硅太陽(yáng)電池的應(yīng)用日趨廣泛, 但昂貴的原材料成為發(fā)展的瓶頸. 薄膜太陽(yáng)電池由于只需使用一層極薄的光電材料，材料使用非常少。并可使用軟性襯底，應(yīng)用彈性大，如果技術(shù)發(fā)展成熟，其市場(chǎng)面將相當(dāng)寬闊。本文就迄今被人們廣為關(guān)注的薄膜太陽(yáng)電池, 即非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，微（多）晶硅薄膜太陽(yáng)電池，銅銦硒薄膜太陽(yáng)電池，碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池，染料敏化薄膜太陽(yáng)電池和有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展概況,技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述.

　　1 引言

　　新能源和可再生能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的技術(shù)領(lǐng)域之一。光伏電池是一種重要的可再生能源,既可作為獨(dú)立能源, 亦可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電, 而且是零污染排放。硅太陽(yáng)電池由于成本原因, 最初只能用于空間, 隨著技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工藝成熟, 其成本日趨下降, 應(yīng)用也逐步擴(kuò)大. 面對(duì)今天的能源供應(yīng)狀況和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染, 以至危及人類自身生存的現(xiàn)實(shí), 開發(fā)新能源和可再生能源的理念已被世界各國(guó)廣泛接受. 發(fā)電能力超過(guò)100兆瓦的超大型光伏發(fā)電站相繼在世界各處建造, 發(fā)電能力為幾十兆瓦的大型光伏發(fā)電站更不在少數(shù)(在建的和已建成的). 大規(guī)模的發(fā)展使得上游原材料的生產(chǎn)供不應(yīng)求, 問(wèn)題日益突出, 許多太陽(yáng)電池芯片生產(chǎn)廠家和組件生產(chǎn)廠家因原材料問(wèn)題而不得不經(jīng)常處于停產(chǎn)狀態(tài), 原材料的供應(yīng)和價(jià)格成了制約當(dāng)前太陽(yáng)電池生產(chǎn)的瓶頸.

　　大力發(fā)展薄膜型太陽(yáng)電池不失為當(dāng)前最為明智的選擇, 薄膜電池的厚度一般大約為0.5至數(shù)微米, 不到晶體硅太陽(yáng)電池的1/100, 大大降低了原材料的消耗, 因而也降低了成本. 薄膜電池可沉積在玻璃、不銹鋼片或聚脂薄膜等廉價(jià)的襯底上, 可以彎曲甚至可以卷起來(lái), 便于攜帶.

　　薄膜太陽(yáng)電池的研究始于20世紀(jì)60年代, 目前從國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)看主要是非晶硅 (a-Si:H) 薄膜太陽(yáng)電池, 微(多)晶硅薄膜太陽(yáng)電池, 銅銦硒 (CuInSe,CIS) 薄膜太陽(yáng)電池, 碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)電池, 染料敏化薄膜太陽(yáng)電池(DSSC), 有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池. 以下分別概述各類薄膜太陽(yáng)電池的研發(fā)情況.

　　2非晶硅薄膜太陽(yáng)電池

　　2．1 主要進(jìn)展

　　非晶硅薄膜太陽(yáng)電池在20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)時(shí)獲得了迅速發(fā)展, 它在降低成本方面的巨大潛力, 引起了世界各國(guó)研究單位、企業(yè)和政府的普遍重視, 其主要特點(diǎn)是

　?。?） 重量輕,比功率高

　　在不銹鋼襯底和聚脂薄膜襯底上制備的非晶硅薄膜電池, 重量輕、柔軟,具有很高的比功率.在不銹鋼襯底上的比功率可達(dá)1000W/Kg,在聚脂膜上的比功率最高可達(dá)2000W/Kg. 而晶體硅的比功率一般僅40-100W/Kg. 由于襯底很薄,可以卷曲、裁剪, 便于攜帶, 這對(duì)于降低運(yùn)輸成本特別是對(duì)于空間應(yīng)用十分有利.

　?。?） 抗輻照性能好

　　由于晶體硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池在受到宇宙射線粒子輻照時(shí), 少子壽命明顯下降. 如在1Mev電子輻射通量1×1016e/cm2時(shí), 其輸出功率下降60%, 這對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題. 而非晶硅太陽(yáng)電池則表現(xiàn)出良好的抗輻射能力, 因宇宙射線粒子的輻射不會(huì)(或很小)影響非晶硅太陽(yáng)電池中載流子的遷移率, 但卻能大大減少晶體硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池中少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度, 使電池的內(nèi)量子效率下降. 在相同的粒子輻照通量下, 非晶硅太陽(yáng)電池的抗輻射能力 (效率10%, AM0條件下) 遠(yuǎn)大于單晶硅太陽(yáng)電池的50倍, 具有良好的穩(wěn)定性. 多結(jié)的非晶硅太陽(yáng)電池比單結(jié)的具有更高的抗輻照能力.

　　（3） 耐高溫

　　單晶硅材料的能帶寬度為1.1eV, 砷化鎵的能帶寬度為1.35eV, 而非晶硅材料的光學(xué)帶隙大于1.65 eV, 有相對(duì)較寬的帶隙, 所以非晶硅材料比單晶硅和砷化鎵材料有更好的溫度特性. 在同樣的工作溫度下, 非晶硅太陽(yáng)電池的飽和電流遠(yuǎn)小于單晶硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池, 而短路電流的溫度系數(shù)卻高于晶體硅電池的1倍, 這十分有利在較高溫下保持較高的開路電壓(Voc)和曲線因子(FF). 在盛夏,太陽(yáng)電池表面溫度達(dá)到60-70度是常有的, 良好的溫度特性是十分重要的.

　　據(jù)報(bào)導(dǎo)在空間應(yīng)用時(shí), 由于輻照和高溫的原因,初始穩(wěn)定效率為9%的非晶硅太陽(yáng)電池, 其性能優(yōu)于初始效率為14%的單晶硅太陽(yáng)電池.

　　非晶硅太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展, 在技術(shù)上已取得很大進(jìn)展, 主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜來(lái)替代非晶硅薄膜做窗口材料, 以改善電池的短波方向光譜響應(yīng); 采用梯度界面層, 以改善異質(zhì)界面的輸運(yùn)特性; 采用微晶硅薄膜做n型層, 以減少電池的串聯(lián)電阻; 用絨面二氧化錫代替平面氧化銦錫; 采用多層背反射電極, 以減少光的反射和透射損失, 提高短路電流; 采用激光刻蝕技術(shù), 實(shí)現(xiàn)電池的集成化加工; 采用疊層的電池結(jié)構(gòu), 以擴(kuò)展電池的光譜響應(yīng)范圍, 提高光電轉(zhuǎn)換效率; 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. 上述技術(shù)的采用使非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2%提高到13.7%.

　　隨著非晶硅太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高, 其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也取得令人矚目的進(jìn)展. 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、手表等熒光燈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)十億美元的利潤(rùn), 而且至今仍具有很大的消費(fèi)市場(chǎng)。從計(jì)算器、手表等弱光應(yīng)用到各種消費(fèi)品甚至功率方面的應(yīng)用, 如收音機(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)、光伏水泵及小型獨(dú)立電源等應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大, 產(chǎn)量迅速上升. 世界上出現(xiàn)了若干MW級(jí)的生產(chǎn)線和許多非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的企業(yè). 到80年代中, 整個(gè)非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的年銷售量增長(zhǎng)很快, 形成了非晶硅薄膜、多晶硅和單晶硅的三分天下的局面.

　　2．2 發(fā)展中出現(xiàn)的問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施

　　盡管非晶硅薄膜太陽(yáng)電池具有上述諸多優(yōu)點(diǎn), 然而在發(fā)展中也顯現(xiàn)出一些明顯的問(wèn)題. 主要是電池的光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下呈逐漸衰退的態(tài)勢(shì), 這一問(wèn)題是阻礙非晶硅薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙. 初期產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率本來(lái)就低(僅4-5%), 再加上30%左右的衰退率, 使非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的低成本的優(yōu)勢(shì)被較低的效率所抵消. 這樣就造成了非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)量從80年代末到90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段. 對(duì)此學(xué)術(shù)界自90年代起圍繞如何提高非晶硅薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性的問(wèn)題, 從材料、器件結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面進(jìn)行研究. 特別針對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下衰退的機(jī)理進(jìn)行了不懈的探索, 初步結(jié)論是本征非晶硅材料的S-W效應(yīng). 為了揭示S-W效應(yīng)的起因, 在理論上人們提出了各種微觀模型: 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.

　　為了減少材料中的氫的含量, 最成熟的技術(shù)是在沉積薄膜的過(guò)程中用氫氣稀釋反應(yīng)氣體法。由于這種方法，工藝簡(jiǎn)單易行，而且效果明顯，因此是當(dāng)前普遍采用的技術(shù)。研究表明，用氫氣稀釋法制備的本征非晶硅的太陽(yáng)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率的衰退率從25%以上降到20%。

　　除上述通過(guò)改善非晶硅材料的S-W效應(yīng)來(lái)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性以外, 人們還從電池結(jié)構(gòu)上采取措施, 其中最重要的就是采用多帶隙疊層電池結(jié)構(gòu), 即多個(gè)不同帶隙的p-i-n結(jié)疊加的結(jié)構(gòu), 這樣可減薄每個(gè)子電池的i層厚度, 使每個(gè)電池的內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng), 從而增加了每個(gè)子電池的載流子收集效率.

　　經(jīng)過(guò)十幾年的不斷探索, 目前在提高非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的效率穩(wěn)定性方面取得了很大的進(jìn)步, 其光電轉(zhuǎn)換效率的衰退率已達(dá)到小于15%. 光電轉(zhuǎn)換效率本身也有明顯的提高, 如小面積的已達(dá)到13%, 大面積的已超過(guò)10%, 組件的達(dá)到7.1%.

　　技術(shù)上的突破與進(jìn)步帶來(lái)了更大規(guī)模的發(fā)展, 如九十年代中期, 國(guó)際上先后建立了數(shù)條5-10MW的薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)線, 生產(chǎn)能力增加了25MW. 生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了全自動(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.

　　我國(guó)自70年代末開始研究非晶硅薄膜太陽(yáng)電池, 到80年代末小面積電池效率達(dá)到11.2%, 大面積電池效率超過(guò)8%, 均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平. 然而在產(chǎn)業(yè)化方面落后于國(guó)外, 至今沒(méi)有一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)線.

　　目前研究、開發(fā)和生產(chǎn)非晶硅基太陽(yáng)電池的大企業(yè)主要是：

　?。?）日本的Kaneka公司。發(fā)展a-Si太陽(yáng)電池有20多年歷史，1999年達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)，他們最先開發(fā)了在200℃沉積a-Si/μc-Si疊層電池結(jié)構(gòu)，並申請(qǐng)了專利。這種a-Si/μc-Si疊層電池的成本（按40MWp/年來(lái)計(jì)算）, 只及c-Si太陽(yáng)電池的一


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