薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展概況

邢磊+李云

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 湖北省 武漢市 430070）

摘 要：隨著化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的加劇，社會(huì)的發(fā)展迫切需要尋找清潔可再生能源。薄膜光伏發(fā)電是安全、無(wú)噪音、建設(shè)周期短、使用壽命長(zhǎng)、零排放的清潔能源，因而備受關(guān)注。本文簡(jiǎn)要分析了目前薄膜太陽(yáng)能電池的概況，為未來的發(fā)展方向提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽(yáng)電池；光伏；分類；概況

1.引言

目前，市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池以單晶硅、多晶硅為主，但其工藝復(fù)雜，成本較高，而成本一直是光伏產(chǎn)業(yè)能否大范圍普及的關(guān)鍵。薄膜太陽(yáng)能電池能夠大幅度降低電池成本，近年來得到了較快的發(fā)展。

2.薄膜電池分類以及發(fā)展

薄膜太陽(yáng)能電池具有多種分類[1]，按照吸收層材料，可分為硅系、多元化合物和有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池。硅系薄膜主要包括非晶硅薄膜，多晶硅薄膜；多元化合物薄膜主要包括III-VI族二元化合物，如碲化鎘、硫化鎘薄膜；III-V族二元化合物，如砷化鎵、磷化銦薄膜太陽(yáng)電池；I-III-VI2族三元化合物，如銅銦硒、銅銦硫薄膜；有機(jī)薄膜主要包括染料敏化劑薄膜和聚合物薄膜。上述的電池的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)各不相同，分別進(jìn)行介紹。

2.1硅系薄膜太陽(yáng)電池

硅薄膜太陽(yáng)能電池按照材料可細(xì)分為非晶硅、多晶硅和微晶硅薄膜太陽(yáng)電池；其中以多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的應(yīng)用最為廣泛。

2.1.1非晶硅薄膜太陽(yáng)電池

1976年，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池由RAC實(shí)驗(yàn)室的Carlson等研制成功，也是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[2]。隨后，其得到了較快的發(fā)展。鐘迪生等采用等離子體化學(xué)氣相沉積法特別是RF輝光放電法制作高質(zhì)量的非晶硅薄膜；United Solar Ovonic完成了面積929cm2的a-Si薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.8%，利用減反射層可使小面積的電池效率達(dá)到12%；日本的Ichikawa等使用柔性樹脂薄膜襯底，利用roll-to-roll CVD在50cm×1km的樹脂基底上制備a-Si/a-SiGe太陽(yáng)能電池，效率達(dá)10.1%；日本中央研究院制的的非晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到13.2%。

國(guó)內(nèi)，中科院半導(dǎo)體所研制的玻璃襯底非晶硅單結(jié)太陽(yáng)能電池，效率達(dá)11.2%；南開大學(xué)薛俊明等采用PECVD技術(shù)制備非晶硅頂電池，采用甚高頻PECVD技術(shù)制備出微晶硅底電池，研制出效率達(dá)9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)能電池；美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室利用堆疊技術(shù)，制得三結(jié)疊層太陽(yáng)能薄膜，轉(zhuǎn)換率達(dá)到12%。但是非晶硅的帶隙為1.7eV，對(duì)應(yīng)吸收波長(zhǎng)為730nm，與太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波區(qū)域不匹配，理論上限制了其轉(zhuǎn)換效率的提高。此外，隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化效率會(huì)明顯衰減。目前，穩(wěn)定的單結(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)9.5%，而量產(chǎn)的效率只維持在8%左右。

2.1.2多晶硅薄膜電池

多晶硅薄膜太陽(yáng)電池以生長(zhǎng)在襯底上具有納米尺寸和具有不同晶面的小晶粒構(gòu)成的多晶硅薄膜作為吸收層，通常可以采用化學(xué)氣相沉積法、液相外延法、金屬誘導(dǎo)晶體法、非晶硅薄膜固相晶化法或等離子噴涂法形成。Kaneka公司設(shè)計(jì)的STAR結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池，效率已經(jīng)達(dá)到了10.7%，厚度小于5um，并且無(wú)光致衰減現(xiàn)象；另一種SIO結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池100cm2，獲得了14.22%的效率；H.orikawa等制備出了效率高達(dá)16%的多晶硅薄膜電池；日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)到16.42%。德國(guó)費(fèi)來堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)域在再結(jié)晶技術(shù)在Si襯底上制的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%。理論計(jì)算表明，多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的最高效率可達(dá)28%。與單晶硅電池相比，多晶硅薄膜電池厚度約為前者，大大的降低了生產(chǎn)成本，且在長(zhǎng)波段具有高光敏性，吸光好，穩(wěn)定性高，無(wú)光致衰退效應(yīng)，制作工藝簡(jiǎn)單，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.2多元化合物薄膜太陽(yáng)電池

2.2.1II-VI族薄膜電池

在II-VI族化合物半導(dǎo)體材料主要包括碲化鎘、硫化鎘，用該半導(dǎo)體制作的太陽(yáng)能電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率。CdTe薄膜電池通常以CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)作為吸收層，填充因子高達(dá)FF=0.75，并且其容易沉積得到大面積的薄膜，沉積速率也較高，膜的厚度通常為1.5-3μm。因而CdTe薄膜電池制造成本也得以大大的降低低，應(yīng)用前景良好。它已經(jīng)成為歐美、日、韓等國(guó)研究開發(fā)的主要對(duì)象。托萊多大學(xué)的鄢炎發(fā)博士采用濺工藝制得效率為14%的碲化鎘太陽(yáng)能電池；采用近空間升華法制得效率高于15.8%的碲化鎘太陽(yáng)能電池。在國(guó)內(nèi)，四川大學(xué)太陽(yáng)能材料與器件研究所的馮良恒，制備出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)11.6%的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。CdS半導(dǎo)體具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙寬度為2.4eV，光吸收系數(shù)較高，透光性好，主要用于薄膜太陽(yáng)電池的n型窗口材料，可以與碲化鎘、銅銀硒形成良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。但是，由于Cd元素對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，阻礙了CdS/CdTe電池的應(yīng)用。

2.2.2I-III-VI2族化合物薄膜太陽(yáng)電池

I-III-VI族化合物半導(dǎo)體是指以具有黃銅礦、閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)作為吸收層的太陽(yáng)電池，通?？梢該饺爰葱纬伤脑衔锇雽?dǎo)體吸收層。I-III-VI2族化合物半導(dǎo)體的研究集中在CuInSe2、Cu（In，Ga）Se2、CuInS2等材料，上述半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度連續(xù)可調(diào)，吸收系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。日本昭和石油公司創(chuàng)下了CIS系薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的最高世界紀(jì)錄，面積為864cm2的薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率為14.3%，該公司完成了使用該太陽(yáng)能電池的日本第一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，使得該電池的實(shí)用化向前邁進(jìn)了一大步。

國(guó)內(nèi)，南開大學(xué)研發(fā)的電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到14%，接近世界先進(jìn)水平。目前，Cu（In，Ga）Se2薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.3%（3）。黃銅礦系薄膜太陽(yáng)能電池是未來的太陽(yáng)能電池主流產(chǎn)品之一，可廣泛用于大型太陽(yáng)能電站、節(jié)能樓宇玻璃及航空航天等軍事用途，有著巨大的市場(chǎng)需求。

2.2.3砷化鎵、磷化銦薄膜太陽(yáng)電池

首次發(fā)現(xiàn)GaAs材料具有光伏效應(yīng)在1954年，至今已有50多年。在1956年，LoferkiJ.J.研究探討了制造太陽(yáng)電池的最佳材料的物性；20世紀(jì)60年代，Gobat等研制出第1個(gè)摻鋅GaAs太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)化率僅為9%～10%；20世紀(jì)70年代，IBM公司和前蘇聯(lián)loffe技術(shù)物理所等研究單位，采用液相外延技術(shù)引入GaAlAs異質(zhì)窗口層，降低了GaAs表面的復(fù)合速率，使GaAs太陽(yáng)電池的效率達(dá)16%；不久，美國(guó)HRL等通過改了LPE技術(shù)使得電池平均效率提高到18%，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)；從上世紀(jì)80年代后，GaAs太陽(yáng)電池技術(shù)經(jīng)歷了從LPE到MOCVD，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)的幾個(gè)發(fā)展階段，其發(fā)展速度日益加快，效率也不斷提高。目前實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá)到50%，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化率可達(dá)以上30%。

2.3有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池

有機(jī)太陽(yáng)電池主要包括染料敏化、聚合物薄膜太陽(yáng)電池，其原理與光合作用類似，通過載有染料的半導(dǎo)體電極將光能轉(zhuǎn)換為電能。早期以載有單層染料分子的平板電極作為吸收層，轉(zhuǎn)換效率較低。1991年Gratzel教授首次使用載有染料光敏劑的多孔TiO2替代平板電極，將轉(zhuǎn)換效率提高到了 7.1%。從此，染料敏化薄膜太陽(yáng)電池得到了較快的發(fā)展。2001年澳大利亞STA公司建立了第一個(gè)DSCS工廠；2003年臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院能源研究所開發(fā)出納米晶體染料敏化薄膜太陽(yáng)電池，將光電轉(zhuǎn)換效率提高到了8%-12%；2004年日立成功研制了大尺寸染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.3%；同年，Peccell Technologies公司開發(fā)出高壓（4V）的染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池，可作為下一代薄膜電池。目前，染料敏化薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到了11.4%。

與染料敏化薄膜太陽(yáng)電池相比，有機(jī)聚合物薄膜電池具有柔韌性好、成本低廉、容易加工等優(yōu)點(diǎn)，其研究處于剛剛起步階段，使用壽命和電池效率不能和其他成熟的電池產(chǎn)品相比。目前，有機(jī)聚合物薄膜電池實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率為10%左右。

3.小結(jié)

綜上所述，薄膜太陽(yáng)能電池在節(jié)約能源、降低成本方面具有較大的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景。但薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率還有進(jìn)一步提升的空間，通過不斷出現(xiàn)的新技術(shù)，如量子點(diǎn)、納米表面結(jié)構(gòu)、背反射技術(shù)等等，將會(huì)進(jìn)一步提升電池效率，推動(dòng)薄膜太陽(yáng)電池上一個(gè)新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

[1]井維科. PECVD法制備多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池研究[D].浙江師范大學(xué)，2013.

[2]胡笑添，章少華. 硅基薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展研究及出路[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2012.