硅基薄膜太阳电池新进展Solarl68 07-06-21出处:南开大学作者:耿新华张建军编辑:solarl68一.引言能源危机和环境污染的日趋严重极大地促进了光伏产业的迅速发展过去的5 年，在全 球硅材料紧缺、价格飙升的情况下，世界光伏市场继续以平均每年 40％的幅度增加2006 年实际产量达到2. 6GW，产能超过3GW,人大超过对2006年预测的20〜25%的增幅中 国2006年光伏电池地产量达到460MW，比2005年(140MW)增加280%，电池产能达到 1200MW光伏产业成为迄今为止最快增长的工业之一，商业预测到2010年全球市场容量 将增加到 400 亿欧元图1、2006年太阳能电池TOP10厂家2006年全球晶体硅电池的市场份额仍然占据 90%以上然而，晶体硅原材料继续保持较 高的价格，这为薄膜太阳电池的发展提供了机会，使薄膜电池迎来了有史以来空前未有的大 发展时期不仅许多新进入光伏领域的投资者选择薄膜光伏作为其发展方向，就连产量居世 界前十位的晶体硅电池生产公司中也有几家把自己的产品范围扩充到了薄膜技术领域(见图 1)2004年到2005 年,全球薄膜太阳电池出货量增加了 50%以上，从60MW增加到94MW。
目前正在兴建的薄膜电池厂家会使薄膜电池的产能在2008年前增加5倍之多预计到2010 年薄膜电池的产量将会扩展到1-2GW，这表明薄膜光伏的市场份额将上升到20%（见图2）, 而到 2020 年这一份额更会增加到 25％，达到 25GW图 2、晶硅和薄膜电池的未来发展趋势和晶体硅电池相比，薄膜电池的不足之处是产品效率较低，生产技术不够成熟，特别是 制造设备没有标准化但是，薄膜太阳电池具有很大的降低成本的潜力，其共有的低成本优 势省材、低功耗、便于大面积连续化生产在薄膜太阳电池中，硅基薄膜具有更独特的优势： ①原材料丰富，且无毒无污染；⑦能耗最低，制造温度约200摄氏度，可以使用大面积廉价 的玻璃作为衬底；①原材料消耗少，每瓦电池只消耗0.2克硅烷，相当于0.02欧元/Wp, 而每瓦晶硅电池要消耗8-12g晶体硅，相当于0.3欧元/Wp：④工艺简单，加工技术相对成 熟因此硅薄膜电池成为研究最多，发展最快，占有市场份额最大的薄膜电池图3所示为 到2010年a-Si、CIGS和CdTe三种薄膜电池市场发展预测预计到2010年，a-Si、CIGS、 CdTe三种电池将分别占有薄膜光伏市场的60%、20%和20%。
可见，硅基薄膜电池在中长 期发展阶段仍将占据薄膜光伏市场的主导地位本文将重点介绍硅基薄膜太阳电池的发展现 状及其未来发展趋势图 3 、 a-Si,CIGS,CdTe 薄膜光伏电池技术产能预测二．硅基薄膜太阳电池研发现状硅基薄膜太阳电池的第一代技术——非晶硅太阳电池的单条生产线规模已达到20-40MW(Kaneka 20MW, Uni-Solar 25MW, AM 40MW)，产品稳定效率达到 5 %-7 %国 际上硅薄膜太阳电池主要生产厂商及产量如表1所示，各个公司所采用的电池技术如表 2 所示．从表 1 看出, 2006 年全球硅薄膜电池产能总和已经达到 200MW, 2007 年预计达到 350MW.从表2看出，目前大部分硅薄膜电池厂商的产品还是以第一代非晶硅电池为主， 但是已有不少传统硅薄膜电池公司开始第二代非晶硅／微晶硅叠层电池技术产业化和设备 的研发(Canon, SANYO，SHARP，UNAXISsolar, UnitedSolar)，预计在不远的将来第二代 砖薄膜电池生产线就会登场表1国际硅薄膜电池厂商规模Thin-fitm proctucei1 ProduciBin capacity2001a^SiBa whirepon17J2Einerny Pbowvotti]ic& Ig2 A2.4Fr<* EtitOpt町i EiJcttfic Sysrem^店Hcriadomi SA33IfP Technologies Lidg3KjnckaS3Hrjtvy htd US tries和711SctJifcr31515Sinon^r Solar Cells Ltd.JgicimSoUr252.5Tianjin Jinneng Sfihr Cdl1.6Unrted Solar SiiwjudsiolifRespes rch ProducUoDB-S^ILC-SiLlsiled SolarPrartuctionRc^irchA-SI中国非晶硅电池新增产能50MW（津能8 MW,广东中山10 MW,福建泉州10 MW,宁 波慈溪5MW,北京世华10 MW,山东蓝星5 MW,山东东营2. 5MW）。
为了进一步提高效 率和稳定性，发展了硅基薄膜电池的第二代技术一一微晶硅薄膜电池．和非晶硅电池相比， 微晶硅具有两大优点，一是微晶硅具有类似于单晶硅的低光学带隙，因此可明显拓展长波光 谱响应，从而实现高的电流密度；二是具有很小的光致衰退效应，可明显提高电池稳定性 因此其受到广泛的重视和研究微晶硅电池的缺点在于它是间接带隙半导体，在短波段的光 吸收系数比非晶硅低，因此要实现高的短路电流密度需要超过 1um 的吸收层厚度为了实 现微晶硅电池的低成本制造，需要高速沉积技术有实用前景的高速沉积技术，有甚高频 (VHF)等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术，射频高压耗尽(RFHPD) — PECVD技术最 近，把甚高频与高压相结合，使微晶硅薄膜的沉积速率提高到20—30A/S微晶硅薄膜采采 用与非晶硅兼容的技术制备，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特 性，常用微晶硅怍底电池，形成非晶硅／微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率非晶硅 /微晶硅叠层太阳电池被国际上公认是实现高效、高稳定、低成本薄膜太阳电池的重要技术 途径通过诸多实验室的努力，微晶硅电池自 1994年被报道以来，转换效率得到明显的提 高。
目前，单结微晶硅电池的效率已超过 10％，非晶硅／微晶硅双结叠层电池的效率超过 14％，三结叠层电池的效率超过 15％，大面积组件效率-13％国际上研发微晶硅电池技术,并取得较好成果的单位有日本的产业技术综合研究所光伏研 发中心、Kenaka公司、三菱重工公司，德国Juelich的IPV、AppliedFilms公司，瑞士的IMT、 Oerlikon公司，美国的Uui-Solar、Applied Materials公司，中国的南开大学等南开大学从2001开始研究微晶硅电池，截止到2005年，小面积微晶硅单结电池效率已 达到 9.2％，双结叠层电池效率达到 11.8％，大面积双结叠层电池效率达到 9．7％采用甚 高频和高压相结合的技术，硅薄膜的沉积速率从传统的1-3A/S提高到20A/s以上在短短 五年内实验室技术已赶上国际先进水平为了大幅度降低光伏发电成本，目前对微晶硅电池的研发集中在两个方面，一是在提高 薄膜沉积速率的基础上，进一步提高效率和稳定性；二是开发大面积组件的产业化技术微 晶硅薄膜电池实现产业化的难点在于，如何实现高速沉积大面积薄膜的均匀性因为高的激 发频率下，电磁波的波长与电极面积相比拟，极板上电场的均匀性将大幅下降，导致等离子 体分布不均匀，而薄膜材料特性受等离子体影响非常大。
目前，国际上正在加紧研发高速沉 积大面积微晶硅薄膜电池的产业化尺寸PECVD设备及其工艺技术主要的PECVD技术有 分室连续沉积技术(Kenaka)，单室技术(Oerlikon), Cluster技术(三菱重工，AM)和 roll-to-roll 技术(Uni-Solar)预计日本Kenaka公司2007年6月将完成非晶砖/微晶硅电池生产线建设， AM(AF)和 Oerlikon公司将于2008年完成南开大学与国际同步也正在进行非晶硅/微晶硅 电池产业化关键技术开发,目前下在开发非晶硅/微晶硅电池产业化关键设备和工艺技术三．硅薄膜电池发展前景非晶硅／微晶硅叠层电池在提高效率的同时保持了非晶硅电池的低成本技术优势，使其 具有很强的竞争优势，国际上呈现出快速发展的趋势根据 2006年3月在日本召开的第二 届关于光伏未来发展方向的 Workshop 上公布的数据：日本 Kaneka 公司计划 2008 年要使非 晶硅和非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的产能达到70MW,三菱重工公司2007年a-Si电池达到 50MW，富士电机公司的a-Si电池2008年达到30MW欧洲Schott Solar公司2007年达到 30MW。
美国Uni-solar公司2010年的目标是300MW泰国2007年达到10 MW /年国内，天津津能公司2006年在原有年产5MW非晶硅薄膜太阳能电池组件生产能力的基 础上，再增加了一条5MW电池组件生产线，并在未来3年持续投入，至2010年具备年产 30兆瓦电池生产能力及20兆瓦组件封装能力山东威海蓝星泰瑞光电公司一期工程已建成 一条5MW非晶硅薄膜电池组件生产线和一条BIPV生产线二期工程将于2008年建成， 届时生产能力将扩大至25MW三期工程计划于2010年建成，扩大产能至100MW北京 世华公司于2005年夏季导入第一期太阳电池系统生产设备和量产，初期年产量为15兆峰瓦， 第二期年产量预计为45兆峰瓦，合计年产量60兆峰瓦深圳市创益公司规划从2006年到 2010年，分三期建成拥有年产100至150兆瓦太阳能薄膜电池生产能力的太阳能产业化基 地．福建将有更大的增幅，还有许多计划投资硅薄膜电池制造的公司硅薄膜太阳电池的市 场份额在未来几年中将产生突变式上升总体来说，硅基薄膜电池产业要想得到长足的发展还有许多工作要做最近1-2年内.非 晶／微晶硅叠层电池的初步量产可以使商业化硅薄膜电池效率达到 8.5%的水平．通过改进 工艺实现微晶硅薄膜的快速沉积，同时提高电池效率至 10％，那么就可以使电池组件的制 造成本降低近30%。
在此基础上，进一步扩充产能（从30MW到IOOMW），电池组件成本 能够降到非晶硅电池的 60％左右要实现这些目标，需要研究机。