多晶薄膜太阳电池发展

　　太阳能电池正在发生革命性地变化，近年来，业界已经充分掌握了以薄膜取代硅晶制造太阳能电池的技术。专家认为，未来5年内薄膜太阳能电池将大幅降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将得到广泛应用。

　　在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池仍然占据着85%以上的份额，但现在正受到来自薄膜太阳能电池技术的挑战。近几年，薄膜太阳能电池所占份额有所增加，特别是非晶硅太阳能电池与以铜铟镓硒、碲化镉为代表的化合物太阳能电池增加明显，这一方面是由于世界各国在薄膜太阳能电池方面持之以恒地研发投入，特别是在探索低成本、大面积化的薄膜太阳能电池方面颇见成效；另一方面是由于光伏市场规模的扩大，以高纯多晶硅为主要原材料的晶体硅太阳能电池，受高纯多晶硅产业技术和资金壁垒的限制，扩产计划受到制约；再者，晶体硅太阳能电池生产技术接近成熟，单位质量高纯多晶硅生产太阳能电池的数量潜力有限，加之提炼高纯多晶硅的耗能较大，就使得晶体硅太阳能电池组件的成本下降空间有限，这也在客观上为薄膜太阳能电池的迅速发展提供了契机。

　　薄膜太阳电池不仅价格低廉，还可以作为大型建筑的透明镶嵌板，安置在摩天大楼和房顶的阳面，比太阳能电池板更持久耐用，并且更美观。

　　综上所述，由于材料消耗少、成本低、性能稳定、光电转换效率可达到10%以上，薄膜太阳电池受到世界各国越来越多的关注。目前薄膜太阳能电池发展的速度已经远远超过多晶硅电池，很多业内专家认为薄膜太阳能电池取代多晶硅电池是必然趋势，世界上至少有40个国家正在开展对下一代低成本、高效率的薄膜太阳能电池实用化的研究开发。

　　薄膜太阳电池的体系包括硅基、铜铟镓硒（CuIn1-XGaXSe2，简写为CIGS）、碲化镉（CdTe）以及掺杂聚合物材料等（如表1所示），这3种薄膜太阳电池的光电转换效率有很大区别，其中多晶薄膜太阳电池CdTe和CIGS具有较大的优势，通过详细的成本计算（如表2所示），实现规模化生产时，这2种电池在成本方面也非常有竞争力（如表3所示）。

注：1是指玻璃衬底的CIGS薄膜太阳电池；2是指不锈钢衬底的CIGS薄膜太阳电池。

　　薄膜太阳电池组件完全适用于“并网光伏发电系统”、“离网光伏发电系统”和“光伏与建筑物集成”3大太阳电池市场，如图1所示。

图1  薄膜太阳电池组件的应用

　　为了更好地了解CIS和CdTe太阳电池和组件技术，首先来了解一下目前世界最高水平的太阳电池和组件，表4列出了CIGS薄膜太阳电池的最好结果，表5列出了世界上各太阳电池组织和公司性能最好的组件，其中很多测试数据由美国国家再生能源实验室（NREL）提供。

注：1.*代表美国可再生能源实验室(NREL)测试结果

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2.CIGSS=Cu(In,Ga)(Se,S)2。

 

一、技术基础

　　了解太阳电池的工作原理有利于商业化生产中组件性能的提高、成品率和工艺稳定性，得到高性能CIGS和CdTe薄膜太阳电池及组件的关键在于其制备研究，在一些科技报道中已公开论述了高性能太阳电池的制备过程甚至包括一些细节。但是这些对于商业化生产还是远远不够的，这可能是由于电池制备过程和电池性能的相关联系及其机理并不十分清楚。很多研究者正在研究制备过程和材料表征对电池性能的影响，很多报道关注CIGS和CdTe吸收层材料的微观和纳米结构表征，详细分析了PN结的形成等。

　　1.CIGS技术

　　CIGS薄膜太阳电池的典型结构为MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/玻璃，并以衬底支撑，通常以低廉的钠钙玻璃为衬底进行组件制作，另外，聚合物、金属箔、不锈钢等也可用作衬底。目前，CIGS薄膜太阳电池的世界最高记录由NREL保持，转换效率为19.9%（AM1.5）。当缓冲层以单一的ZnS（O,OH）或CdZnS（O,OH）替代传统的CdS缓冲层，则最高转换效率超过18%；吸收层厚度为1.1mm的CIGS薄膜太阳电池的转换效率为17.1%（全面积），这些数据都列于表4中。CIGS吸收层薄膜采用物理气相沉积法，缓冲层CdS或CdZnS(O,OH)采用化学浴法（CBD），ZnO薄膜采用化学气相沉积法或溅射法制备。

　　新的技术进展是采用真空沉积法制备缓冲层薄膜以替代传统的化学浴法。在吸收层制备中，除了传统的蒸发法外，又开发了另2条技术路线，其中之一是真空沉积法（如溅射法）制备Cu－In－Ga金属预制膜，而后用H2Se气体硒化制得CIGS薄膜；另一技术途径是以纳米“墨水”采用印刷的方法制备。然而之后的研究表明以印刷法制备的CIGS薄膜太阳电池器转换效率未能超过13％；另一缺点是湿法制备的CIGS吸收层需用氢化物腐蚀才能得到好的性能。德国的Sulfurcell公司采用该项湿法技术开始规模化生产并已有首批商业化产品。有些研究工作以CuGaSe2和CuInSe2为吸收层，其中佛罗里达太阳能中心以CuInSe2为吸收层，制得的太阳电池最高转换效率为11.99%（CIS世界记录）。研究表明，CIGS薄膜太阳电池的发展关键技术是将吸收层厚度降至1mm或更薄，这将减少稀有金属的用量，有助于降低成本、提高生产力；吸收层厚度可减薄至0.7mm，若继续减薄将影响太阳电池的开路电压、影响因子和短路电流，从而影响性能。

　　2.CdTe技术

　　CdTe薄膜太阳电池的典型结构为玻璃/SnO2/CdS/CdTe/电极，目前，CdTe薄膜太阳电池的世界最高记录由NREL保持，转换效率为16.5%。SnO2前电极被Cd2SnO4取代，同时采用半透明底电极，CdTe的最高光电转换效率为13.9%。NREL和第一太阳能公司（First Solar）所生产性能良好的CdTe薄膜太阳电池均是在高温（>500°C）下真空升华沉积制得，另外，其他技术如电镀法也曾被用于制备CdTe薄膜太阳电池。很多研究工作集中于CdTe薄膜的微观纳米结构、CdTe吸收层、CdS/CdTe界面的相互扩散（尤其是S往CdTe薄膜中的扩散）、CdCl2气体的加热方式、Cu的掺入等对薄膜太阳电池性能所产生的影响。其中有意思的是，CdTe的开路电压可以在不影响影响因子和短路电流的情况下得到提高，由850mV提高至900mV。在规模化生产中，2007年First Solar将其60cm×120cm的组件性能由50～55W提升至55～65W。

　　3.组件可靠性

　　目前广泛认为CIGS和CdTe比晶体硅或非晶硅对潮气更敏感，要求更好的组件封装。如果没有这些措施，CIGS和CdTe组件通过“湿—热”测试（暴露在85°C，85％相对湿度的环境下1000h）是很困难的。NREL的研究表明，在不同的天气条件下暴露在65～100°C下，光照对未封装太阳电池的性能将产生影响；而对于组件来说，太阳电池的连接也将对其长期性能产生影响。对于CdTe太阳电池而言，完整太阳电池制备（包括底电极）的详细过程对于得到高性能、高可靠的组件是非常必要的。在佛罗里达太阳能中心和德克萨斯州的A&M大学开展了一项真实环境测试，将薄膜光伏组件暴露在又热又潮湿的天气下，测试组件的长期性能，实验表明，当CIGS和CdTe组件具有良好封装时可通过“湿—热”测试。

二、薄膜光伏的商业化

　　在过去的几年，世界光伏市场以每年45％的增幅在快速发展，不断有新的公司进入市场，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市场化也取得了进展，并在很多领域广泛应用（包括屋顶计划和建筑物等）。2006年，整个世界范围内薄膜光伏的市场份额小于6％，然而在美国薄膜光伏的市场份额高达44％，这主要得益于位于奥尔良的First Solar和密歇根的United Solar，这2个公司在2006年取得长足进展。

　　世界上很多薄膜光伏公司从事a-Si、CIGS和CdTe的商业化发展，美国也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的进展和技术进步足以支持其往兆瓦级的生产转化。在美国有16家公司从事非晶硅和薄硅的商业化进程，很显然，其中的领跑者为密歇根的Uni-Solar，其在2006年产能为60MW，而2007年的产能达到120MW。美国薄膜光伏的快速发展得益于美国国家再生能源实验室（NREL）在多结太阳电池技术上的成就；Applied Material则可提供单结非晶硅和纳米硅叠层太阳电池“交钥匙”工程，迄今为止，已在包括中国、印度、德国、西班牙等世界各地装机超过200MW。目前美国有15家公司采用不同的吸收层沉积技术开展CIGS业务，机会和挑战在这儿并存；同时有8个公司从事CdTe薄膜光伏的市场化运作。

　　First Solar在薄膜光伏技术领域是世界上的佼佼者，已在奥尔良建立了产能90MW的CdTe薄膜太阳电池组件的生产线（如图2所示），最近打算在德国新建年产120MW的生产线；同时，将于2009年在马来西亚建立年产240MW的生产线；因此，First Solar在2009年的产能将达到450MW，成为世界上最大的太阳电池生产厂商。NREL早在1991年便首次授权给奥尔良的Solar Cells Inc.来发展CdTe薄膜太阳电池及其组件技术，并且从技术上支持Solar Cells Inc.和First Solar开展商业化生产。图3列出了First Solar的CdTe组件的生产成本，生产规模扩大后，成本从2004年的2.94美元/W（6MW）降至1.25美元/W（90MW）。预计在2012年生产规模再扩大、成品率和组件效率提高后成本可降至0.60美元/W。

注：图中 “Q4’06”是指2006年第4季度。

图3  First Solar的CdTe薄膜太阳电池产能、价格与时间的关系

　　目前世界上有5个公司致力于CIGS薄膜光伏的商业化生产，主要是德国的Wurth Solar、美国的Global Solar、日本本田、日本昭和壳牌和德国的Sulfurcell，其年产量介于5MW至27MW之间。同时有34家公司正在开发CIGS薄膜太阳电池生产技术，采用了约10种不同的吸收层沉积技术。在生产中，不论吸收层是采用共蒸发法还是两步法（如溅射后硒化），在所有技术路线中均采用溅射法制备Mo底电极以及溅射或化学气相沉积法制备ZnO薄膜。

三、亟待突破的关键技术

　　薄膜光伏技术取得新进展还需突破几个关键技术，在CIGS薄膜光伏技术中，以下是其降低成本、提高可靠性的6个关键技术和技术难点：

　　1.CIGS吸收层薄膜制备的设备标准化；

　　2.组件效率的提高；

　　3.柔性CIGS组件的防潮；

　　4.为获得高性能电池和组件所需的在衬底上有选择地沉积CIGS薄膜的技术路线；

　　5.1mm甚至更薄的吸收层薄膜；

　　6.CIGS吸收层的大面积成膜中组分符合化学计量及其薄膜的均匀性。

　　而在CdTe薄膜光伏技术中，5个关键技术难点为：

　　1.吸收层薄膜制备的设备标准化；

　　2.提高组件效率；

　　3.底电极的稳定性；

　　4.减薄吸收层的厚度至1mm或更薄；

　　5.大面积成膜的均匀性控制。

四、应用和生产能力

　　薄膜组件（包括非晶硅）首次可与晶体硅在市场上竞争，尽管薄膜光伏的转换效率低，但其成本低廉使得其大组件（超过20kW）的整体价格低。随着薄膜光伏技术的成熟，大容量薄膜光伏组件被成功安装和应用。First Solar继成功安装了6MW的CdTe薄膜光伏电站后，又和德国的Juwi Solar共同在德国的Saxony安装了40MW的CdTe薄膜光伏电站（如图4所示），预计将于2009年初完成，在这个项目完成后，其将成为世界上最大的光伏电站，该项目投资额高达1.3亿欧元，采用的光伏组件价格为3.25欧元/W，这是迄今为止世界上最廉价的光伏系统。图5所示为日本本田在建筑物上安装的CIGS薄膜太阳电池，组件功率为22kW。

图4  德国Saxony的40MW CdTe薄膜太阳电池电站（将于2009年初建成）

　　预计到2010年，世界上薄膜光伏的产能将超过3700MW，其中美国的产能为1127MW、日本为1312MW、欧洲为793MW以及亚洲其他国家的为472MW。

五、概要和展望

　　不论是非晶硅还是碲化镉薄膜太阳电池在商业市场中都取得了快速的发展，几个CIGS薄膜太阳电池公司也进入了商业化市场。报道显示，很多薄膜光伏企业计划进入市场，世界薄膜光伏生产能力在2010年将达到3700MW，其中2009年First Solar将年产450MW碲化镉薄膜太阳电池，2010年Sharp产能将达1000MW非晶硅薄膜太阳电池。在不久的将来，如此大规模的生产必将降低薄膜光伏组件的价格，使其在并网发电中具有竞争力。