薄膜太阳能电池的研究现状与发展趋势

摘要：倡导绿色环保，清洁高效能源是当今时代的主题，越来越受到各国的广泛关注。本文概述了包括非晶硅、多晶硅、CIGS、有机在内的薄膜太阳能电池的发展状况。通过比较这几种薄膜太阳能电池各自的特点，指出有待解决的问题，展望薄膜太阳能电池的发展趋势和研究前景。

　　关键词：薄膜太阳能电池；非晶硅；多晶硅；铜铟镓锡

　　1.引言

　　太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、水能等都来源于太阳能。太阳能电池是是一种通过光伏效应将太阳能转变为电能的一种装置，是利用太阳能的一种重要形式。

　　目前，人们根据所选用的半导体材料将太阳能电池应用技术分为晶硅和薄膜两大类。晶硅太阳能电池在现阶段的大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其成本过高，限制了其发展。相比晶硅等其它太阳能电池，薄膜太阳能电池具有生产成本低、原材料消耗少、弱光性能优良等优势。随着世界能源紧缺，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，而且无污染，还可以实现光伏建筑一体化，易于大面积推广。

　　2.非晶硅薄膜太阳能电池

　　非晶硅薄膜太阳能电池转换效率较低，实验室转换效率只有13％，但工艺成熟、成本较晶硅低廉、制备方便，适于大规模生产。

　　非晶硅薄膜太阳能电池通常为叠层结构，玻璃基板上沉积了透明导电膜(transparentconductiveoxide，TCO)层、非晶硅层(a—Si层)和背电极层(Al／ZnO层)3层薄膜，其中非晶硅层通过磁控溅射法沉积。

　　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。

　　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)由于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；(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O2、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。

　　3.多晶硅薄膜太阳能电池

　　poly-Si薄膜电池既具有晶体硅电池的高效、稳定、无毒、材料资源丰富，又具有薄膜电池的材料省、成本低的优点，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，同时材料制备工艺相对简单，poly-Si薄膜电池技术有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。

　　限制太阳能电池转换效率的因素很多，提高吸光率和减少载流子复合是提高转换效率最重要的2种方法。

　　众所周知，吸光率越大，电池转换效率越高，短路电流密度．，筻也越大。si对可见光的光学吸收长度约为150um。由此可见，传统单晶与非晶硅太阳能电池的厚度为200um左右，有利于充分吸收太阳光能量。按照国际认定的标准，新一代薄膜太阳能电池的厚度应在50um以下。这意味着必须使较长波段的光在薄膜的上下表面间来回反射，以增加其光程，达到提高吸光率的目的。要使吸光率A(λ)在宽谱带范围内达到高值，可以采取以下2种方法。

　　第一种方法是使薄膜电池上表面反射系数Rf接近于0。为此，通常采用由ZnS、MgF、TiO2和Si构成的单层或多层减反膜。第二种方法是使薄膜电池背面的反射系数Rb接近理想的100％，通常用在基片上蒸镀金属膜作为反射层的方法增加电池背面的反射系数。

　　无论体晶硅还是薄膜硅太阳能电池，其内部的载流子复合都是不可避免的。在si薄膜太阳能电池中，大量的载流子复合发生在杂质中心、表面、界面和晶界处L2J在多晶硅薄膜和微晶硅薄膜中，晶界处会有晶界复合。为了减少这些复合。应尽可能减少薄膜中不需要的杂质，增大多晶硅和微晶硅薄膜中的晶粒尺寸等。4.CIGS薄膜太阳能电池

　　铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池的首选,并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池。所谓第三代太阳能电池就是高效/低成本/可大规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池。

       CIGS具有非常优良的抗干扰、耐辐射能力，因而没有光辐射引致性能衰退效应，使用寿命长。CIGS是直接带隙的半导体材料，因此电池中所需的CIGS薄膜厚度很小(一般在2um左右)。它的吸收系数非常高达10-5cm-1，同时还具有很好的非常大范围的太阳光谱的响应特性。通过调节Ga/(In+Ga)可以改变CIGS的带隙，调节范围为1.04eV~1.72eV。CIGS系电池可以很方便地做成多结系统，在四个结的情况下，从光线入射方向按禁带宽度由大到小顺序排列，太阳能电池的理论转换效率极限可以超过50%。

　　CIGS薄膜在高于500℃的温度下沉积在涂有Mo的玻璃衬底上，并且与通过化学沉积形成的CdS层，组成CdS／CIGS异质结太阳能电池。以掺镓的CIS(CIGS)和以CdS为缓冲层制成的太阳能电池效率已高达21．5％。

　　目前大多数CIGS电池组件都含有CdS缓冲层，但使用CdS缓冲层也存在一些缺点。从恢复短波光生电流的观点来看，应该使用禁带宽度更宽的缓冲层，从环境的观点来看，镉的毒性将对环境产生负面影响。因此近年来研究使用的缓冲层材料有ZnS、In2S3、ZnSe、ZnO、SnO2、ZnIn2Se等，以取代CdS作为缓冲层，实现制备绿色无镉高效CIGS薄膜太阳电池，同时为了节约原材料和能源，还应该考虑尽可能地减小薄膜厚度。

　　5.有机薄膜太阳能电池

　　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。目前认为有机薄膜太阳能电池的作用过程分为3个步骤：光激发产生激子、激子在给体／受体(D／A)界面的分裂、电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。有机薄膜太阳能电池具有材料潜在的低价格、加工容易、可大面积成膜、分子及薄膜性质可设计性、质轻、柔性等显著优点，但目前有机薄膜太阳能电池光电转换效率很低、稳定性差，只有将光电转换效率提高到5％以上才可能大规模应用。

　　结束语

　　综上所述，薄膜太阳能电池因为低成本、低材料消耗、不断提高的转换效率，在未来光伏电池技术发展中占有越来越重要的位置，很多研究人员都在致力于薄膜太阳能的研究和开发。不同类型的薄膜太阳能电池具备各自的优缺点。a-Si薄膜太阳能电池成本较单晶Si太阳能电池低，但由于存在光致衰退效应，目前很难发展为具有稳定高效率的太阳能电池。而poly-Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和a-Si的优点，制备工艺相对简单，适合产业化大面积生产。CIGS薄膜太阳能电池效率较高，性能优越，建议科研工作者给予更多的关注。有机薄膜太阳能电池对于实现低能耗、低成本、无污染具有重要的意义，但转换效率低、长期稳定性差，想实现商用需要较长的研究过程。可以设想在不久的将来，随着科研工作的不断深入，薄膜太阳能电池目前面临的问题将逐一得到解决，性能将不断得到改善和提高，从而满足未来消费者对于能源的迫切需求。

在清洁能源与节能环保产业盛行的今天，太阳能光伏发电逐渐成为许多国家发展策略中的关键部分。在太阳能光伏发电这一技术发展的过程中，太阳能电池是其中最为关键的元件。在目前，太阳能光伏电池主要分晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两条主线。晶硅太阳能电池发展比较成熟，我国大多数企业都是集中在这一领域进行生产，市场上销售的太阳能光伏电池也大多是晶硅电池。薄膜太阳能电池具有能耗低、无污染、柔性可弯曲等优势，但是制造的成本较高，电池效率也比较低，因此尚未被市场所普遍接受。然而随着欧盟和美国对于薄膜太阳能电池的研究，逐渐解决了成本高、价格贵、电池效率低等问题，其独特的优势使其具有广阔的发展空间。

薄膜太阳能电池发展潜力巨大

尚普咨询能源行业分析师认为，薄膜太阳能电池具有柔性、轻质、美观等特点，在未来其需求有超过晶硅电池的趋势。随着薄膜太阳能电池关键技术问题被逐渐攻破，薄膜电池在市场上会越来越受欢迎，太阳能电池的产品格局可能就此变化。

近年来，美国和欧盟都十分重视薄膜太阳能电池的研究和发展。在2012年，欧盟宣布将在2015年之前为薄膜太阳能电池项目“纳米级”提供1000万欧元科研经费的预算，将有13个欧洲研究小组共同参加硫族化合物太阳能电池技术的开发，课题任务是显著降低生产成本及通过纳米结构材料提升薄膜模块的转换效率。而据介绍。美国科学家已经解决了成本问题，用价格低廉的铜锌锡硫材料同乙二醇结合，制造出成本低廉且不含有毒化合物的铜锌锡硫薄膜太阳能电池。可见，薄膜太阳能电池已经逐渐具备了同晶硅电池竞争的能力。

业内人士分析称，薄膜太阳能电池在一些不适用晶硅电池的领域，发挥了极大的作用。比如，薄膜电池具有柔性的特点，可以运用在帐篷、甚至衣服上面。而其高效率的特点，有可以使得薄膜电池可以应用于飞机、飞艇、太阳能电池汽车等领域。因此，当薄膜太阳能电池逐渐解决了技术问题后，未来的发展潜力巨大。此外，有专家指出，之前欧盟同我国在光伏方面的贸易争端，实际上是为了打击晶硅电池，支持薄膜电池，因为目前我国大部分企业生产的是晶硅电池。

尚普咨询在《2013-2017年中国薄膜太阳能电池市场调查报告》中指出，薄膜太阳能电池发展壮大的趋势不可阻挡，我国企业应当根据市场需要积极调整生产，同时加大对于薄膜电池技术研究的投入力度，掌握核心技术，从而增强整个行业的竞争力。

截止2012年底，全球光伏累计装机容量已达96.7GW(1GW=100万千瓦)，仅用了5年就增长了10倍以上。其中，2012年全球新增光伏装机容量为30.3GW。

产量方面，传统的晶体硅光伏组件还是占据绝对多数，2012年产量为35.3GW，薄膜光伏组件的2012年产量为3.3GW。但是，薄膜光伏在建筑应用领域具有独特优势，随着各国对地面光伏电站补贴的的陆续减少和建筑应用市场份额的增大(2012年建筑应用市场的占比已达52%，超过地面光伏电站的装机容量)，薄膜光伏的市场份额将逐年提升。

2012年，汉能光伏年产能达3GW，用于发电相当于每年新增发电量40亿度，能够满足一个1千万人口城市一年的居民用电。目前汉能已掌握非晶硅-锗、非晶硅-纳米硅、铜铟镓硒(CIGS)等7条领先全球的产品技术路线。