硅基薄膜太阳电池的发展与未来

作者：南开大学 耿新华 王宗畔 赵颖

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 摘要本文首先介绍了硅基薄膜太阳电池在光伏发电技术中的重姜地位；然后叙述了硅基薄膜电池初期的快速发展，前进中遇到的困难，国际范困的攻坚及技术上的突破；最后预言了硅基薄膜电池的发展趋势和应用前景，并提出了我国发展硅基薄膜电池的策略与建议。 一、硅基薄膜太阳电池在光伏中的地位 随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源成为国际范围内的重大战略问题之一。太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，开发利用太阳能成为世界各国可持续发展能源的战略决策。阳光发电是大规模经济地利用太阳能的重要手段。因此，对大阳电池的研究受到世界各国的普遍重视。无论是发达国家，还是发展中国家均制定了中长期发展计划，把光伏发电作为人类未来能源的希望。 目前，光伏发电在航天、通讯及微功耗电子产品领域已成功地占据了不可替代的位置。但做为社会整体能源结构的组成部分，其所占比例尚不足1%.造成这种状况的主要原因是灯日电池的成本较高。要使光伏发电真正成为能源体系的组成部分，必须要大幅度地降低成扒薄膜太阳电池在降低成本方面具有很大的优势，其中，硅基薄膜电池的优势更大，因为：①硅材料储量丰富（硅是地球上储量第二大元素），而且无毒、无污染，是人们研究最多，技术最成熟的材料，②耗材少、制造成本低。硅基薄膜电池的厚度小于1μm 几不足晶体硅电池厚度的1/100，这便大大降低了材料成本；硅基薄膜电池采用低温工艺技术（200℃），这不仅可节能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉价衬底；另外，硅基薄膜采用气体的辉光效电分解沉积而成，通过改变反应气体组分可方便地生长各种硅基薄。膜材料，实现pin和各种叠层结构的电池，节省了许多工序。③便于实现大面积、全自动化连续生产。 由于“基薄膜大”电池在降低成本方面具有独特的优势，使其自1976年一诞生，立即在全世界范国内掀起对硅基薄膜太阳电池的研究热潮。至今二十几年来在研究水平和开发应用方面均取得了长足的进步，使其在先伏领域占据了不可替代的重要位置。 二、硅基薄膜太阳电池的崛起 由于硅基薄膜太阳电池在降低成本方面的巨大潜力，所以，引起了研究单位、企业界及各国政府的普遍重视，从而促进了硅基薄膜太阳电池突飞猛进的发展，当前的硅基薄膜大阳电池是非晶硅电池，在初期阶段的技术进步主要表现在：①用a-SiC或μC-SiC代替a-Si做窗口层，以改善电池的短波光谱响应。②采用梯度界面层，以改善异质结界面的输运特性。③采用UC一S1做n层，己减少串联电阻。④用绒面Sii0，代替平面IT0，并采用多层背反射电极，以减少先的反射和透射损失，提高短路电流。⑤采用激光切割技术，实现了电池的集成化。⑥采用叠层电池结构，以扩展电池的光谱响应范围，提高转换效率。⑦采用分室连续沉积技术，以消除反应气体的交叉污染，提高电池的性能和重复性等等。所有这些新技术合，采用，使硅基薄膜电池的效率从2％提高到13．7%。 硅基薄膜电池发展迅速的另一个标志是产业化进程短。虽然第一个非晶硅太阳电池1976年才被研制出来，但1980年就实现了商品化．如日本三洋电气公司1980年利用硅基薄膜太阳电池率先制成计算器，随后便实现了工业化生产，并把产品打入世界市场。由于非晶硅材料优越的短波响应特性，使其在计算器、手表等荧光下工作的微功耗电子产品中占据很大优势，不仅在80年代的10年中取得了数十忆美元的利润，而且至今仍然具有很大的消费市场。 随着硅基薄膜电池效率的不断提高，其应用的领域也不断扩大，从计算器手表等弱光下应用扩大到各种消费品及功率应用领域。如太阳能收音机、太阳帽、庭院灯、微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伙水泵及户用独立电源等。随着硅基薄膜太阳电池应用领域的不断扩大，其产量亦迅速增加，世界上出现了若干MW级的生产线和许多生产硅基薄膜太阳电池的企业。到80年代中期，硅基薄膜太阳电池的年销售量已超过世界光伏总销量的U3， 形成硅基薄膜、多晶硅、单晶硅三足鼎立的局面。 三、发展中的障碍与技术的进步 ： 尽管硅基薄膜太阳电池具有如上许多优点，然而在发展进程中也显示出一些明显的缺点。主要的缺点是电池效率的光致衰退效应，这一效应成为硅基薄电池进一步发展应用的主要障碍。另外由于初期产品的效率较低（4-5%）再加上30%以上的衰退率，使硅基薄膜电池低成本的优势被较低的效率所抵消。所有这些造成硅基薄膜电池的产量从80的代末至90年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段。针对上述问题，自90年代起国际上提出要提高硅基薄膜电池稳定效率的口号，并成立了由研究机构和大公司组成的专门研究队伍。 研究表明，硅基薄膜电池效率光致衰退的主要原因是本征非晶硅的S-W效应。因此，如何制备高稳定性的本征硅基薄膜材料成为研究的重点。为了克服材料的S-W效应，人们从理论上、工艺上和沉积方法上开展了全面的研究。为了揭示S-W效应的起因，在理论上人们提出有关S-W效应机制的各种微观模型：如Si-Si弱键模型；电荷转移模型；再杂化双位模型；Si-H弱键模型以及桥键模型等。尽管目前国际学术界对S-W效应起因的解释还不一致，但在大多数模型中都提到H在光诱导变化中可能起重要作用。为了减少材料中的H含量，在制备方法方面分别采用了电子回旋共振化学气相沉积（ECR一CvD）、氢根化学气相沉积（HR-CVD）、热丝（HW）法沉积和二极管系统等。在制备工艺方面采用了用H等离子体化学退火法、H2释法、He一稀释法以及掺入氟等隋性气体法等。均取得了一定效果。比如，用常规Mcvn技术制备的a一si：H膜中含有约10％的M，而用化学退火法制备的a一Si：H膜的合H量小于9％，用热丝法制备的a一Si：H膜的含H量只有1一2％。 在上述这些技术中，最成熟的技术是在沉积膜的过程中用H2稀释反应气体法。由于这种方法，工艺简单易行，并具有明显的效果，因此是当前普遍采用的技术。研究表明，用H2稀释法制备1层的电池，效率的衰退率可从25％以上降至20％以下。 除了通过克服非晶硅基材料的S-W效应改善电池的稳定性外，人们还从电池结构上采取措施，并取得了明显的效果。其中最主要的措施就是采用了多带隙叠层电池结构。因为采用叠层结构后可减薄每个子电池1层的厚度，结果使每个子电池的内电场增强，增加了各子电池的收集效率。再加上多带隙结构可扩展光谱响应范围，综合如上两方面的优势，使电池的稳定效率得到提高。如表1所示。 经过近10年来的深入研究，在提高硅基薄膜电池的稳定效率方面取得很大的进步与突破。目前硅基薄膜电池效率的光致衰退率降互150A以下，小面积电池的稳定效率已达到13% 大面积电池的稳定效率超过10％，产品组件稳定效率达71％。技术上的进步与突破带来了硅基薄膜太阳电池更大规模产业化的新高潮，在90年代中期，国际上先后建立了数条5Mwl0MW的高水平电池组件生产线，使硅基薄膜太阳电池的生产能力增加了25MW。生产流程实现全自动化，组件面积为平方米量级，采用新型封装技术，产品组件寿命达到10年以上。预计到2000年，硅基薄膜电池的生产能力将扩展到45MW，与单晶硅、多晶硅生产能力增加量（分别为46MW和57Mw）才相当。 四、硅基薄膜太阳电池的发展行趋势 现有的硅基薄膜电池一非晶硅电池效率的光致不稳定性是由非晶硅材料微结构的亚稳态属性决定的，因此S-w效应是不易完全消除的，为了获得高效率、高稳定性的硅基薄膜大阳 电池，近年来叉出现了微晶硅（μc-Si）、多晶硅（po1y-Si）薄膜电池。实验证明，用μc-Si 和p01y-Si薄膜代替a-Si作电池的有源层制备的电池，在长期光照下没有任何衰退现象。因此，发展晶化的硅基薄膜太阳电池是实现高稳定、高效、低成本最有前途的方法，因而成为国际同行研究的热点。目前研究的焦点是如何利用低成本工艺技术，获得大面积优质的晶化硅薄膜材料，以及新型硅基薄膜电池结构的优化设计。 当前，制备晶化硅薄膜材料的技术很多，但基本上可分成两大类。一类是高温生长技术，如快速热CyD技术、等离子喷涂技术等。另一类是低温晶化技术，如PECVD、 HW一CVD直接生长和a-Si膜固相晶化技术，其中包括炉热退大、快速光热退火和金属诱导选择晶化等。总的来说，高温技术晶化的材料具有较大的晶粒尺寸，用这种材料制备的电池效率在10％以上。高温晶化技术的缺点是能耗高、工艺复杂、衬底材料成本高。而低温晶化技术制备的晶化材料的晶粒尺寸较小，但用该材料制备的电池效率也达到9．2人低温晶化技术最大的优点是便于采用玻璃等廉价衬底，且工艺能耗较小。将来那种技术路线占优势，要看其性能价格比。μC一Si材料可以用pECvD技术，通过加大氢稀释率和微量掺硼获得，具有与a一Si相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点，因而受到普遍重视。目前，用μC一Si材料制备的太阳电池已达到8．5们勺效率，制备μC一Si材料中存在的问题是其生长速率较低（<1A)不利于降低制造成本。当前提高μc一Si 长速率的方法主要是增加等离子体的激发频率，如用超高频技术（vIIF）可使μC一Si生长速率增加到10A/s．并可获得效率7．2%的 μCli电池。在高沉积速率下如何提高pc一8i材料的光电特性是有待解决的问题。 尽管在微晶、多晶硅薄膜技术中还存在许多问题，但是其在未来的高稳定效率、低成本、长寿命薄膜光伏技术中具有很大的潜力，特别是用微晶、多晶硅薄膜做为窄带隙材料与非晶硅组成叠层电池结构，可更充分地利用太阳光谱。因为μc一Si和p01y一Si比a一SIGe具有更窄的光学带隙（1.12ev），用a一Si／μc一Si和a一Si／po1y一Si叠层结构代替a一Si／a-sIGe/a一SiGe三结叠层结构，可将电池光谱响应长波限从目前的0．9pm扩展到1．1pm，如 此可把太阳能的利用率提高10％以上，加之po1y一Si和μc一S1比a一SIGe具有更好的稳定性将使电池的稳定效率有更大的提高，目前a-Si/Uc叠层太阳电池的稳定效率已达到12％，a一Si／poly一Si叠层太阳电池的稳定效率为11.5%。大面积优质多晶（微晶）硅薄膜的获得及与非晶硅电池的最佳匹配，将使硅基薄膜太阳电池性能产生突破性进展。 五、硅基薄膜太阳电池的应用前景 随着太阳电池效率的不断提高，生产规模的不断扩大以及成本的大幅度下降，国际上时太阳电池的利用已由分散的消费品电源向户用电源一独立大型电源一并网发电的趋势发展。目前世界上已经建成了10多座W级的太阳能光伏发电系统。特别是进入90年代以来，太阳能光代发电技术成为全球减排温空气体的重要技术手段。不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划，如美国总统宣布的百万光伏屋顶计划，安装规模达1000W一3000W．日本、欧洲也都有类似的计划。预计到下世纪中叶，光伏发电将达到世界总发电量的20％，成为人类的基础能源之一。 在光伏应用中，硅基薄膜太阳电池有许多特殊的优点，比如：①硅基薄膜电池可在任何形状的衬底上制作，可直接做成屋瓦式太阳电池。这种太阳能屋顶，可极大地节省安装空间，减少系统成本。特别是柔性衬底的硅基薄膜电池，轻而柔软，容易安装，在建筑集成市场中具有很大的竞争力。②可以做成透射部分可见光的硅基薄膜太阳电池，称为Seethr0ugh型电池，这样的电池可做为小汽车的太阳顶及房屋的窗玻璃。③可在很薄的不妨钢（50Um 和塑料衬底上制备超轻量级的硅基薄膜太阳电池。这种电池具有很高的电功率／重量比（300W／kg），对于城市遥感用平流层气球平台和军用无人驾驶寻航飞机的能源系统具有特殊的应用价值。④硅基薄膜太阳电池子组件可做成集成型，具有高的输出电压，便于组装和联接。⑤由于a一S1材料的先带隙比c一S1和Doly一Si宽，因此a一Si太阳电池的功率输出不明显依赖子温度。 由于硅基薄膜太阳电池的上述优点，再如上硅基薄膜电池在降低成本方面的巨大潜力，使其在光伏应用中占有不可轻视的地位。目前功率型应用主要集中在三个方面：传统的商业化应用市场，如通信、交通信号和管网保护等；边远地区的供电系统和并网的光伏发电系统。仅从目前各国公布的已实施和正在实施的光伏应用计划，就提供了十几GW的市场机会，可够目前全世界各种光伏电池厂生产100年。 随着国际社会对气候变化问题的日益重视，包括太阳能在内的可再生能源技术的发展将会起到越来越重要的作用。谁首先在这个领域里加强投入，谁就会在今后10年中占领这一市场，从而获得巨大的市场利润。 六、加快产业化步伐迎接国际挑战 我国自70年代未开始研究硅基薄膜太阳电池。到80年代未，小面积电池效率达到11．2％，大面积电池效率超过8％，均达到国际同期先进水平。然而在高新技术产业化进程方面远远落后子国外，至今没有一条具有我国知识产权的硅基薄膜电池生产厂，引进的2条MW级的生产线是美国Chronar公司80 年代初的技术装备起来的设备，无论是从电池产品的数量，还是从质量上均不能与国际大企业财团竞争。目前世界上太阳 ：“光伏发电制造业基本被国际超级财团所垄断，如目前硅基薄膜电池的生产厂，以及1997年至2000年扩产的商家主要是美国的联合太阳公司，Solarex公司及日本的三洋、Sharp等公司。国际社会已把我国的光伏市场当作其市场开发的潜在地区之一，不少公司已在我国进行具有商业化目的的示范工程和合作项目。为此，我们必须加快产业化步伐，保护和占领我国自已的光伏市场。 硅基薄膜太阳电池产业属世界新能源高新技术领域，没有国家的大力支持是不可能发展、壮大的。因此我们建议在第十个五年计划中： 确定优先发展低成本、硅基薄膜太阳电池的基本方向； 重点扶植基础较好的研究单位进行攻关； 在硅基薄膜太阳电池产业化过程中，政府给与资金投入，并提供无息贷款； 在太阳电池的销售环节中，政府对用户进行政策性补贴，以推动新能源的利用，并保护企业界生产新能源的积极性。 南开大学在硅基薄膜太阳电池的开发研究方面已有二十多年的知识积累，研究水平据国内领先、国际先进平，并具备协助实业界实现硅基薄膜太阳电池产业化的能力。现在，正与天津计委、新能源投资公司等单位合作，实施硅基薄膜电池的产业化工作。为加快产业化步伐，我们拟：①引进国外关键设备，利用国内科技成果，建立90年代国际先进水平的硅基薄膜电池生产线。②加强产品的二次开发，不断拓宽应用领域，以有利于企业开拓市场，并带动相关企业的发展。 硅基薄膜太阳电池产业属高新技术产业，其发展和壮大需要坚持不懈的努力和政府强有力的政策支持。希望国家制定更加有效的措施和规划，在政策导向、财政、税收等方面给予高新技术产业更大的支持与保护，以促进我国硅基薄膜电池产业的发展与技术进步，迎接国际的挑战。(end)

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