无机太阳能电池研制的新进展 | 张明龙名家工作室
无机太阳能电池研制的新进展
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光电池是利用光伏效应制成的检测光辐射的器件，主要是利用价带电子在光的照射下产生电动势。光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。
光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。
随着可持续发展战略在世界范围内的实施，新能源的开发与利用显得尤为重要。在有关光电池的技术走进了我们的生活，因此这对于光电池的应用与发展方向进行的研究具有较为广泛的意义。
光电池的种类
光电池的种类很多，有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化镉、砷化镓光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。
光电池的分类
直流电源可以分为电流电源，电压电源，光电池的特性很接近理想电流电源的特性，可以认为是理想电流电源。
A. 单层光电池（Single-layer Solar Cell）：
光电池像&三明治（Sandwich）&，外两层是保护层，中间的一层是主体，由硅（Silicon）物质组成。
硅原子中的&外层绕轨电子 （Orbit electron）&比较松动，易被「击 （Bombard）」出。
这和用硅制造「半导体（电晶体）」的考虑是一样的。再就是「硅」到处都是，便宜，而且&物性&稳定。
光（Light）是由「光子 （Photon）」连续不断自太阳（Sun）射来。
白光中有「红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫 」 7 色频率（Frequency）的&成份光 （component light） &。现今商用「光电池」所依赖的是「红光频率」。
光电池的表面，只让「红色光通过」，将他色光一律反射出去。
「红光子（Red light Photon）」将&矽&中的「外轨电子 （Orbit Electron）」释出，由一导线引至转换器（Inverter*）中，直流电 变成交流电（Alternang Current）。这种 交流电 与电力公司的 供电一样，可以「照明」、「热水」、「烹饪」等用。
*即 &整流器 （Recfier）&的对等装置。整流器 可将 交流电 变成 直流电。
日间每家「产生」的电用不完，卖回给电力公司。晚间没有电，向电力公司买！这样，屋顶装有「光电池」的家庭，每月只付有限的电费。家居负？大为减轻。
B. 多层光电池（Mul-layer Solar Cell）：
单只用一个频率的光电池之效率很低。送至 Mars 火星上的 Mover 用的就是这种多层光电池（Mul-layer Solar Cell）三年多了，运转仍好。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位
（1）硅太阳能电池
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
（2）多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。
硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
（4）纳米晶太阳能电池
纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。
但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
（5）有机太阳能电池
有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它无机材料制成的。
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( 发表人：李倩 )
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elecfans.com.All Rights Reserved华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：薄膜太阳能电池的研究与发展现状学 生 姓 名： 学 部 （系） ： 专 业 年 级： 指 导 教 师：陈刚祥学号：信息学部电子科学与技术系 电子科学与技术 2008 级 周裕鸿 职称或学位： 讲师2012年 5 月 13 日华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目 录摘 要··································I ································· 关键词································· I ································· ABSTRACT······························ I ······························ Key words······························· I ······························· 前 言·································· ································· 1 一、薄膜太阳能电池概述························ ························2 二、薄膜太阳能电池的分类和特点····················3 ···················2.1 2.2 2.3 2.4 a-Si：H 薄膜····························4 ··························· Poly-Si 薄膜····························6 ··························· CIGS 薄膜···························· ····························7 GaAs 薄膜···························· ····························8三、薄膜太阳能电池的基本原理和基本结构·············· ··············113.1 3.2 3.3 单层结构····························· ···························· 12 双层结构····························· ···························· 12 体相异质结···························· ··························· 13四、薄膜太阳能电池的发展现状···················· ····················154.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 薄膜太阳能电池的发展现状···················· 15 ···················· 提高薄膜硅太阳能电池效率的措施·················16 ················ 提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收················ ················16 薄膜硅电池叠层技术······················ ······················21 微晶硅电池开路电压的研究··················· ···················22 中间层技术的研究······················· ·······················22五、 薄膜太阳能电池的发展前景····················· ···················· 245.1 更具优势的薄膜太阳能光伏电池··················· ·················· 26I华中科技大学文华学院毕业设计（论文）5.2 5.3 5.4薄膜 PV 基础·························· ··························28 薄膜光伏技术商业化的关键问题· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 29 应用及产能· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 29 ························六、 总结和展望·····························33 ···························· 参考文献······························· ·······························34 致谢··································36 ·································II华中科技大学文华学院毕业设计（论文）薄膜太阳能电池的研究与发展现状摘 要万物生长靠太阳。由于太阳能清洁安全、取之不竭，很多国家将目光投向了清洁的 太阳能发电。国际能源署的报告显示，到 2030 年，全球电力需求将翻番。因此，采用 太阳能等可再生能源发电无疑是有效的解决方法。目前，地球表面的太阳辐射高达 12 万太瓦（1 太瓦等于 100 万兆瓦） ，其中 600 太瓦是可用的，而我们人类只需 10 太瓦就 可以了。随着技术的改进、光转换效率的提高以及生产成本的下降，太阳能对未来能源 的贡献将会进一步增加。 本文阐述薄膜介绍有机太阳能电池研究的背景及历史发展情况，从器件结构、材料 选择、工艺技术等方面时近儿年来研究的几种薄膜大阳能电池现状和进展做了系统综 述，分析了结构、材料等对有机太阳能电池光电转化效率的影响，并讨论其发展趋势和 以后的应用方向，让大家能清楚薄膜太阳能电池在未来的发展趋势。关键词： 太阳能电池；分类；原理和结构；现状；发展趋势和前景I华中科技大学文华学院毕业设计（论文）Research and development status of thin film solar cells AbstractAll things grow by the sun. Solar clean, safe, inexhaustible, many countries will turn their attention to clean solar power. The International Energy Agency report shows that global electricity demand will double by 2030. Therefore, the use of solar and other renewable energy generation is undoubtedly an effective solution. At present, the solar radiation of the Earth's surface up to 120,000 terawatts (1 terawatt equals one million MW), of which 600 TWh is available, and we humans just 10 terawatts can. Optical conversion efficiency, as well as production costs decline as technology improves, the contribution of solar energy for future energy will increase further. This paper describes the film introduces the background and historical development of organic solar cells from the device structure, choice of materials, technology and other aspects of research in recent years, several thin-film solar battery status and progress of a systematic review, analysis of the structure, materials, and the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells, and discuss the trends and direction, so that we can clear thin film solar cells in the future development trend.Keywords:trends and prospectssolar； classification； principles and structure；the status quo；I华中科技大学文华学院毕业设计（论文）前言随着不可再生能源的不断消耗和日趋枯竭，能源危机日益突显，对太阳能、水能、 风能、地热能、潮汐能等可在生能源的开发利用，越来越引起世界各国的重视。太阳能 的光伏发电是太阳能利用的重要途径。 然而，硅系太阳能电池的成本主要消耗在价格昂贵的高纯硅材料上，其发展受到了 一定的限制。因此出现了新型非晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池。前者光电转换率有光致 衰退效应，使其性能不稳定；而后者使用硅材料少、又无效率衰退问题，因此是硅系太 阳能电池的发展方向。但硅系太阳能电池光电转换效率的理论极限值为25％，效率提高 潜力有限。近年来，以GaAs（砷化镓） 、GaSb（锑化镓） 、GaInP（磷化铟镓） 、CuInSe2 （铜铟硒） 、CdS（硫化镉） 和CdTe（碲化镉）等为代表的新型多元化合物薄膜太阳能 电池，取得了较高的光电转换效率，GaAs 电池的转换效率目前已经达到30％。而Ga、 In 等为比较稀有的元素，Cd 等为有毒元素，因此，这类电池的发展必然将受到资源、 环境的限制。因此，凝聚态稳定的薄膜太阳能电池备受关注：潜在的低成本、轻质量、 柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强的竞争力。 薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率 偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。通过进 一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。当前基于单 晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生 产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。薄膜硅太 阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节 省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几 年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。 但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能 电池组件的一半左右， 这在一定程度上限制了它的应用范围， 也增加了光伏系统的成本。 为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因 此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电 池的成本，来扩大薄膜太阳能的普及。第 1 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）一、 薄膜太阳能电池概述随着社会的进步与发展，如今光电技术已经成为热门的学科，同时它与各种学科之 间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。例如，薄膜技术与光电子学领 域的互相渗透使得光电子薄膜技术不断迅速发展，涌现了各种新型的光电薄膜器件，并 且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。对光电薄膜材料的研究和开发 工作是非常活跃的，所涉及的光电薄膜材料也很丰富，这些材料主要包括：Ge和si单晶 以及以它们为基的掺杂体；化合物半导体有：CdS（硫化镉） 、CaSe(硒化钙)、CdTe（碲 化镉） ，ZnSe（硒化锌） 、HgS（硒化汞） 、HgTe（碲化汞） ，PbS（硫化铅） ，PbSe（硒化 铅） 、InP（磷化铟） 、InAs（砷化铟） ，InSb（锑化铟） 、GaAs（砷化镓） ，GaSb（锑化嫁） 等。在光(包括不可见光)的照射下，物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变 化，就称为光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3 种。光电材料中光伏材料一直是研究的热点，利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信 号的光电转化元件，还可以制造光电池——薄膜太阳能电池。随着世界能源的紧缺，薄 膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且它无污染， 易于大面积推广。 目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。 化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(如a-Si：H)、ⅢV-族(如CaAs)、II一Ⅵ族(CdS系)和 磷化锌(Zn3P2)等。以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始，已经获 得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高，但制备所需的高纯硅工 艺复杂且成本较高。 为降低成本， 非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展， 它制备工艺相对简单，易实现自动化生产，已在1980年开始实现产业化生产，但是非晶 硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S-W效应)，因而阻碍了它的进一步发展。多晶硅 薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优 点， 且无光致衰减效应， 因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。 另外， CIGS 薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国 研究的热点之一，其光电转化效率高，性能稳定而且不会发生光致衰减效应。本文将着 重介绍非晶硅(a-Si)、多晶硅(Poly-Si)、铜铟镓硒(CIGS)， （GaAs）砷化镓这几种薄膜太 阳能电池。第 2 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）二、 薄膜太阳能电池的分类和特点第一代太阳能电池包括多晶硅、单晶硅电池，其中单晶硅电池转换效率为16％到 20％，多晶体硅电池效率为14％到16％。目前硅基太阳能电池是全球市场的主流技术， 在大规模应用和工业生产中占据主导地位。不过，由于受硅材料价格及复杂电池工艺影 响，相应的太阳能电池成本价格居高不下。 第二代太阳能电池则包括各种薄膜电池，涵盖碲化镉电池（CdTe） 、铜铟镓硒电池 （CIGS） 、非晶硅薄膜电池（a-Si） 、砷化镓电池、纳米二氧化钛染料敏化电池等，目前， 前三种薄膜电池已实现产业化。 1、碲化镉属于直接禁带半导体，能隙值（1.45eV）位于理想的能隙范围内，同时 具有很高的吸收系数，因此是高效率的理想太阳电池材料之一。目前工业化生产的模块 效率已经达到12%（FirstSolar，2010年） 。最近，通用电气（GE）获得了创世界纪录的 12.8%模块效率。由于碲化镉材料价格相对较低，易于实现规模化大批量生产，因此具 有潜在的成本优势。近年来，碲化镉薄膜太阳能电池商业表现较佳，市场前景广阔，未 来可能超过非晶硅太阳电池占有量。 2、铜铟镓硒吸光范围广，具有高转换效率和较低的材料制造成本，因此也被视为 未来最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。其实验室报道的最高转换效率达到了 20.3%，可以和单晶硅太阳能电池媲美。复杂的制造工艺以及高投资成本是其市场成长 的主要制约条件。 2011年初， 日本SolarFrontier公司开始了全面自动化铜铟镓硒薄膜太阳 能组件的商业化量产，其生产线上的组件转换效率达到了11.6%。但是，产品的大规模 化生产以及转换效率的进一步提高，将有效降低其安装系统的系统平衡成本。 3、砷化镓的禁带较宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。 目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而 多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。 4、非晶硅太阳能电池的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强，所需的硅薄膜 厚度低，生产技术成熟，可以制作大面积太阳能电池。主要缺点是转化率低（6%-8%） ， 而且光照一段时间后，效率还会衰减，且主要用于功率小的电子产品市场，如电子计算 器、玩具等。 第三代太阳电池包括各种超叠层太阳电池、热光伏电池（TPV） 、量子阱及量子点 超晶格太阳能电池等新概念太阳能电池。目前主要限于实验室研究，仍需大量研究工作第 3 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）深入探索，其产业化需待2020年以后。 从市场前景来看，薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等 方面将比传统的晶体硅太阳能电池具有更加广阔的应用前景。薄膜太阳能电池简单的制 造工序以及能耗少的生产流程克服了光电转化效率相对较低以及寿命较短所带来的成 本挑战。 由于采用价格相对便宜的玻璃、不锈钢等作为衬底，加之相关的电子半导体及玻璃 行业已经发展成熟，这使得薄膜太阳能电池受上游原材料制约较少，使其可以非常好地 控制成本和价格。 从应用环境看，薄膜太阳能电池弱光性好的特点使其能在广泛的环境下发电，因其 适用各种强度的阳光，其性能受天气的影响较小，另外，由于它可承受较高的温度，其 发电功率不容易受温度影响。因此，薄膜太阳能电池的应用将十分广泛。 另外，由于薄膜太阳能电池具有便携、耐用、光电转换效率高等特点，可广泛应用 于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域；也由于使用塑料等质轻 柔软的材料为基板，薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。值得 一提的是，清洁太阳能的广泛应用将同时带来下一代储能电池，尤其是在千瓦级小单元 储能以及太阳能并网发电中储能调频的应用并获得广阔发展。2.1 a-Si：H薄膜相对于单晶硅太阳能电池， 非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的 材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。(1) 非晶硅的光吸收系数大，因而作为太阳能电池时，薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓 时，要小得多；(2)相对于单晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单，制造过程能量 消耗少；(3)可实现大面积化及连续的生产；(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底， 因而容易降低成本； (5)可以做成叠层结构， 提高效率。 自1976年美国的Carlson和Wronski 制备出第一个非晶硅太阳能电池以来，非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研 究重点。 非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速 升高，成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中，非晶硅太阳电池是唯一 能进行大规模生产的器件，且价格便宜，市场占有率逐年增加。它能应用在如计算器、 手表等弱光电池市场，也能应用在微波中继站、光伏水泵等。电源及功率领域。非晶硅 薄膜主要由气相沉积法制备， 目前， 普遍采用的是等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。第 4 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）在PECVD法沉积非晶硅薄膜的方法中， 一般原料气采用SiH4和H2， 制备非晶硅薄膜叠层 电池时则采用SiH4和GeH4，在沉积过程中，加入B2 H5或PH3可实现掺杂。SiH4和GeH4 在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe薄膜。 目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2％，但单结非晶硅薄膜太阳能电池 不能完全利用太阳能，只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能，因此采用分波段利用 太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势，它能使太阳光谱中波长 最短的光被最外边的窄隙材料电池利用，同时波长较长的光能够投射进电池中被较窄能 隙材料电池利用， 最大限度地将光能转化为电能。 因此使用不同禁带宽度的i层来做成多 结的PIN结构如两结或三结电池，可以更有效地吸收太阳能光谱以提高电池效率。常规 的叠层电池结构主要为a-Si／a-SiGe、a-Si／a-SiGe／a-SiGe、a-SiC／a-SiC等。如Sanyo 公司a-Si／a-SiGe(1200cm2)并联组件的稳定效率达到9.5％。图2-1单晶硅薄膜太阳能电池的结构目前报导过单结电池的最高稳定效率&8％，双结电池&9.5％，三结电池&10％。但 实际上大多数销售的太阳能电池效率都往往低于这些数据，比如市场上销售的单结电池 效率只有4％～5％。目前非晶硅太阳能电池占市场上销售量的5％，但市场分量在不断 增长。非晶硅太阳能电池主要的制造商包括BP Solarex，Sanyo，Intersolar，Kaneka，Fuji Electric，ASE GmbH及United Solar Systems Corporation(USSC)。Sanyo公司研制出一种 新型的HIT电池，在这种电池结构中，非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两面上， lOOmm× l00mm大小的该电池效率可达21％，800mm× 1200mm大小的该电池效率可达 18.4％，尽管该结构的电池效率得到大幅度的提高，但成本仍然较高。 但同时非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。(1)由Staebler -Wronski 效应的存在，使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减，从 而导致整个电池效率的降低； (2)沉积速率低， 影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产；第 5 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）(3)后续加工困难，如Ag电极的处理问题；(4)在薄膜沉积过程中存在大量的杂质，如02、 N2、C等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。 非晶硅薄膜太阳能电池的下一步研究主要有以下几个方向：其一是采用优质的底电 池i层材料；其二朝叠层结构电池发展；第三是在保证效率的条件下，开发生产叠层型非 晶硅太阳电池模块技术；最后使用便宜封装材料以降低成本。2.2 Poly-Si薄膜由于非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应(S-W效应)导致了非晶硅薄膜太阳能电 池效率的衰减，因而多晶硅薄膜作为一种性能相对更好的材料应用于太阳能电池。多晶 硅(poly-Si)薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。它在长波段具 有高光敏性，对可见光能有效吸收，且具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为 高效、低耗的最理想的光伏器件材料。近些年来，多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方 面的工作引起了人们极大的关注。因为多晶Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和多晶Si体电 池的高转换效率和长寿命等优点，同时材料制备工艺相对简单。多晶Si薄膜电池技术可 望使太阳电池组件的成本得到更大程度的降低，从而使得光伏发电的成本能够与常规能 源相竞争。现在一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为12％～14％，其产量占硅 太阳能电池的50％左右，是太阳能电池的主要产品之一。澳大利亚新南威尔士大学，采 用热交换法生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池，转换效率达到18.2％，后来，通过 对工艺的改进，使其电池转换效率达到19.8％(1cm2)，日本京工陶瓷公司研制的 15cm× 15cm的多晶硅太阳能电池转换效率也达到了17％。 多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体 硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料 的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。它要求多晶硅薄膜的厚度在5～150μm， 且薄膜的宽度至少是厚度的1倍，同时要求衬底具有机械支撑能力，要有良好的背电极， 还需要对背表面进行钝化。 现在研究较多的是在低温下(&600℃)如何制备多晶硅薄膜，这样就可以使得多晶硅 薄膜沉积在如玻璃等廉价衬底上成为现实。按成膜过程可将制备方法分为两大类：一类 是先制备非晶态材料，再固相晶化为多晶硅；另一类是直接在衬底上沉积多晶硅薄膜。 第一类也被称为固相晶化法，它可以利用硅烷等原料气体，在PECVD设备中沉积a-Si薄 膜，再通过热处理将a-Si薄膜转化为多晶硅薄膜。在该类方法中，金属诱导法的前景较第 6 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）好， 它是利用a-Si与特定金属(如A1、 Ni、 Pd等)相接触时， 可以大大降低a-Si晶化的温度， 从而可以在低于600℃的条件下，在普通的玻璃衬底上制备多晶硅薄膜。后一类方法即 直接沉积多晶硅薄膜， 可以利用热丝化学气相沉积法或是采用诸如卤硅化合物等新的原 材料来沉积多晶硅薄膜。 多晶硅薄膜太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有 极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究还不够深入，膜生长技术还在探索， 以及薄膜多晶方式在原理上的研究还在探讨阶段，致使多晶硅薄膜电池还处于开发阶 段。 在国外， 澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程， 通过近8年的努力，已经进入了商业化试验。在国内，研究工作才起步，我国河北保定 英利集团生产的太阳能电池多晶硅电池片效率已达15％。2.3 CIGS薄膜太阳能电池中，CIGS薄膜也是一种具有极大发展潜力的太阳能电池材料。CIGS薄 膜太阳能电池因其具有独特的优异性能而被称为最有希望的光伏器件，正成为各国的研 究热点之一。 它是一种具有高光电转换效率且成本较低的化合物薄膜太阳能电池。 CIGS 组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CulnSe2和CuGaSe2的混合 半导体。它是以铜铟镓硒为吸收层的高效率薄膜太阳能电池。典型的结构为：Glass／ Mo／CIGS／ZnS／ZnO／ZAO（偶氮）／MgF2。图2-2 CIGS薄膜太阳能电池的一些特性第 7 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）相对于硅薄膜太阳能电池，CIGS薄膜太阳能电池具有一些优点：(1)CIGS薄膜太阳 能电池的光电转化效率高， 而且CIGS薄膜的光吸收系数是已知半导体材料中最高的， 达 到105／cm，并且它是一种直接带隙的半导体材料，适合薄膜化，CulnSe2中In用Ga替代， 使得半导体的禁带宽度可以在1.04～1.65eV间变化； (2)由于CIGS薄膜太阳能电池中的薄 膜晶体结构和化学键稳定， CIGS薄膜太阳能电池尚未发现光致衰退效应， 因而其使用寿 命更长；(3)CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷少，高品质的大晶粒，且在CIGS薄膜太阳 能电池的制作过程中不存在污染性的化学物质。 目前，CIGS的制备方法主要为真空蒸发法、溅射法和电沉积法。真空蒸发法是较为 传统的方法， 在制作过程中能够有效地控制薄膜的成分。 电沉积法是一种低温沉积方法， 且是一种最具潜力的低成本制备CIGS先驱薄膜的方法， 在制备过程中， 可以有效地控制 薄膜的厚度、化学组成、结构及孔隙率，而且设备投资少、原材料利用率高、工艺简单、 易于操作，但要想通过该方法制备理想的具有复杂组成的薄膜材料较为困难。溅射法一 般通过溅射CuIn和CuGa沉积CuInGa合金薄膜预制层，然后硒化制得。 CIGS薄膜太阳能电池性能优异，因而一些发达国家对CIGS薄膜太阳能电池非常重 视，投入了大量的资金进行研究，尤其是日本、美国、德国的研究水平已处于世界领先， 并已接近和达到实际生产水平，且其性能和品质也在不断地提高。美国可再生能源实验 室制备的小面积CIGS薄膜太阳能电池的最高光电转化效率已达19.2％。 日本昭和壳牌石 油公司已经完成技术开发，并准备建设10～20MW级生产线，2005年向市场提供商用 CIGS太阳电池，技术路线以Cu、In、Ga溅射成膜，H2Se硒化，3450cm2组件转换效率 13.4％。日本本田公司也宣布完成了CIGS的产业化开发。美国的Shell Solar公司生产的 CIGS太阳电池组件(40W)已达到转换效率12％，技术路线也是以Cu、In、Ga溅射成膜， 然后硒化。 德国的Wurth Solar公司在今年一季度1.5MW的CIGS生产线已经开始生产， 并 开始销售CIGS组件，第二条1.5MW的生产线正在建设中，他们的技术路线是Cu、In、 Ga、Se共蒸发，并进行2次硒化，平均转换效率8.5%。2.4 GaAs薄膜GaAs是典型的III-V 族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV （300K） ，可以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。GaAs材料的主 要特点： ? 1. 光吸收系数高。 GaAs太阳能电池的有源区厚度多选取5um 左右， 就可以吸收95%第 8 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）的太阳光谱中最强的部分。 ? 2. 带隙宽度与太阳光谱匹配。 GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的 能隙范围，具有更高的理论转换效率。 ? 3. 耐高温性能好。GaAs 太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更 高的温度范围。 ? 4. 抗辐照性能强。GaAs 是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散 度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs 太阳能电池具有较好的抗辐 照性能。 ? 5. 多结叠层太阳电池的材料。 由于III-V 族三、 四元化合物 （GaInP、 AlGaInP、 GaInAs 等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池 的效率并降低成本。 GaAs基太阳能电池基本上可分为单结和多结叠层式太阳能电池两类， 如图2-3所示。 对于单结GaAs太阳能电池，根据其生长方式的不同又可以分为LPE GaAs及MOVPE GaAs太阳能电池，衬底可选用GaAs或Ge，不过GaAs是直接带隙材料，光吸收系数大， 有源层厚度只需3微米左右，所以原则上在生长好GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐 蚀掉，只剩下5 微米左右的有源层，从而制成超薄GaAs电池，这样就可以获得很高的单 位质量比功率输出。目前超薄(UT)GaAs电池的比功率可达670W/kg，而100微米高效Si 电池的比功率仅为330W／kg。图2-3 GaAs基太阳能电池分类第 9 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）但是，无论如何，单结也只能吸收和转换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也 只有27%，为提高能量转换效率，可以将太阳光光谱分成连续的若干部分，用能带宽度 与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按带隙的不同从大到小的顺序从上到下叠合 起来，选择性吸收和转换太阳光光谱的不同子区域，这就有可能最大限度地将光能变成 电能，这样的电池结构就是叠层电池。第 10 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）三、 薄膜太阳能的基本原理和基本结构无机半导体是通过掺杂微量的杂质元素（如P、N 等），改变载流子浓度，从而提 高电导率。而聚合物的导电机理则更为复杂，聚合物半导体的主要特征是存在共轭键， 其中σ 键定域性较强，而π 键电子定域性较弱。在掺杂原子（O、N、S、N 等）作用下， π 键分子轨道可发生简并，从而形成一系列扩展的电子状态，即能带。π 成键轨道与π* 反键轨道分别与聚合物的价带和导带相对应，图3-1为六噻吩的电子结构与导电机理示 意图。在两极间产生电势，称为光伏效应，如图3-2 所示。对于绝大多数无机光电池而 言，光生载流子的理论解释是基于半导体材料的能带理论。图3-1 六噻吩的电子结构与导电机理图3-2 光生伏特效应由于共轭有机半导体材料的导电机理与无机半导体有所不同，因此，有机太阳能电 池与无机太阳能电池的载流子产生过程有所不同。聚合物吸收光子产生激子，激子只有 离解成自由载流子(电子和空穴)才能产生光电流。一种被广泛接受的观点是，有机薄膜 太阳能电池的作用过程由三个步骤： （1） 光激发产生激子； （2） 激子在给体/受体 （D/A） 界面的分裂；（3）电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。器件的能量损失贯穿于 整个过程：（1）光子损失；（2）激子损失；（3）载流子损失。激子的离解有多种机 制，可归结为激子的热电离或自由电离、激子与激子之间的碰撞电离、光致电离、激子 与杂质或缺陷中心相互作用而电离等。这样离解产生的自由载流子迁移率比较低，容易 成对复合而损失， 只有扩散到D/A 界面的激子， 被界面的内建电场离解才对光电流的产 生有贡献。 有机薄膜太阳能电池主要有：单层结构的肖特基电池、双层p-n异质结电池、以及 p-型和n -型半导体网络互穿结构的体相异质结电池。第 11 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）3.1 单层结构根据金属公函数与半导体能带的特征，金属与半导体的接触有整流接触和欧姆接触 两种。与双层电池不同，单层有机薄膜太阳能电池的载流子分离过程发生在整流接触界 面处的肖特基势垒。Loussa? ef.N 等制备了ITO/六噻吩/Al 结构的肖特基电池，并用基于 载流子主体相扩散的Ghosh 模型和描述载流子动力学行为的动力学模型， 研究了该结构 电池的理论光伏性能。在较低能量光谱范围内，两种模型的计算结果与实验结果一致； 但在较高能量光谱范围内，理论计算结果与实验结果差别很大，因为这两种理论模型都 忽略了激子分裂过程的存在。 有机层的吸收光谱与相应光伏器件的光电流之间有着非常紧密的对应联系。 Scho? n.J.H等制备了ITO/并五苯/Al 或Mg 结构的肖特基电池，最高光电转换效率达 1.9％。对射频磁控溅射制备的并五苯单晶薄膜进行了碘掺杂，大大提高了电池效率。因 为碘掺杂：（1）提高了并五苯薄膜的电导率；（2）拓宽了薄膜的吸收光谱，使之与太 阳光谱更吻合；（3）提高了内量子效应。 在上述两种电池中，ITO 层与有机半导体层的界面处形成整流接触，而有机半导体 与金属电极界面均为欧姆接触。但是，Sharma.G.D 等通过紫外可见吸收光谱及光电流 的研究，发现ITO/Pr-FP/Al 电池中金属Al 与Pr-FP 有机层界面为整流接触，而ITO 与 有机层界面为欧姆接触。这种接触类型的差别与各层的能代结构与公函数密切相关。 肖特基有机薄膜太阳能电池的制备工艺简单、价格便宜，但其光伏性能强烈依赖于 电极的性质。因为有机物绝缘性导致了大串联电阻，电池填充因子低，这是制约单层电 池发展及应用的主要原因。3.2 双层结构与肖特基电池相比，p-n 异质结双层有机薄膜太阳能电池有着许多诱人的特点，电 极与有机半导体薄膜的接触均为欧姆接触。通过聚合物材料的合理选择和染料的掺杂可 以制造出宽光谱范围响应的器件。Al-Mohamad A制备的Au/CuPc/PTCD/Si/Al 结构的电 池光电转换效率达3％，主要性能参数比有机单层的肖特基电池提高了约20％。因为p型和n-型有机层均产生激子，有机多层结构的吸收光谱更接近于太阳光谱。 D/A 界面的内电场对激子的分裂与载流子的分离起着非常重要的作用。D/A 导带 底或价带顶的能级差（即内电场）太小会导致激子分裂的效率降低，太大则会导致激子第 12 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）分裂速度和开路电压的下降。Sun.S.S 等模拟了D/A 电池结构中激子的产生、分裂及载 流子的迁移过程， 并对D/A 导带底或价带顶的能级差的优化问题进行了研究。 填充因子 与电池结构密切相关。Djara.V 等制备了glass/ITO (or ZnO)/ZnPc/1,4-DAAQ/LiF /Al 传 统D/A 结构的电池， 及其反型结构的电池为： glass/Al/1,4-DAAQ/ZnPc/PEDOT:PSS /ITO (or ZnO)/glass。实验结果显示，反型结构电池的填充因子达0.5，远远高于传统型的0.2。 SEM 分析发现，反型电池1,4-DAAQ 薄膜呈高度的纤维化结构，这种独特的结构有助 于填充因子的提高。1nm 的LiF 层的引入能阻止暗电流通过，有助于填充因子的提高。 但由于LiF 的绝缘性，电池光电转换效率却下降。 电极对电池的性能也有较大的影响。 Osasa T 等制备了glass/ITO/ CuPc /PV /Ag, Au， In,Mg 或Al 结构的电池。 电极对应的电池光电流比Ag 或In 作为电极时小， Au 可能是 因为Au 在沉积到PV 薄膜上时渗入了PV 薄膜导致漏电， 在ITO 和CuPc 薄膜之间增加 一层PEDOT-PSS 薄膜电极可以防止漏电的发生。Mg 或 Al 做为电极时的光电流也很 小，可能是因为PV 与金属电极之间发生了化学反应。但电极功函数对开路电压影响甚 微，因为有机半导体与电极界面处发生电子转移，使得两者费米能级保持一致。3.3 体相异质结D/A 异质结双层电池的界面面积有限， 载流子不能很好的分离， 因此其光电转换效 率受到了限制。将p-型和n-型有机半导体材料进行混合而制备的体相异质结电池，增大 了D/A界面面积， 光电转换效率的提高有着更好的前景。 理想的体相异质结有如下要求： （1）光电活性材料必须对太阳光谱有着较宽的吸收； （2）在D/A 界面的局部电场作用 下，激子分离产生的电子-空穴对必须能够有效的分离，并传输到相应电极；（3）必须 具备连续的网络互穿结构做为载流子传输通道，使得电子和空穴能分别传输到各自的电 极。 Ltaief.A等对ITO/MEHPPV+C60/Al结构的体相异质结电池进行了香豆素343和PcH2 染料掺杂，发现这两种敏化染料的掺杂拓展了复合薄膜的吸收光谱范围，因此短路电流 密度大大提高。实验表明，敏化剂不能单独作为电子受体，所以必须用富勒烯作为电子 受体。 Zhokhavets.U等对制备的P3HT/PCBM体相异质结薄膜进行了热处理， 发现聚噻吩衍 生物P3HT的结晶度有所提高。因为热处理提高了PCBM分子的热扩散速率，形成大的 PCBM团聚体以及PCBM的低浓度区域，使得P3HT分子得以在PCBM低浓度区域结晶。第 13 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）在实验温度范围内， P3HT的结晶度随着退火温度的提高而提高， 当退火温度为125℃时， P3HT结晶度及晶粒尺寸均达到最高水平，在可见光谱范围的吸收系数最大。进一步提 高热处理温度会使P3HT的结晶度下降，因为P3HT分子在更高温度下热运动加剧导致固 体融化。 Ltaief A等研究了MEH-PPV/C60体相异质结中C60浓度对电池性能的影响，发现C60 浓度对紫外-可见吸收光谱影响不大，但对薄膜形态影响很大。随着C60浓度的增大，C60 与MEH-PPV的互穿网络逐渐形成，电池性能得到较大提高，并在C60浓度为3.0wt%（碳 纳米管含量）时达到最佳水平；随着C60浓度的进一步提高，由于体相异质结中的C60微 岛逐渐合并为大岛，导致互穿网络的衰退，电池性能逐渐下降；当C60浓度继续增大到 9.0wt%以上时，大岛尺寸接近薄膜厚度，成为连续电子转移通道，因此电池性能有所提 高，但远不及形成互穿网络结构时的电池的性能。第 14 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）四、 薄膜太阳能电池的发展现状在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、 资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被 认为是二十一世纪最重要的新能源。 当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶 体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了 机遇。薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅 电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制造过程相对简单，成本较为低 廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。 但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能 电池组件的一半左右， 这在一定程度上限制了它的应用范围， 也增加了光伏系统的成本。 为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因 此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电 池的成本。 本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电 池的研究现状。4.1 薄膜太阳能电池的发展现状随着不可再生能源的不断消耗和日趋枯竭，能源危机日益突显，对太阳能、水能、 风能、地热能、潮汐能等可在生能源的开发利用，越来越引起世界各国的重视。太阳能 的光伏发电是太阳能利用的重要途径。 然而，硅系太阳能电池的成本主要消耗在价格昂贵的高纯硅材料上，其发展受到了 一定的限制。因此出现了新型非晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池。前者光电转换率有光致 衰退效应，使其性能不稳定；而后者使用硅材料少、又无效率衰退问题，因此是硅系太 阳能电池的发展方向。但硅系太阳能电池光电转换效率的理论极限值为25％，效率提高 潜力有限。近年来，以GaAs、GaSb、GaInP、CuInSe2、CdS 和CdTe 等为代表的新型多 元化合物薄膜太阳能电池，取得了较高的光电转换效率，GaAs 电池的转换效率目前已 经达到30％。而Ga、In 等为比较稀有的元素，Cd 等为有毒元素，因此，这类电池的发 展必然将受到资源、环境的限制。因此，凝聚态稳定的薄膜太阳能电池备受关注：潜在第 15 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）的低成本、轻质量、柔韧易加工性、可低成本大面积制备等突出优点，使得它具有很强 的竞争力。 薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率 偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。通过进 一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。当前基于单 晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生 产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。薄膜硅太 阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节 省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制造过程相对简单，成本较为低廉，因此在过去 的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。 但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能 电池组件的一半左右， 这在一定程度上限制了它的应用范围， 也增加了光伏系统的成本。 为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因 此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电 池的成本，来扩大薄膜太阳能的普及。4.2 提高薄膜硅太阳能电池效率的措施提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太 阳光谱的响应范围；提高电池的开路电压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（?c-Si）的开路 电压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。我们将从这几个方面介 绍提高薄膜硅电池效率的方法。4.2.1提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收对于单结薄膜硅太阳能电池，提高其对光的吸收将提高电池的电流密度；提高进入 电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；对电池效率将产生直接的影响。 Berginski等人通过实验结合模拟给出了提高电池对光的吸收途径，如图4-1所示：可以看 出薄膜硅电池的前电极对光的吸收、折射率的错误匹配、窗口层对光的吸收、背反电极 吸收损失以及玻璃反射都会减少电池对光的吸收，因此提高电池的光吸收可从这几个方 面着手。第 16 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）图4-1 在织构ZnO表面沉积单结微晶硅薄膜太阳能电池 （本征层厚度为1微米） 的QE、 吸收1-Rcell 以及影响电池吸收的因素（1） 前透明导电氧化物薄膜（TCO）的研究当前采用具有一定绒度的TCO薄膜是提高薄膜硅太阳能电池效率的有效途径，这是 因为入射光线在TCO绒面或背反射电极处被散射，由于散射光在薄膜中具有更长的光 程，因此被吸收的几率更大。目前大规模商业化的TCO是使用常压化学气相沉积掺氟的 SnO2（FTO） 。Oerlikon公司采用低压化学气相沉积（LPCVD）掺硼的ZnO，由于制备 的TCO表面具有一定的绒度，可直接用在电池上。Meier 等人通过优化LPCVD沉积工艺 参数获得的ZnO:B整体性能优于FTO ， 在此基础上获得单结非晶硅薄膜太阳能电池的稳 定效率达到9.1%。但是目前国际上研究的热点是利用磁控溅射技术沉积掺Al的ZnO （AZO） ，由于AZO薄膜的主体Zn、A1在自然界中的储量丰富，生产成本低，具有价格 优势；而且AZO具有FTO薄膜无法相比的优越性：无毒、氢等离子中的稳定性高、制备 技术简单、易于实现掺杂等；最重要的是AZO在光、电特性方面可满足当今商用FTO薄 膜的一切指标。使用溅射技术沉积的AZO表面光滑，但是通过稀Hcl溶液腐蚀后可获得 具有优异陷光能力的表面。图2为典型的在AZO织构表面与光滑表面上获得的电池量子 效率图，可看到在织构的表面上将获得更大的电流密度。图3为使用三种制备TCO技术 获得的TCO表面形貌图。目前大面积溅射AZO还处于研发阶段，主要的研究方向是提高第 17 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）大面积溅射的均匀性与提高靶材的利用率。2001年，Muller等人在AZO上获得了a-Si电 池的初始转换效率为9.2% （32× cm2） 2003年Muller等人获得a-Si电池的初始转换效率 40 ； 为9.2%（60× 100 cm2） 。在a-Si/?c-Si叠层电池方面，2001年，O.Kluth等制备电池的初始 转换效率为12.1% （1cm2） 2004年， pkes等制备电池的初始转换效率为9.7% ； Hü （64cm2） ； 2008年， Tohsophon等制备的电池在不同面积下的转换效率分别为10.7% （64cm2） 和9.6% （26× 26cm2） 。随着大面积溅射AZO技术的成熟，未来将会在薄膜硅太阳能电池中占有 一席之地。图4-2 在光滑与织构的AZO表面上沉积a-Si电池获得的量子效率比较图4-3 采用不同沉积技术获得TCO表面形貌图第 18 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）（2） 减反层的研究 由于光会在两层不同的介质处发生反射，两介质折射率相差越大，反射也越大。在 superstrate型薄膜硅电池中，TCO的折射率（n～1.9）与硅薄膜的折射率（n～3.4）相差 很大，在界面处会有超过10%的光被反射，为了减弱界面处光的反射，可以在TCO与硅 材料中间引入一层处于中间折射率（n～2.5）的透明导电介质来减弱光的反射。T.Matsui 使用溅射TiO2作为减反层提高了单结a-Si与?c-Si的量子效率，但是由于TiO2在氢等离子 的环境下容易被还原，通过在TiO2的表面沉积一层10nm左右的ZnO来保护TiO2，两类电 池都获得了更优的量子效率，如图4与图5所示。Das等人在多结a-Si叠层电池中使用TiO2 减反层提高了电池的短路电流密度， 在a-Si/?c-Si叠层电池中结合TiO2减反层与SiOx中间 层技术提高了顶电池的电流密度，同时减弱了底电池电流密度的损失，提高了顶电池与 底电池的电流匹配。图4. 标准电池与减反层电池的结构： （A） ：一般电池结构， （B） ：带有TiO2减反层的电池结构， （C）带有TiO2-ZnO的电池结构示意图图5. 上图4中三种结构的?c-Si电池的量子效率图比较第 19 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）（3） 窗口层的研究 在薄膜硅太阳能电池中，p-型和n-型的掺杂层被称为―死区‖，对光生电流没有贡献， 为了提高电池的效率，应尽量降低掺杂层中的光吸收。除了使掺杂层的厚度尽可能降低 外，研究人员常使用宽带隙材料作为窗口层来减少光的吸收。1981年，Tawada等使用 a-SiC:H作为a-Si电池的窗口层实现电池的转化效率为7.1%。 p-型a-SiC:H的光学带隙大约 为2.0eV，具有优良的导电性能与透光率，常用做a-Si薄膜电池的窗口层。Barua等人在 a-Si电池中使用p-型a-SiO:H作为窗口层也获得较好的电池效率。由于微晶硅比非晶硅易 实现掺杂，p-型的微晶硅薄膜具有高的电导率，同时对可见光的吸收系数远小于非晶硅 的，被Hattori、Fujikake等人用做a-Si电池的窗口层。在?c-Si薄膜太阳能电池中，本征层 对窗口层材料的表面性质比较敏感，直接使用a-SiC:H和a-SiO:H作为微晶硅电池的窗口 层会导致本征层中有较厚的非晶孵化层。S.Klein、Huang等人使用热丝化学气相沉积技 术在低温下制备了高电导、高透过率的c-SiC:H材料，霍尔系数测量发现c-SiC:H材料显 n-型。 Huang等人使用c-SiC:H作为窗口层制备了从n面入射的n-i-p型微晶硅薄膜太阳能电 池，获得了26.7 mA/cm2的高短路电流与9.2%的电池效率，Huang认为高电导、高透过率 的窗口层与本征层中高的空穴迁移率是影响电池性能的关键因素。图4-6为c-SiC:H的吸 收系数， 可以看到在高能端， c-SiC:H的吸收系数远小于n型微晶硅和非晶硅的吸收系数。图4-6 n-型的a-Si、c-Si以及c-SiC:H的吸收系数比较第 20 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）4.2.2薄膜硅电池叠层技术在单结薄膜电池中由于S-W效应的存在会使电池效率衰退15%-30%，同时在大面积 产业化中非晶硅组件的效率只有5%-7%，严重影响了产业化的发展。提高非晶硅薄膜电 池效率的一个有效途径是使用叠层电池技术。Fuji公司在1cm2的小面积上实现a-Si/a-Si 叠层电池的稳定效率达到10.1%，使用a-Si/a-Si叠层电池有利一面是可以降低生产成本， 不利的一面是电池的效率偏低，因此并不是叠层电池发展的方向。由于非晶硅的能带结 构使其对长波光几乎没有响应，因此为了扩展太阳光谱的利用范围，从上世纪80年代开 始，研究人员把比非晶硅带隙低的 a-SiGe与a-Si 叠在一起形成 a-Si/a-SiGe双结 或 者 a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构。目前，Sanyo公司的小面积（1cm2）a-Si/a-SiGe电池实 现10.9%的稳定效率。USSC公司的小面积（0.25cm2）a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层电池的 初始转换效率可达到14.6%，稳定效率为13.0%。但是由于制造能带小于1.5eV的器件级 质量的a-SiGe比较困难，同时GeH4（锗烷）的价格昂贵，研究人员开始选择另外的材料 代替a-SiGe。1994年，Meier等人首次使用VHF技术沉积微晶硅薄膜太阳能电池，电池的 转化效率超过7%，这证明了微晶硅薄膜可以用做电池的吸收层。同年，Meier等人还首 次提出a-Si/mc-Si叠层电池概念，并使叠层电池的转化效率达到9.1%。图4-7的左图为 a-Si/mc-Si的结构示意图， 右图为a-Si/a-Si薄膜叠层电池与a-Si/mc-Si薄膜叠层电池的光谱 响应图。由于微晶硅的能带是1.1eV，而非晶硅的能带是1.7eV左右，两者结合比较靠近 理想的叠层电池结构。Shah通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到30%以上。 这种新型硅基薄膜太阳电池大大促进了对这种材料和电池的研究。 目前大面积a-Si/mc-Si 叠层电池作为下一代薄膜电池已经开始大规模产业化。图4-7 p-i-n结构的a-Si/a-Si叠层电池与a-Si/mc-Si叠层电池的光谱响应图第 21 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）4.2.3 微晶硅电池开路电压的研究 开路电压（VOC）是影响太阳能电池转换效率的重要因素，载流子的体内复合与界 面复合会减小VOC，同时VOC又会影响光生载流子在电池体内与界面处的复合强度。在 a-Si/mc-Si叠层电池中，由于底电池微晶硅的VOC（500～550mV）小于顶电池非晶硅电 池的VOC（800～900mV） ，因此，提高底电池的开压可提高整个叠层电池的转换效率。 上世纪90年代研究人员多集中使用高于80%晶化率的微晶硅材料作为吸收层，电池的开 压在400mV左右。2000年，Vetterl等人把微晶硅的晶化率降到60%后，使微晶硅薄膜太 阳能电池的VOC提升到520mV， Vetterl认为材料处于有微晶到非晶的相变区域可获得高的 VOC。2002年，S.Klein使用热丝化学气相沉积（HWCVD）制备了位于相变区域的微晶 硅电池，VOC接近600mV，电池的效率为9.0%。2005年，Mai在VHF中使用HWCVD处理 p/i界面技术，使电池的开压普遍提高20-30mV左右，达到570mV左右，电池的效率为 10.3%，Mai认为在HWCVD中不产生离子轰击，改善了p/i界面特性，降低了界面复合。 van den Donker等人在PECVD沉积中通过控制硅烷的back diffusion，使用纯硅烷沉积获 得了560mV的VOC，效率为9.5%的微晶硅电池。2006年，G.Yue等人通过在VHF中调制氢 稀释度技术控制微晶硅生长方向的均匀性，获得了570mV左右的VOC。2007年，van den Donker等人通过结合HWCVD处理p/i界面技术与硅烷调制技术， 在PECVD沉积中获得了 603mV的VOC，电池的效率为9.8%，由于本征层的晶化率只有32%，使本征层非晶成分 增多，电流密度降到22mA/cm2。目前虽然微晶硅电池的开压已经达到600mV，但是与 单晶硅电池的706mV的开压与多晶硅664mV的开压相比还有提升的空间。4.2.4 中间层技术的研究 目前研究人员在抑制a-Si电池衰退方面的主要研究成果是：采用织构的TCO技术， 增加a-Si电池的光吸收，降低非晶层的厚度；采用氢稀释与窗口层技术，提高a-Si的稳定 性与效率；采用叠层技术，减小非晶硅顶电池的厚度；采用中间层技术，提高顶电池与 低电池的电流匹配。目前前三项技术已经在产业化中使用，而中间层技术尚处于实验室 研究阶段， 但是中间层技术可有效地解决a-Si/mc-Si叠层电池中所遇到的困难。 由于为了 提高a-Si/mc-Si叠层电池的稳定性， 应尽可能减小非晶硅顶电池的厚度， 但是这容易造成 顶电池的电流密度降低，影响顶电池与底电池的电流匹配。1996年，IMT研究组提出在 顶电池与底电池之间引入一层透明导电膜，例如ZnO，由于ZnO的折射率与硅层材料折 射率的相差较大，这个透明导电层可以将短波光线发射回顶电池，提高顶电池的输出电第 22 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）流，同时透过长波光，保证底电池光吸收，如图4-8所示。Yamamoto 等人使用溅射ZnO 作为a-Si/mc-Si中间层技术，获得了14.7%的初始转换效率；Fukuda等人在a-Si/a-SiGe /mc-Si三结叠层电池中采用了中间层技术，获得了15.0%的初始转换效率。A. Lambertz 与P. Buehlmann分别使用RF-PECVD与VHF-PECVD沉积SiOx当做中间层，同样在不增加 顶电池厚度的情况下，提高了顶电池的电流密度。Myong与S? derstr? m使用LPCVD沉积 ZnO:B当做中间层，也提高了叠层电池的稳定性。图4-8 左图：具有透明中间层的a-Si/mc-Si叠层电池的结构示意图， 右图：有中间层与没有中间层的a-Si/mc-Si叠层电池的量子效率对比第 23 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）五、 薄膜太阳能电池的发展前景随着美国金融危机的持续恶化，近几年一直艳阳高照的全球光伏行业突然乌云重 重。此次金融风暴来势凶猛，很快便从金融领域蔓延到了实体经济，并且波及全球。作 为实体经济的一部分，光伏行业理当受到影响。但是，相比而言，光伏产业受到的影响 是比较小的、是短期的。原因是：各国政府在努力减小金融风暴影响的同时，相继出台 了一些扩大内需的政策。从世界范围的新政来看，作为颇具前景的一个可持续发展的产 业，光伏仍是很多国家重点投资的领域之一。尽管全球金融风暴造成各类实体经济的衰 退和投资风险的加大，但是，中外创投对太阳能光伏产业投资却在逆势增长。 目前，各国政府非常鼓励采用某种形式的再生能源，其中包括太阳能、风能甚至潮 汐发电及核电，只要不以碳为基础的能源，政府都大力鼓励，因为可以减少温室气体排 放。今年 10 月，英特尔投资公司以 2 000 万美元投资正处于扩张期的深圳创益科技， 英特尔 CEO 欧德宁表示：―我们的投资注重在清洁技术方面的投资机会，这是考虑到环 保的重要性与日俱增，油价的不断攀升，还有清洁技术的发展等，这是一个非常好的机 会。继英特尔日前 2 000 万美元投资深圳创益科技之后，世界银行集团成员国际金融公 司(IFC)昨日向新奥集团旗下新奥太阳能有限公司投资 1 500 万美元， 并组织总计 1.21 亿 美元的贷款。 除 1500 万美元股权投资外， 此次 IFC 贷款计划包括， 将向新奥太阳能提供 4 500 万 美元自有资金贷款，以及 7 600 万美元的银团贷款。该笔融资将帮助建设中国第一条大 型薄膜太阳能模块生产线，项目完成后预计年产薄膜太阳能电池模块 60 MW，将于明 年第二季度投产。 去年 11 月，新奥与美国应用材料公司合作建设太阳能薄膜电池项目，引进该公司 全套自动化生产线， 预计到 2012 年产非晶硅薄膜太阳能电池 500 MW， 年销售额 200 亿 元。该项目落户河北廊坊经济技术开发区，用于生产非晶硅薄膜太阳能电池。新奥太阳 能项目计划总投资 140 亿元， 分三期建设， 太阳能薄膜电池生产技术可降低太阳能电池 生产成本，提高光电转化率，应用于如太阳能屋顶电池发电、太阳能光伏发电站及建筑 物外墙光伏电池安装等。除新奥集团外，据了解，百世德太阳能计划在苏州、南昌建设 两座薄膜太阳能项目工厂，投资金额分别为 25 亿美元。苏州工厂投产时间预定为 2008 年底，南昌工厂为 2009 年第一季度。假如这一规划得以实现，百世德将成为拥有全球 最大薄膜太阳能电池工厂的企业。第 24 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目前，光伏产业正处于历史上最大的爆炸式成长期当中。全球每年对太阳能电池 的市场需求增长已经超过 70％。光伏产业将在近五年的时间内，靠独立经济生存能力， 而非政府的激励政策来达到同电网电价相同的价格。2008 年 1 月 14 日 SEMI 在加州 HalfMoon Bay 召开的工业战略研讨会(ISS 2008)上发表了 Stephen O'Rourke 作出的预 测。他是在德意志银行证券(Deutsche Bank Securities，纽约)从事半导体资产设备和材料 的高级分析师。 “这一次，光伏产业不会再像过去那样发生倒退而被湮没， ”O'Rourke 评 述说， “现有的光伏发电技术有很多种，包括晶体硅和多种薄膜电池。 ”图 5-1 展示了现 有的不同种发电技术的电价曲线。这些曲线起始于 2006 年，并被预测到 2020 年。 “在 这一产业中，是否具有竞争力的关键因素是逐渐减小的每千瓦时电的成本“O'Rourke 说， “其根本意义是在于销售能源，而并不是电池、电池组，或者光伏发电系统本身。 ”图 5-1 太阳能光伏现状 （来源：德意志银行证券） O'Rourke 的计算主要基于 2006 年全美的平均电网电价(8.6 美分/kW· h)。再用以往 7 年内每年大约 4.5%的年增长率外推，而得到今后几年的电价。 “这为我们提供了一个 时间上的框架——当太阳能电价曲线与电网电价曲线收敛而相交的时候，太阳能电价就 有了与电网电价竞争的实力。当太阳能电价低于电网电价的零售价格时，这(光伏并网 发电)就会真实地发生， ”他补充说， “这些还只是些较保守的估计。 ” 太阳能电池产品主要分为晶体硅电池、薄膜电池两类。前者包括单晶硅电池、多晶 硅电池两种，占据全球该行业绝大多数的市场份额；后者主要包括非晶硅电池、铜铟镓第 25 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）硒电池和碲化镉电池等，目前市场份额较小。晶体硅和薄膜太阳能光伏电池是现在乃至 未来 10 年的两大主要技术阵营，晶体硅太阳能电池以高转化效率在过去和现在都主导 着光伏市场。 而薄膜电池在原有转化效率上突破性的进展以及相对低廉的成本在近两年 吸引了投资者更多的关注，处于急速发展期。 晶体硅电池的制造成本主要取决于硅片生产能耗与高纯度硅料价格，由于能源价格 居高不下，高纯度硅料的生产技术及市场供应又被几家主要厂商垄断，造成晶体硅电池 成本高起，且未来下降空间狭窄，限制了其技术发展和市场推广。据统计，目前我国已 是世界上最大的太阳能电池生产国，已有 12 家企业海外上市，但主要集中于多晶硅电 池产业链中下游，且 90%以上的产品销往国外，受市场需求和汇率影响很大，抗风险能 力差。 相反，薄膜电池中虽然光电转化效率较低、寿命较短，但低温工艺技术降低了生产 能耗，而且便于采用玻璃、不锈钢等廉价衬底，相关的电子气体及玻璃行业也已发展成 熟，供应及价格较稳定。这使其受上游高纯度硅料生产厂商制约较少，成本可得到较好 控制。从市场前景来看，薄膜电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设等方面 的应用，将比传统的晶体硅电池更为广阔。5.1 更具优势的薄膜太阳能光伏电池目前已经实现商业化的太阳能电池技术有晶体硅电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉 薄膜太阳能电池， 聚光太阳能电池。 CIGS 薄膜太阳能电池也有可能在将来实现产业化。 其中，晶体硅太阳能电池占整个光伏市场 85%以上的份额。单晶硅太阳能电池大规模生 产的平均转换效率已经达到了 16.5%，而多晶太阳能电池的转化效率在 14.5%到 15.8% 之间。 而在未来太阳能电池的发展蓝图中，薄膜电池则以低成本成为新的亮点，并试图通 过改善工艺提高其转换效率将极大的扭转光伏市场的格局。原材料在太阳能电池的成本 结构中占了重要的比例，薄膜电池能在当前光伏产业发展之路中崛地而起，成本因素起 到了关键的作用。不论是晶体硅还是薄膜太阳能电池，原材料约占总光伏电池总成本的 60%～70%，薄膜太阳能电池的成本无论在过去还是将来都大大低于晶体硅太阳能电池 的成本。 目前在工业上， 硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。 为减少硅的消耗量， 光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最为看好的一种就是转向第 26 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）更薄的硅衬底。现在，用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于 200 μm，而衬底厚度 略小于 100 μm 的技术正在开发中。为使硅有源层薄至 5～20 μm，可以在成本较低的硅 衬底上淀积硅有源层，这样制得的电池被称为薄膜晶体硅太阳能电池。 尽管太阳能发电成本在过去 25 年里已下降了 10 倍，但目前成本仍是入网电价的 3～5 倍，业界认为接近电网等价点(Grid Parity)才是光伏产业真正爆发性增长的开始光 电转换率是太阳能电池一个重要考核指标。目前薄膜电池的稳定光电转换效率约为 5%～8%，且存有光致衰减弱点，而晶硅电池的光电转换效率则在 15%左右，高者已达 25%。 但晶硅的价格已从 2005 年的 80 美元/kg 上涨到 2008 年第一季度的高点 470 美 元/kg，致使硅片的成本已经占到晶硅电池生产总成本的近 90%，直接导致晶硅电池的 利润空间由原先的 16%以上被压制到目前的 5%以下。晶硅电池被材料所困，薄膜电池 似乎给太阳能电池带来了应用普及的希望。不过，由于提升薄膜光伏电池光电转换效率 非一日之功，考虑到工艺、材料进步速度及常规电价涨价等因素，业内一般认为薄膜光 电转换率 2010 年会达到 10%左右，而基于 CdTe 薄膜电池会在 2015 年最有可能率先 达到电网等价点。 作为薄膜电池的主要原料之一—玻璃，约占原材料成本的 40%。非晶微晶工艺的薄 膜电池需要超白玻璃，因为超白玻璃具有高透光率，对太阳光具有很好的吸收作用。目 前国内已经有一些光伏玻璃生产企业达到了一定的规模，例如山东金晶、南玻以及耀玻 等。这为薄膜电池的规模化生产提供了丰富的原材料供应。同时，薄膜的转化效率也在 过去的几年中得到很大程度的提升，采用非晶双结技术的薄膜太阳能电池稳定后的转换 效率理论上限为 15%，在有报道的量产中最高转换效率已经达到了 11%左右。晶体硅电 池的发展也推动了薄膜太阳能电池的快速发展，薄膜太阳能电池在技术上目前已经具备 了规模化生产的基本条件。 薄膜电池的最大优势就是材料成本低廉。依据涂层材料的不同，薄膜电池又可分为 非晶硅(a-Si，硅基薄膜电池)、铜铟硒(CIS、CIGS)和碲化镉(CdTe)三种类形。不过，虽 然在用料上薄膜电池要远比晶硅来的低廉，生产流程也要简单，但薄膜电池的设备投资 几乎是晶硅电池设备投资额的 10 倍，且生产工艺相当复杂，对人才、技术的要求门槛 也比晶硅电池制造高出许多。第 27 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）5.2 薄膜 PV 基础第一种薄膜 PV 的基础技术是制作外延(epitaxial)薄膜太阳能电池(图 3)，从高掺杂 的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始，然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外 延层。除成本和可用性等优势以外，这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术 逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程，与其它的薄膜技术相 比，这种技术更容易在现有工艺线上实现。图 5-2 外延薄膜太阳能电池 第二种是基于层转移(layer transfer)的薄膜太阳能电池技术，它在多孔硅薄膜上外 延淀积单晶硅层，从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术 的思路是多次重复利用母衬底，从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究 中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜，并尝试无支撑薄膜工艺的 可能性。 最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池，即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜 的异质衬底上，比如陶瓷或高温玻璃等。晶粒尺寸在 1～100 μm 之间的多晶硅薄膜是 一种很好的选择。我们已经证实，利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太 阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为 5 μm 的多晶硅层。接着利用生长速率 超过 1 μm/min 的高温 CVD 技术，将种子层外延生长成几微米厚的吸收层，衬底为陶 瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热 CVD 是因为它的生长速率高，而且可以获得高质量的晶 体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜 技术那样成熟，但已经表现出使成本降低的巨大潜力。第 28 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）5.3薄膜光伏技术商业化的关键问题对于 CIGS 薄膜光伏技术而言， 在开发低成本高可靠性产品时， 下面 6 类问题是至关重要的： (1) 用于生长 CIGS 吸收膜设备的标准化； (2) 更高的模块效率； (3) 防止水气进入柔性 CIGS 模块中； (4) 用替换工艺沉积柱状的 CIGS 结构，用于高效单元及模块； (5) 更薄的吸收层(≤1 μm)； (6) 大面积 CIGS 吸收膜的化学成分控制及均一性。 而对于 CdTe 薄膜技术，包括以下五项关键问题： (1) 用于沉积吸收层设备的标准化； (2) 更高的模块效率； (3) 背面接触的可靠性； (4) 降低吸收层厚度(≤1 μm)。 (5) 大面积内均一性的控制。5.4应用及产能随着薄膜光伏技术的成熟，新安装的太阳能电池阵列在规模上将越来越大。FirstSolar 公司与德国的 Juwi Solar 公司共同在德国萨克森州安装了一个 40 MW CdTe 薄 膜太阳能电池场。到目前为止，已安装了 6 MW 的太阳能电池场。当完工时，这将成 为世界上最大的太阳能电池场之一。工程总价值 1.3 亿欧元。因此，新安装的光伏系统 价格为 3.25 马克/W，也是世界上最低的光伏系统安装价格。预计到 2010 年，薄膜光 伏技术的全球总产能将超过 3 700 MW。 预计美国将会达到 1 127 MW， 日本 1 312 MW， 欧洲 793 MW，亚洲 472 MW。 基于非晶硅(a-Si:H)和微晶硅(μc-Si:H)的薄膜太阳能电池模块日渐成为低成本、 大尺 度光伏(PV)应用的最佳选择。这类模块的吉瓦级产品需要大面积的均匀吸收层，同时也 需要很高的吸收层的沉积速度。应用材料的 SunFab 薄膜工艺线可以在玻璃衬底上制造 面积高达 5.7 m2 的太阳能模块， 这比传统的薄膜模块大 4 倍。 该工艺线可以制造单结(SJ) 和串接结(TJ)太阳能模块。 并已经在采用 Gen8.5 (2.2× 2.6m) 衬底的 AKT PECVD 平台上 成功地开发出太阳能 PECVD 工艺。可以在超过 5.7 m2 的衬底上得到器件性能和均匀第 29 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）性都非常好的 SJ 和 TJ 太阳能电池。SJ 电池的 I-V 参数均匀性好于 3%，串接结电池 的 I-V 参数均匀性好于 5%。 应用材料已经成功开发出高沉积速率的工艺，用来在大面积衬底上制造高效薄膜硅 基太阳能电池模块。 在低成本、 商用的浮法 TCO 玻璃衬值)和 7.3± 0.4%(稳定值)， a-Si:H /μc-Si:H 串接结电池的效率为 11.2± 0.4%(初始值)和 9.7± 0.3%(稳定值)。 用于 SJ 和 TJ 电 池中吸收层沉积的 PECVD 工艺在 2.2 m× m 的衬底上也展示出非常好的均匀性(电 2.6 池 I-V 特征曲线波动小于 5%)。制得到 a-Si:H SJ 模块和 a-Si:H/μc-Si:H TJ 模块分别具 有 6.6%和 9.3%的稳定效率。 DEK 太阳能最新推出的 PV1200 光伏金属镀膜平台（图 5-3）不仅用于全球满足硅 片要求，且满足薄膜基板的商业要求。使用其在太阳能产业的公认经验，得可正通过一 系列成本和生产力优势推动薄膜光伏电池的生产适用于大规模市场。使用薄膜技术生产 的新型太阳能电池的出现，带给太阳能制造商较日益昂贵硅片更具成本优势的众多益 处。例如，薄膜技术使太阳能电池可建于柔性基板上，提供内嵌太阳能进行多种商业应 用的很多新机会。紧密合作与具有影响力的生产厂商，得可公司已开发薄膜基板的一系 列金属镀膜方案。工艺包括用于金属镀膜的镀银环氧化合物的精密涂敷，和其他活性和 连线层的应用，使用类似于那些已在大尺寸硅太阳能电池生产中获得认可的印刷技术。图 5-3 DEK 公司最先进的 PV1200 金属镀膜线该机可提供每小时 1 200 个电池产量、六西格玛工艺水平、12.5 μm 精度和先进的 处理能力。PV1200 太阳能金属镀膜生产线是得可公司利用 40 年开发批量印刷设备产第 30 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）品的经验，具有一定的技术优势，适用于先进的 10 000 级无尘室制造环境的金属镀膜 制造工艺。 根据德国研究机构 Photon Consulting 的资料显示，到 2012 年光伏市场的已装机容 量将从 2007 年的 2.2 亿 W 增加到 37 亿 W(图 5-4 所示)。这足以将未来几年的需求翻 番，并在未来的许多年里保持强劲的两位数字的增长。图 5-4全球太阳能装机容量根据 Greentech 和 Prometheus 研究所的最新报告，到 2008 年，全球薄膜太阳 能电池产量将会增长 8 倍， 而非晶硅太阳能电池是薄膜太阳能电池的主流。 根据该报告， 薄膜太阳能电池产量在 ，2010 年这 3 年间将每年翻番，到 2012 年产能将 达到 4 180 MW。在未来 5 年中，薄膜太阳能电池将对整个太阳能产业的发展有重要影 响‖，报告作者如是说到：―这将会引发太阳能产业更加剧烈的技术竞争和资本市场对该 产业的评估和适应，并影响太阳能产业的整体格局‖。到 2008 年 7 月止，至少有近 143 家公司进入薄膜太阳能市场， 其中近 40 家公司于 2007 年进入， 2008 年初进入的有 23 家。 未进入薄膜太阳能市场的公司以及新的公司将继续打破薄膜太阳能市场的公司数大 多数公司都集中在非晶硅薄膜太阳能电池业，这是因为非晶硅薄膜太阳能电池业进入障 碍最小，大多数公司可以通过如 Applied Materials 和 Oerlikon 公司作为―交钥匙‖直接购 买生产设备。 大约有 53%的薄膜太阳能电池公司使用非晶硅薄膜技术， 预计到 2010 年， 非晶硅薄膜将占薄膜太阳能电池产量的一半，其产量在未来薄膜太阳能电池中更将使占 据主要份额。 同时，碲化镉(CdTe)薄膜电池，作为 2007 年产量最大的太阳能电池，在被非晶硅 薄膜取代其地位之前，在 2008 年继续保持其地位。目前业界排名第一的太阳能电池生第 31 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）产商 First Solar 就是采用该技术。虽然 first solar 还将继续保持其在太阳能电池产业的 重要位置，碲化镉将最终变成非主流的特殊太阳能电池技术由少数公司采用。据估计， first solar 将在 2010 年继续保持最大的太阳能电池厂商，届时其产能可达 1 000 MW。 预计， 夏普将紧随其后， 拥有非晶硅产能约 416 MW， United Solar 254 MW 非晶硅薄膜， Nanosolar 249MW CIGS，Miasolé MW，CIGS。估计 2008 年 144 家薄膜厂商中只有 178 8 家拥有超过 25 MW 的薄膜产能，2010 年这个数字将达到 30 家。第 32 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）六、 总结和展望α-Si 与 CdTe 薄膜光伏技术正在快速进入商业市场。 多家 CIGS 薄膜公司也将功率 模块推进市场。在美国，2006 年薄膜太阳能的市场分额约为 44%，2007 年超过 Si 基 太阳能市场的销量。若这些薄膜光伏公司计划进入市场，则几项关键的研究开发及技术 问题有待解决。根据薄膜光伏的全球产能规划，预计到 2010 年将超过 3 700 MW，而 FirstSolar 公司全球目标是 2009 年达到 450 MW，夏普公司在 2010 年达到 1 000 MW。 因扩大规模而降低成本的产能会大幅度降低薄膜光伏产品的制造价格，并有可能在不远 的将来使太阳能电力价格与电网相比更有优势。 从市场前景来看，薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站建设 等方面将比传统的晶体硅太阳能电池具有更加广阔的应用前景。薄膜太阳能电池简单的 制造工序以及能耗少的生产流程克服了光电转化效率相对较低以及寿命较短所带来的 成本挑战。 由于采用价格相对便宜的玻璃、不锈钢等作为衬底，加之相关的电子半导体及玻璃 行业已经发展成熟，这使得薄膜太阳能电池受上游原材料制约较少，使其可以非常好地 控制成本和价格。 从应用环境看，薄膜太阳能电池弱光性好的特点使其能在广泛的环境下发电，因其 适用各种强度的阳光，其性能受天气的影响较小，另外，由于它可承受较高的温度，其 发电功率不容易受温度影响。因此，薄膜太阳能电池的应用将十分广泛。 另外，由于薄膜太阳能电池具有便携、耐用、光电转换效率高等特点，可广泛应用 于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域；也由于使用塑料等质轻 柔软的材料为基板，薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。值得 一提的是， 清洁太阳能的广泛应用将同时带来下一代储能电池在千瓦级小单元储能以及 太阳能并网发电中储能调频的应用并获得广阔发展。薄膜硅太阳能电池经过多年的发 展，目前已经成为光伏产业的一个重要组成部分。对于光伏产品来说，进一步提高转换 效率和降低成本仍然是薄膜硅电池研究的主要方向，在未来的几年里，随着一些新技术 逐步成熟，薄膜硅电池将会有更大的突破。第 33 页 /共 36 页华中科技大学文华学院毕业设计（论文）参考文献[1]席珍强，陈君，杨德仁.太阳能电池发展现状及展望[J].新能源，):100-102. [2]钟迪生.硅薄膜太阳能电池研究的进展[J].应用光学，):34-40. [3]庄大明，张弓.铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展现状以及应用前景[J].真空，)：1-7. [4]孙强，许军，陈文浚等.基于AlInGaAsP材料的应变平衡量子阱太阳能电池[J].人工晶体学报， ):911-914. [5]陈振兴.高分子电池材料[M].北京:化学工业出版社,2006. [6]周清梅.聚合物固体薄膜太阳能电池的性能研究[D]. 广州：华南理工大学，2004. [7] 沐俊应，徐娟，粱氏秋水，朱宏伟，陈振兴. 有机薄膜太阳能电池的研究进展 [8] 钱敏“, 光伏走进薄膜时代？”半导体国际,12,2008 光伏专刊. [9] 徐慢，夏冬林，杨晟，赵修建，薄膜太阳能电池。武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室， 材料导报) [10] 电子工业专用设备出版社，薄膜太阳能电池前景，2009年9月（总第１68期）. 文章编号： 09)01-] Sharma G D, Sangodkar S G, Roy M S. Effect of rare-earth doping on the electrical and photoelectrical properties of furazano[3,4-b] piperazine (FP) thin-film devices[J].Synthetic Metals, -256. [12] Al-Mohamad A. Solar cells based on two organic layers [J].Energy Conversion and Management, 61–2665. [13] Sun S S. Optimum energy levels and offsets for organic donor/acceptor binary photovoltaic materials and solar cells[J]Materials Science and Engineering B, 1–256. [14] Osasa T, Yamamoto S, Iwasaki Y. Photocarrier generation in organic thin-film solar cells with an organic heterojunction [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 9–1526. [15] Ltaief A, Davenas J, Bouazizi A. Film morphology effects on the electrical and optical properties of bulk heterojunction organic solar cells based on MEH-PPV/C60 composite [J]. Materials Science and Engineering C, –75. [16] Ltaief A, Cha? bane R B, Bouazizi A. Photovoltaic properties of bulk heterojunction solar cells with improved spectral cover