薄膜太阳电池技术及设备

薄膜太阳电池技术沈辉刘勇世界光伏产业和市场发展能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅，最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43％.07年全球光伏系统装置容量达2,826MW，较06年大增62%.世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是：光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并成为光伏发电的主导市场（其他应用包括通讯和信号、特殊商业和工业应用，农村离网应用、消费品和大型独立电站等），如图6所示。晶体硅电池技术持续进步，薄膜电池技术快速发展.图9是2006年各种电池技术的市场份额，其中多晶体硅46.5%，单晶体硅43.4%，带硅电池2.6%，薄膜电池约7.6%。多晶体硅电池自1998年开始超过单晶体硅后一直持续增长，各种薄膜电池市场份额近年来也在稳定增长，反映出技术进步的推动力量。各种电池技术的市场份额晶体硅光伏电池晶体硅仍是当前太阳能光伏电池的主流。虽然从技术上讲，晶体硅并不是最佳材料，是间接带隙半导体，但它易于获取，适用的技术与电子工业相同。晶体硅电池大规模生产可获得20％的转换效率。除效率外，电池的厚度也很重要。薄的硅片意味着较少的硅材料消耗，从而降低成本。硅片的平均厚度已从2003年的0.23mm减小到2007年的0.18mm。预计到2010年，硅片厚度将减小到0.15mm。理论上硅片最多可减小到0.1mm.非晶矽(AmorphusSilicon,a-Si)微晶矽(NanocrystallineSilicon，nc-Si，orMicrocrystallineSilicon，uc-Si)CIS/CIGS(銅銦硒化物)CdTe(碲化鎘)GaAsMultijuction(多结面砷化鎵)多晶硅薄膜染料敏化太阳电池(Dye-SensitizedSolarCell)有機太阳电池(Organic/polymersolarcells)薄膜太陽電池的種類•第三代光伏太阳电池的提出薄膜太阳电池发展概述1999-2004各类太阳电池产量百分比对比：薄膜太阳电池没有发展机会?!199920002001200220032004Mono-Si40.837.434.636.432.236.2Poly-Si42.148.250.251.657.254.7Si-sheets4.14.35.64.64.43.3a-Si12.39.68.96.44.54.4CdTe0.50.30.50.71.11.1CIS0.20.20.20.20.60.405年后薄膜太阳能电池产量增速持续超越整体产业增速07年薄膜太阳能电池产量(包括a-Si、μc-Si、CdTe、CIGS等技术)增速持续超越整体产业，07年薄膜太阳能电池产量达到400MW，较06年的181MW大幅增长了120%，07年薄膜太阳能电池市占率由06年的8.2%提升至07年的12%，在上游硅料供应持续吃紧下，薄膜太阳能电池透过电池转换效率进一步提升以及大面积生产的成本优势，其市占率有进一步提升空间，EPIA预估2010年薄膜太阳能电池市占率有机会上看20%。薄膜太阳电池的发展机遇•至今为止，薄膜电池未能达到所期望的发展•原因：效率、稳定性、价格•硅电池长寿命，经长时期应用检验，认可度高•发展机遇：硅材料短缺•薄膜电池优点薄膜化、大面积是太阳电池发展趋势成本降低柔性电池薄膜太阳电池应用市场•消费品(手表、计算器和玩具等）•建筑构件（木枪、门窗、光伏屋顶)•便携式系统(移动电源-照明、通讯，单兵作战装备)•柔性电池薄膜太阳电池发展概述德国Ulm面粉厂CIS电池建筑集成（100kW）WuerthSolar)各种太阳电池效率（实验室电池）单晶体硅电池的实验室效率目前24.7％，如表7所示。多晶体硅电池的实验室效率也达到了20.3%。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功，非晶硅薄膜电池实验室稳定效率达到了13%、碲化镉(CdTe)实验室稳定效率达到16.4%、铜铟硒(CIS)的实验室效率达到19.5％。2、薄膜光伏电池（Thinfilm）薄膜太阳电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成，比用料较多的晶体硅技术造价更低，其价格优势可抵消低效率的问题。目前已商业化的薄膜光伏电池材料有三种：非晶硅(a-Si)、铜铟硒(CIS,CIGS)和碲化镉(CdTe)，它们的厚度只有几微米。硅的暂时短缺为薄膜技术扩大市场份额带来了机会。欧洲能源协会预测，到2010年，薄膜光伏电池将占到光伏组件的20％①。在三种商业化的薄膜光伏技术中，非晶硅的生产和安装所占比重最大，2006年占市场总量的4.7％。砷化镓带隙宽度1.4eV,是直接迁移型半导体,光电转换效率高,但价格较贵,仅用于太空。CdTe电池增速惊人，推升07年薄膜太阳能电池产量达到400MW的主要推手为FirstSolar的CdTe电池(模块转换效率10.5%)的成功量产，该公司07年营收增长了273%，我们推估其07年产量应有200MW的规模，占07年整体薄膜电池产量约50%的份额，不过受到主要原料镉具毒性，CdTe电池推广须搭配庞大的回收体系，目前厂商投入较少。非晶硅薄膜太阳电池价格便宜,但转换效率不高,而且性能容易劣化;非晶硅薄膜太阳能电池的制备由于工艺温度低,可以用廉价的玻璃基片,因此得到广泛的应用。铜铟镓硒薄膜太阳电池开发时间还不长,是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。铜铟镓硒薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积Cu,In和Ga层,再在Se气氛中硒化。目前备受推崇的电沉积法是另一种有吸引力的方法,它制作的电池结构为:玻璃/ITO/n-ZnSe/p-CuInSe2/Au,吸收层厚度仅为2μm。CuIn2GaSe薄膜制备的困难在于掺镓,其目的是将CuInGaSe的带隙宽度调整到1.5eV左右。染料敏化太阳电池有机太阳电池特点是成本低，制备工艺简单，目前仍处在实验室阶段。为了降低太阳能电池单元的制造成本,首先,要减少材料消耗。结晶型太阳能电池用厚度为0.13mm～0.15mm的单晶或多晶硅片,进一步减薄受到强度的限制。而薄膜型太阳能电池可用廉价的玻璃基片或柔性材料作基片,吸收层厚度为微米级;其次,能减少制造过程中的能耗。单晶硅或多晶硅太阳电池的制造要用1000℃高温扩散和850℃烧结烘烤,电阻加热炉需消耗大量电力,非晶硅太阳能电池用等离子体薄膜工艺只要300℃左右的温度,CuInGaSe薄膜太阳能电池制造时的能耗仅等于其一年的发电量;薄膜太阳电池优点三、薄膜太阳电池适合采用更大面积的基片。使用大面积基片可大幅度降低成本是被硅器件生产所证明了的。硅是带隙宽度为1.1eV的间接迁移型半导体,其效率的提高已近极限。CuInGaSe是直接迁移型半导体,其带隙宽度通过改变掺Ga量可调整到最佳带隙1.3eV～1.5eV,光电性能的长期稳定性也比非晶硅好,主张开发新型薄膜型太阳能电池的一方都十分看好CuIn2GaSe电池低成本的长处,认为其四元混合膜的大面积均匀性以及掺镓困难的问题在10年内均将解决,在发电成本方面可与常规发电一决雌雄。另外,将可吸收太阳光谱中不同波长的光的材料组合成多界面串叠型太阳能电池,把能够吸收较短波长光谱的电池和吸收较长波长光谱的电池串叠在一起,透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收,据预测,其效率可达到40%以上。也有人另辟蹊径开发有机太阳能电池。美国亚利桑那大学的研究小组用喷墨打印法将有机溶液印刷在纸张或塑料上,制成有机太阳能电池;美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究小组将光电转换效率高的无机材料与柔韧性好的有机材料相结合,把无机的纳米棒(直径7nm,长60nm)镶嵌在有机聚合物薄膜内制成太阳能电池。目前有机太阳能电池的转换效率还只有百分之几,离实用还有较大距离,但是其低成本和柔软性很有吸引力,若将其制成“太阳衣”,人们就可以随时给自己的手机充电了。国内薄膜太阳电池研究机构中科院半导体所非晶硅、多晶硅北京太阳能所多晶硅南开大学非晶硅、铜铟锡中科院等离子体物理所染料敏化太阳电池四川大学碲化镉中山大学晶体硅太阳电池颗粒硅带为衬底的多晶硅薄膜太阳电池染料敏化太阳电池（立体吸光）非晶硅太阳电池-发展•1975年Spear等人利用硅烷的直流辉光放电技术制备出a-Si:H材料，即用补偿了悬挂键等缺陷态，才实现了对非晶硅基材料的掺杂，非晶硅材料开始得到应用；•1976年第一个非晶硅太阳电池被研制出（效率：1-2%）；•1980年非晶硅太阳电池实现商品化。日本三洋电气公司利用非晶硅太阳电池率先制成计算器电源，并实现工业化生产；•目前世界非晶硅太阳电池生产能力50MW/年，应用范围从多种电子消费产品如手表、计算器、玩具到户用电源、光伏电站单晶硅-长程有序多晶硅-短程有序非晶态半导体-长程无序1、非晶态半导体表13列举了2006年中国非晶硅太阳能电池生产能力。正在上马的企业还有：广东中山10MWp、福建泉州10MWp、浙江慈溪10MWp、蓝星5MWp、山东东营2.5MWp，产业化发展势头良好。非晶硅太阳能光伏电池制造业状况非晶硅的结构示意图，禁带宽度1.7eV,在一定范围内可通过氢含量变化制作单晶硅电池一般需1000度以上的高温，而非晶硅电池的制作仅需200度左右。非晶硅太阳电池的制备非晶硅(短波)与单晶硅(长波)太阳电池光谱响应曲线非晶硅太阳电池-特性•非晶硅a-Si禁带宽度为1.7eV,通过掺B或掺P可得到p型a-Si或n型a-Si;•非晶硅掺C,可得到a-SiC,禁带宽度2.0eV（宽带隙）;•掺Ge,可得到a-SiGe禁带宽度1.7-1.4eV（窄带隙）;•在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大将近一个数量级，其本征吸收系数高达105cm-1;•非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值接近；•由于非晶硅材料的本征吸收系数很大，1um厚度就能充分吸收太阳光，•厚度不足晶体硅的1/100，可明显节省昂贵的半导体材料•S-W效应：非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减少，经200度退火2小时可恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现。这是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效应，即光照是材料产生悬挂键等亚稳缺陷非晶硅太阳电池的应用从1980年日本sany。公司首次使用a-si太阳电池为袖珍计算机供电以来，a-Si太阳电池的应用领域不断的在扩大，对民用产品如:手表，录音机，电视机的供电，这种应用主要是以低能耗为特点。在建筑领域的应用，主要是在玻璃上直接沉积非晶硅太阳能电池做为屋顶瓦，此种屋顶瓦与普通的屋顶瓦规模，重量相同可节省安装空间，降低系统费用，日本，目前正在实施“百万屋顶”计划，使光电系统进入家庭。此外，非晶硅太阳电池可用作偏远地区的照明和通信能源，可以用于汽车顶棚给汽车电池供电，可以作为小型发电系统，提供电源。柔性衬底非晶硅太阳电池，柔性衬底的非晶硅电池具有高重量比功率，轻便，柔韧性强等优点，因此，在光伏建筑一体化，特别是在城市遥感用平流层气球平台，军用微小卫星，空间航天器等应用中极具优势。在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一，而柔性衬底的非晶硅电池可达2000W/kg的功率/重量比，远远高于单晶硅的重量比功率，因此，使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。在民用方面，由于柔性衬底的非晶硅电池具有极好的柔韧性，可卷曲性，这使它不但易于贮存和运输，而且为电池的安装，特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件，具有广阔的应用前景。非晶硅太阳电池•研究单位：-中国科学院半导体研究所-南开大学、-中国科学院研究生院-汕头大学•生产单位：-哈尔滨克罗拉-深圳创益、拓日、日月环-天津津纶-北京微晶矽其實是非晶矽的改良材料，其結構介於非晶矽和晶體矽之間，主要是在非晶體結構中具有微小的晶體粒子，因此同時具有非晶矽容易薄膜化，製程便宜的特性，以及晶體矽吸收光譜