏苓，賈金平，宋文華,3，苑同鎖

（1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200240；）

（2.中國(guó)耀華玻璃集團(tuán)公司，河北省，秦皇島，066013；）

（3.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300387）

光伏發(fā)電技術(shù)是未來(lái)能源體系的重要組成部分，高效率、高穩(wěn)定性、低成本是光伏電池發(fā)展的基本原則。21世紀(jì)初之前，太陽(yáng)能電池主要以硅系太陽(yáng)能電池為主，超過(guò)89%的光伏市場(chǎng)由硅系列太陽(yáng)能電池所占領(lǐng)，硅基太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)得到廣泛的重視。但自2003年以來(lái)，晶體硅太陽(yáng)能電池的主要原料多晶硅價(jià)格已經(jīng)上漲了20多倍，從當(dāng)初的20美元/公斤飛漲到470美元/公斤（2008年第一季度）。因此，業(yè)內(nèi)人士自然而然的將目光轉(zhuǎn)向硅原料消耗量只及晶體硅太陽(yáng)能電池1%的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，從而非晶硅成為突破原料瓶頸的出路，太陽(yáng)能電池薄膜化是降低成本的主要發(fā)展方向。

1 薄膜太陽(yáng)能電池在國(guó)外的發(fā)展

1969年Chitick等人闡述了硅烷輝光放電方法制備的a-Si:H薄膜的半導(dǎo)體性質(zhì)。隨后，Spear和LeComber于1975年報(bào)道了a-Si:H薄膜的摻雜特性，獲得了n型和p型的薄膜材料，1976年美國(guó)RCA公司的Carlson和Wronski宣告了a-Si:H薄膜太陽(yáng)電池的誕生。此后，薄膜太陽(yáng)能電池成為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向之一。隨著薄膜太陽(yáng)能電池優(yōu)勢(shì)的凸現(xiàn)，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與化合物薄膜電池受到了業(yè)內(nèi)越來(lái)越廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)在，用非晶硅及其鍺或碳的合金作為本征吸收層，用非晶硅或者微晶硅作為摻雜的層或?qū)拥碾p結(jié)或三結(jié)等多結(jié)a-Si:H薄膜太陽(yáng)能電池相繼研制成功。

美國(guó)的CHRONAR公司是非晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線(xiàn)，還向其它國(guó)家輸出了多條兆瓦級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)，且他們還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗(yàn)電站，最大的有100千瓦容量。美國(guó)Konarka也將在麻薩諸塞州建造有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池廠(chǎng)，產(chǎn)能規(guī)模也是以1GWp布局，Konarka之前公布其有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池耐久性測(cè)試，性能經(jīng)1年未受削減，且封裝材料是用市售廉價(jià)材料所制造柔性太陽(yáng)能電池模塊，成本上號(hào)稱(chēng)可與其它薄膜匹敵，預(yù)估產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率約3～7%。2008年7月，英特爾投資（Intel Capital）向半導(dǎo)體芯片和太陽(yáng)能電池材料廠(chǎng)商美國(guó)Voltaix LLC投資1250萬(wàn)美元。

據(jù)英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，硅谷的納米太陽(yáng)能公司（Nanosolar）應(yīng)用納米技術(shù)，研制出可“印”在鋁箔上的超薄太陽(yáng)能電池。這種電池具有彈性好，重量輕、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。歐盟光伏技術(shù)平臺(tái)發(fā)布的《太陽(yáng)能技術(shù)戰(zhàn)略研究議程》對(duì)歐洲現(xiàn)有薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展作了整體規(guī)劃，涉及優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域、發(fā)展前景和需求等方面。

2 薄膜太陽(yáng)能電池在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

2.1 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有電池轉(zhuǎn)化率高、成本低等特性，因而具有較大的市場(chǎng)潛力。而其轉(zhuǎn)換效率由于光照時(shí)間加長(zhǎng)而衰退，長(zhǎng)期以來(lái)成為非晶硅太陽(yáng)能電池應(yīng)用的主要障礙。雖然如此，由于非晶硅是準(zhǔn)直接帶隙材料，可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大得多，制造所需能源、材料較少、成本較低，且具有制造工藝簡(jiǎn)單、易大量生產(chǎn)、可制成各種曲面形狀等特點(diǎn)，特別是近期發(fā)展起來(lái)的柔性襯底非晶硅太陽(yáng)電池具有高重量比功率、輕便、柔韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其光伏建筑一體化、城市遙感用平流層氣球平臺(tái)、軍用微小衛(wèi)星等應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)。

目前，我國(guó)在天津已建成投產(chǎn)1條年產(chǎn)50MW柔性襯底非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的示范生產(chǎn)線(xiàn)。這條生產(chǎn)線(xiàn)是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大、也是唯一可制造雙結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)線(xiàn)。2009年2月18日，福建鈞石能源有限公司投資的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池項(xiàng)目總金額額為9.5億元人民幣，規(guī)劃建設(shè)6條生產(chǎn)線(xiàn)，年產(chǎn)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池150MW，相當(dāng)于一座30萬(wàn)人口城市的一年用電量。2009年4月15日，國(guó)內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)軍企業(yè)強(qiáng)生光電昨天在滬宣布，第五代大面積非晶硅薄膜電池率先在該公司投入批量生產(chǎn)。

2.2 合金薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展

CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的研究起始于20世紀(jì)80年代初。如1986年長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所用噴涂法制備了CIGS薄膜，1990年內(nèi)蒙古大學(xué)采用雙源法，研制了CdS/CulnSe2薄膜太陽(yáng)能電池，效率為8.5%。南開(kāi)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)14%，已接近世界先進(jìn)水平。2007年開(kāi)始進(jìn)行5MW生產(chǎn)線(xiàn)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，將建設(shè)我國(guó)第一條銅錮硒薄膜太陽(yáng)能電池中試線(xiàn)，使我國(guó)成為繼德、美、日之后的第4個(gè)開(kāi)展這種電池中試開(kāi)發(fā)的國(guó)家，并將形成具備自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅錮硒薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)一。

2.3 染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池（DSSC）

DSSC與傳統(tǒng)電池相比，具有高效率、低成本和制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。據(jù)估算，DSSC的成本僅相當(dāng)于硅電池板的1/5～1/10。但是在染料的選擇和固態(tài)空穴傳輸材料等方面存在很多問(wèn)題，目前實(shí)際能利用的染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的有效光電轉(zhuǎn)換效率還很低，穩(wěn)定性

也有待進(jìn)一步的提高。到目前為止，最成功的和最具有代表性的染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池是Gr?tzel電池。

我國(guó)目前在染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的研究也取得了不少階段性的成果。2004年10月，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所承擔(dān)的大面積染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池研究項(xiàng)目取得了重大突破性進(jìn)展，建成了500W規(guī)模的小型示范電站，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5%。2005年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟慶波研究員和陳立泉院士等合作，研制的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池效率達(dá)到了5.48%。

3 中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)存在問(wèn)題

太陽(yáng)能發(fā)電的產(chǎn)業(yè)鏈條包括上游的多晶硅生產(chǎn)，中游的硅片切割和太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)，下游是太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)。隨著業(yè)內(nèi)廠(chǎng)商對(duì)上游利潤(rùn)的逐漸攤薄預(yù)期，將會(huì)有越來(lái)越多的企業(yè)將目光投向中下游。上游廠(chǎng)商和風(fēng)險(xiǎn)投資將會(huì)加大硅片切割、太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)的資本投入，產(chǎn)業(yè)一體化的趨勢(shì)有所加強(qiáng)。

另外，我國(guó)太陽(yáng)能電池組件廠(chǎng)的平均規(guī)模都比較小，太陽(yáng)能電池的成本和售價(jià)均高于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱。

[1]車(chē)孝軒著.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)概論.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.10.

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[7]劉玉萍,陳楓,郭愛(ài)波.薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),節(jié)能環(huán)保,2006,11：21-23.

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[9]邱先磊，2008年中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)回顧與展望.