薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀 與 分析

高敏苓，賈金平，宋文華,3，苑同鎖

（1.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海，200240；）

（2.中國耀華玻璃集團公司，河北省，秦皇島，066013；）

（3.天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津，300387）

光伏發(fā)電技術(shù)是未來能源體系的重要組成部分，高效率、高穩(wěn)定性、低成本是光伏電池發(fā)展的基本原則。21世紀初之前，太陽能電池主要以硅系太陽能電池為主，超過89%的光伏市場由硅系列太陽能電池所占領，硅基太陽能電池的研究和開發(fā)得到廣泛的重視。但自2003年以來，晶體硅太陽能電池的主要原料多晶硅價格已經(jīng)上漲了20多倍，從當初的20美元/公斤飛漲到470美元/公斤（2008年第一季度）。因此，業(yè)內(nèi)人士自然而然的將目光轉(zhuǎn)向硅原料消耗量只及晶體硅太陽能電池1%的非晶硅薄膜太陽能電池，從而非晶硅成為突破原料瓶頸的出路，太陽能電池薄膜化是降低成本的主要發(fā)展方向。

1 薄膜太陽能電池在國外的發(fā)展

1969年Chitick等人闡述了硅烷輝光放電方法制備的a-Si:H薄膜的半導體性質(zhì)。隨后，Spear和LeComber于1975年報道了a-Si:H薄膜的摻雜特性，獲得了n型和p型的薄膜材料，1976年美國RCA公司的Carlson和Wronski宣告了a-Si:H薄膜太陽電池的誕生。此后，薄膜太陽能電池成為太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向之一。隨著薄膜太陽能電池優(yōu)勢的凸現(xiàn)，非晶硅薄膜太陽能電池與化合物薄膜電池受到了業(yè)內(nèi)越來越廣泛的關注。現(xiàn)在，用非晶硅及其鍺或碳的合金作為本征吸收層，用非晶硅或者微晶硅作為摻雜的層或?qū)拥碾p結(jié)或三結(jié)等多結(jié)a-Si:H薄膜太陽能電池相繼研制成功。

美國的CHRONAR公司是非晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國家輸出了多條兆瓦級生產(chǎn)線，且他們還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗電站，最大的有100千瓦容量。美國Konarka也將在麻薩諸塞州建造有機薄膜太陽能電池廠，產(chǎn)能規(guī)模也是以1GWp布局，Konarka之前公布其有機薄膜太陽能電池耐久性測試，性能經(jīng)1年未受削減，且封裝材料是用市售廉價材料所制造柔性太陽能電池模塊，成本上號稱可與其它薄膜匹敵，預估產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率約3～7%。2008年7月，英特爾投資（Intel Capital）向半導體芯片和太陽能電池材料廠商美國Voltaix LLC投資1250萬美元。

據(jù)英國《衛(wèi)報》報道，硅谷的納米太陽能公司（Nanosolar）應用納米技術(shù)，研制出可“印”在鋁箔上的超薄太陽能電池。這種電池具有彈性好，重量輕、價格便宜的特點。歐盟光伏技術(shù)平臺發(fā)布的《太陽能技術(shù)戰(zhàn)略研究議程》對歐洲現(xiàn)有薄膜太陽能電池技術(shù)的發(fā)展作了整體規(guī)劃，涉及優(yōu)先發(fā)展領域、發(fā)展前景和需求等方面。

2 薄膜太陽能電池在國內(nèi)的發(fā)展

2.1 非晶硅薄膜太陽能電池的發(fā)展

非晶硅薄膜太陽能電池具有電池轉(zhuǎn)化率高、成本低等特性，因而具有較大的市場潛力。而其轉(zhuǎn)換效率由于光照時間加長而衰退，長期以來成為非晶硅太陽能電池應用的主要障礙。雖然如此，由于非晶硅是準直接帶隙材料，可見光吸收系數(shù)比單晶硅大得多，制造所需能源、材料較少、成本較低，且具有制造工藝簡單、易大量生產(chǎn)、可制成各種曲面形狀等特點，特別是近期發(fā)展起來的柔性襯底非晶硅太陽電池具有高重量比功率、輕便、柔韌性強等優(yōu)點，使其光伏建筑一體化、城市遙感用平流層氣球平臺、軍用微小衛(wèi)星等應用中極具優(yōu)勢。

目前，我國在天津已建成投產(chǎn)1條年產(chǎn)50MW柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池的示范生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線是國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大、也是唯一可制造雙結(jié)非晶硅太陽電池的生產(chǎn)線。2009年2月18日，福建鈞石能源有限公司投資的非晶硅薄膜太陽能電池項目總金額額為9.5億元人民幣，規(guī)劃建設6條生產(chǎn)線，年產(chǎn)非晶硅薄膜太陽能電池150MW，相當于一座30萬人口城市的一年用電量。2009年4月15日，國內(nèi)薄膜太陽能電池領軍企業(yè)強生光電昨天在滬宣布，第五代大面積非晶硅薄膜電池率先在該公司投入批量生產(chǎn)。

2.2 合金薄膜太陽能電池的發(fā)展

CIGS薄膜太陽能電池的研究起始于20世紀80年代初。如1986年長春應用化學研究所用噴涂法制備了CIGS薄膜，1990年內(nèi)蒙古大學采用雙源法，研制了CdS/CulnSe2薄膜太陽能電池，效率為8.5%。南開大學研制開發(fā)的電池光電轉(zhuǎn)換效率達14%，已接近世界先進水平。2007年開始進行5MW生產(chǎn)線的技術(shù)開發(fā)，將建設我國第一條銅錮硒薄膜太陽能電池中試線，使我國成為繼德、美、日之后的第4個開展這種電池中試開發(fā)的國家，并將形成具備自有知識產(chǎn)權(quán)的銅錮硒薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)一。

2.3 染料敏化納米晶太陽能電池（DSSC）

DSSC與傳統(tǒng)電池相比，具有高效率、低成本和制作工藝簡單的優(yōu)勢。據(jù)估算，DSSC的成本僅相當于硅電池板的1/5～1/10。但是在染料的選擇和固態(tài)空穴傳輸材料等方面存在很多問題，目前實際能利用的染料敏化納米晶太陽能電池的有效光電轉(zhuǎn)換效率還很低，穩(wěn)定性

也有待進一步的提高。到目前為止，最成功的和最具有代表性的染料敏化TiO2太陽能電池是Gr?tzel電池。

我國目前在染料敏化納米晶太陽能電池的研究也取得了不少階段性的成果。2004年10月，中國科學院等離子體物理研究所承擔的大面積染料敏化納米薄膜太陽電池研究項目取得了重大突破性進展，建成了500W規(guī)模的小型示范電站，光電轉(zhuǎn)換效率達到5%。2005年，中國科學院物理研究所孟慶波研究員和陳立泉院士等合作，研制的固態(tài)復合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽能電池效率達到了5.48%。

3 中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)存在問題

太陽能發(fā)電的產(chǎn)業(yè)鏈條包括上游的多晶硅生產(chǎn)，中游的硅片切割和太陽能電池片生產(chǎn)，下游是太陽能電池組件生產(chǎn)。隨著業(yè)內(nèi)廠商對上游利潤的逐漸攤薄預期，將會有越來越多的企業(yè)將目光投向中下游。上游廠商和風險投資將會加大硅片切割、太陽能電池片生產(chǎn)的資本投入，產(chǎn)業(yè)一體化的趨勢有所加強。

另外，我國太陽能電池組件廠的平均規(guī)模都比較小，太陽能電池的成本和售價均高于國外同類產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)基礎比較薄弱。

[1]車孝軒著.太陽能光伏系統(tǒng)概論.武漢：武漢大學出版社，2006.10.

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[3]SpearW.E.and LeComber P.G.Substitutional doping amorphous silicon.Solid State Commum.1975,17(1193).

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[5]Guha S.,Yang J.and Banerjee A.Amorphous silicon alloy photovoltaic research present and future.Prog.Photovolatics.2000,8(1)：141-150.

[6]黃可，黃健，馬廷燦.歐洲薄膜太陽能電池技術(shù)研究與發(fā)展規(guī)劃.新材料產(chǎn)業(yè)，2008，2：21-26.

[7]劉玉萍,陳楓,郭愛波.薄膜太陽能電池的發(fā)展動態(tài),節(jié)能環(huán)保,2006,11：21-23.

[8]B.O'Regan,M.Gr?tzel.A low-cost,highefficiency solar-cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.Nature,1991,353:737-740.

[9]邱先磊，2008年中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)回顧與展望.