柔性薄膜太陽能電池

李東棟（中國科學(xué)院上海高等研究院）

柔性薄膜太陽能電池

李東棟（中國科學(xué)院上海高等研究院）

● 太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已足夠可觀。據(jù)測算，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費。目前世界太陽能發(fā)電能力已超過100GW，光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展為柔性薄膜太陽能電池提供了巨大的發(fā)展機遇。柔性電池可折疊、重量輕和不易碎的新特性，還為其拓展了豐富多樣的應(yīng)用領(lǐng)域。

柔性電池的國內(nèi)外現(xiàn)狀

中國政府在“十二五”規(guī)劃中對新能源提出了具體的發(fā)展目標(biāo)。在新能源領(lǐng)域，太陽能電池占據(jù)了重要的位置。目前在光伏市場上占據(jù)最大市場份額的晶體硅太陽能電池實驗室最高效率是25%，產(chǎn)品效率為16%～18%。柔性薄膜電池由于使用原材料少，工藝集成度高、成本低、重量輕和柔性可彎曲等特性，在空間技術(shù)、建筑光伏以及便攜式可穿戴光伏器件等領(lǐng)域具有獨特的發(fā)展空間。

柔性薄膜太陽能電池主要有硅基、銅銦鎵硒（CIGS）和碲化鎘（CdTe），其效率分別為5%～10%、7%～11%和8%～11%。與基于晶圓的晶體硅太陽能電池不同，薄膜太陽能電池直接在柔性襯底上沉積光吸收材料和電極等薄膜并進(jìn)行最后封裝。雖然制備各種柔性薄膜電池所采用的柔性襯底通常都是不銹鋼箔或是耐高溫聚酯膜（如聚酰亞胺），但所采用的沉積工藝有所不同。光電轉(zhuǎn)換效率是制約柔性薄膜電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，而薄膜活性材料及其沉積工藝則是影響電池效率和規(guī)?；a(chǎn)的最大瓶頸。薄膜電池原材料和工藝的核心技術(shù)主要由歐美及日本掌握，國內(nèi)的光伏企業(yè)由于缺少核心技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備和原材料依賴進(jìn)口，面臨生產(chǎn)線設(shè)備兼容性不理想，集成度不高等問題，導(dǎo)致產(chǎn)品良品率較低，成本難以下降。

柔性硅基薄膜太陽能電池的光吸收層采用氫化微晶硅（μc-Si:H）、非晶硅（a-Si:H）及其合金（如a-SiGe:H）。采用單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)結(jié)構(gòu)，使光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到5%～6%、6%～8%和7%～10%。目前能進(jìn)行柔性非晶硅電池生產(chǎn)的主要有美國的UnitedSolar和XunLight公司，日本的FujiElectric公司等。中國的光伏企業(yè)如天威薄膜、浙江正泰、新奧等均在玻璃襯底上生產(chǎn)硅基薄膜電池。硅基薄膜太陽能電池的設(shè)備和工藝技術(shù)比其他兩種電池相對成熟，但是只有在低成本的前提下將光電轉(zhuǎn)換效率提高到15%，才具有較強的競爭力。

CIGS電池具有薄膜電池中最高的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率(20.4%)，為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展增強了信心。這主要由于CIGS多晶薄膜帶隙在1.06～1.63eV范圍內(nèi)可調(diào)，并且其吸收系數(shù)高，不過其商品化的效率只有7%～11%。量產(chǎn)成功的是日本的SolarFrontier公司，采用濺射加后硒化的技術(shù)，其技術(shù)和設(shè)備并不對市場銷售。而采用其他技術(shù)如蒸發(fā)法制備的CIGS電池則存在均勻性和可靠性低的問題。CIGS電池除了有設(shè)備研發(fā)的問題，還面臨原材料In儲量少的限制，影響其大規(guī)模生產(chǎn)。

在CdTe太陽能電池領(lǐng)域，美國的FirstSolar已經(jīng)成為了行業(yè)領(lǐng)跑者，2009年成為世界最大的太陽能電池制造商，2010年產(chǎn)量到達(dá)了1.1GW。CdTe薄膜的性能至關(guān)重要，其制備方法有近空間升華法、電沉積法、物理氣相沉積法等，最成熟的技術(shù)是近空間升華法。與CIGS類似，其原材料也備受質(zhì)疑，Te儲量有限，而Cd是劇毒材料，只不過其化合物CdTe無毒。生產(chǎn)企業(yè)主要是FirstSolar等歐美和日本公司，中國有四川的阿波羅等。

硅基薄膜電池的新技術(shù)

由此可見，在薄膜電池中硅基技術(shù)相對成熟。但是柔性硅基電池在國內(nèi)還缺乏卷對卷大規(guī)模生產(chǎn)的核心技術(shù)和設(shè)備。因此新技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。例如，中科院上海高等研究院利用一種廉價的圖形化金屬襯底，有效提高了非晶硅薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率：采用簡單的陽極氧化法在該襯底形成尺寸可調(diào)的坑狀納米結(jié)構(gòu)，有效激發(fā)了硅薄膜內(nèi)的光波導(dǎo)模式和銀背反層表面等離激元共振，使得電池的短路電流提高了31%，而能量轉(zhuǎn)換效率提高了27%。研究結(jié)果對于制備廉價的薄膜太陽能電池具有一定的指導(dǎo)意義，并有望向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移進(jìn)行大面積應(yīng)用。

近來，晶體硅薄膜太陽能電池開始進(jìn)入人們的視野，其具有傳統(tǒng)薄膜電池的厚度（<50μm），但卻保持了較高的薄膜質(zhì)量，具有和傳統(tǒng)晶體硅電池相仿的光電轉(zhuǎn)換效率。澳大利亞學(xué)者在47μm的晶體硅薄膜上實現(xiàn)了21.5%的效率，為高性能柔性太陽能電池提供了新的發(fā)展方向。柔性晶硅薄膜電池的難點在于晶體硅薄膜的制備，這一領(lǐng)域還處在研究階段，目前的實驗室方法包括基于多孔硅的外延-層轉(zhuǎn)移技術(shù)、微加工技術(shù)和直接剝離技術(shù)。

基于多孔硅的外延－層轉(zhuǎn)移技術(shù)，在制備晶體硅薄膜的過程中，通常采用雙層多孔硅。上層多孔硅具有較小的孔隙率（10%～20%），而下層多孔硅具有較大的孔隙率（50%～70%）。在進(jìn)一步的H2高溫退火過程中，多孔硅將發(fā)生再構(gòu)造化。上層逐漸閉合，孔隙率減小，形成一層準(zhǔn)單晶硅薄膜（QMS）。在一定溫度下以QMS為籽晶采用液相或氣相化學(xué)沉積生長晶體硅外延薄膜后，采用傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池的工藝在外延薄膜上構(gòu)建晶體硅薄膜太陽能電池。之后利用下層多孔硅容易斷裂的特性，直接施力將外延生長的單晶硅薄膜從基底上剝離下來?；谶@種技術(shù)，目前已有Solexel公司推出了效率高達(dá)20.1%的柔性電池產(chǎn)品。

此外，借助光刻、濕法刻蝕等工藝，也可利用傳統(tǒng)硅片片上制備單晶硅薄膜太陽能電池。即首先利用光刻和刻蝕在硅片上刻出一定深度的溝槽，然后各向異性的底切刻蝕，將單晶硅薄膜從硅片上分離出來。利用該技術(shù)通常制備出的是微米尺度內(nèi)的微電池，需要經(jīng)過一定的連接和集成，最終構(gòu)成柔性的單晶硅薄膜太陽電池組件。

另一種更簡單直接的方法則是通過物理方法直接將普通硅片表面的一個薄層剝離下來。這首先需要在硅片表面沉積一層金屬層，通常是鎳（Ni）。由于Ni和Si具有不同的熱膨脹系數(shù)，在通過高溫處理后可以使Ni/Si界面上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。當(dāng)在上述Ni膜上粘接一層柔性襯底之后，僅稍稍施加外力就可以直接將表面一層極薄的單晶硅薄膜從硅片上剝落下來。轉(zhuǎn)移在柔性襯底上的單晶硅薄膜在進(jìn)行一定的制備工藝之后就可以構(gòu)成柔性的單晶硅太陽能電池。目前這種電池的實驗室效率已經(jīng)達(dá)到了14.9%。

柔性太陽能電池的應(yīng)用

通過持續(xù)的技術(shù)革新進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，柔性薄膜太陽能電池可折疊、重量輕和不易碎的新穎特性將使其具有不同于傳統(tǒng)晶體硅電池的豐富多樣的應(yīng)用。一個已經(jīng)實現(xiàn)的應(yīng)用就是構(gòu)建集成的光伏器件（BIPV），如迅力光能在紐約時代廣場用柔性薄膜太陽能電池完成了為日本理光的廣告牌供電的項目。大面積卷對卷生產(chǎn)的硅基薄膜電池可以鋪設(shè)在屋頂，停車棚頂以及玻璃幕墻等建筑上，具有安裝方便和現(xiàn)代建筑的藝術(shù)完美結(jié)合的優(yōu)點。除此之外，柔性太陽能電池還能變身為可穿戴的移動太陽能充電器，為時下流行的各種數(shù)碼消費產(chǎn)品提供在戶外的移動電力甚至可以攜帶。這些新穎而豐富的應(yīng)用將為柔性薄膜太陽能電池的發(fā)展注入新的活力。

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