薄膜技术日趋成熟 非晶硅电池主导市场

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薄膜技术日趋成熟 非晶硅电池主导市场
南开大学教授 耿新华
薄膜电池技术具有提供最低的每瓦组件成本的优势，将有望成为第一个达到电网等价点的太
阳能技术。由于原材料短缺，在单晶硅和多晶硅太阳能电池的发展速度受到限制的情况下，新型
) s( c6 L1 q0 D0 `; W薄膜太阳能电池发展尤为迅速。有资料显示，美国薄膜电池的产量已经超过了多晶硅和单晶硅电
池的产量。薄膜技术会越来越成熟，在未来的市场份额中将大比例提升。据行业分析公司
, @5 F& R4 c/ e1 KNanoMarkets 预测，薄膜太阳能电池2015 年的发电量将达到26GW，销售额将超过200 亿美元，
* Z# ^0 \4 B# E* E) ]- C太阳能电池发电量的一半以上将来自薄膜太阳能电池。预计在未来薄膜电池市场中非晶硅(a-Si)、
/ x/ K9 k; ]6 X0 U" R碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)三种电池将分别占到薄膜光伏市场的60%、20%和20%。
非晶硅/微晶硅电池是产业化方向 沉积设备至关重要
在薄膜太阳能电池中，硅基薄膜电池发展最迅速，其中已实现大规模产业化的是非晶硅电池。
提高电池转换效率和降低成本是当前非晶硅电池技术升级的主要任务。
. k! z6 v% k( u在薄膜太阳能电池中，硅基薄膜电池由于原材料丰富，且无毒、无污染，因而研发最广泛，
发展最迅速。目前，已实现大规模产业化的硅基薄膜电池是非晶硅电池。在过去的几年里，随着
世界范围内太阳能电池市场蓬勃发展，许多传统的单晶硅和多晶硅太阳能电池企业开始开发硅基
- A! w& ~: l: E# g6 L1 J  a4 I' e, f8 @薄膜电池。其中有日本的夏普、三洋，德国的Q-Cells 和中国的尚德等。与此同时，新兴硅基薄
: i0 `+ Y( c* y: C) m; l膜太阳能企业也迅速增多，特别是在中国和印度等发展中国家。我国非晶硅电池原只有哈尔滨克
  w% N% w9 f. y9 j: N7 G. t罗拉、深圳宇康1MW 单结a-Si 电池生产线，现增加福建钧石能源、天津津能、蚌埠普乐等已建
, j, c0 |! L# n# a和在建的20 多家非晶硅电池生产企业，规模从几兆达到数十兆瓦。
. L" H8 f6 P. t! c( h% L+ n( f1 Z& P非晶硅/微晶硅电池是方向
提高电池效率最有效的途径是尽量提高电池的光吸收效率。对硅基薄膜而言，采用窄带隙材
料是必然途径。如Uni-Solar 公司采用的窄带隙材料为a-SiGe(非晶硅锗)合金，他们的
a-Si/a-SiGe/a-SiGe 三结叠层电池，小面积电池(0.25cm 2)效率达到15.2%，稳定效率达13%，900cm
  T: c" a+ l. d0 A. |' w* v2 组件效率达11.4%，稳定效率达10.2%，产品效率达7%-8%。
国际公认非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池是硅基薄膜电池的下一代技术，是实现高效低成本薄
膜太阳能电池的重要技术途径，是薄膜电池新的产业化方向。2005 年日本三菱重工和钟渊化学公
) u! @- s) ]$ h司的非晶硅/微晶硅叠层电池组件样品效率分别达到11.1%(40cm×50cm)和13.5%(91cm×45cm)。
! y* O% K1 @, y9 k  p" W日本夏普公司2007 年9 月实现非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池产业化生产(25MW，效率8%-8.5%)，
欧洲Oerlikon(欧瑞康)公司、美国AppliedMaterials(应用材料公司)，也正研发产品级非晶硅/微晶
$ g  H2 l2 t# y. B硅电池关键制造技术。
; ]9 O. R- c" z- ^9 X/ ]1 B国内，南开大学以国家“十五”、“十一五”973 项目和“十一五”863 项目为依托，进行微
" N- G$ [9 _& R& ^; [8 X! ^) B晶硅材料和非晶硅/微晶硅叠层电池研究。小面积微晶硅电池效率达9.36%，非晶硅/微晶硅叠层电
  t9 }' N5 c( S% D) U池效率达11.8%，10cm×10cm 组件效率达9.7%。现正与福建钧石能源公司合作，进行平方米级
非晶硅/微晶硅叠层电池关键设备及电池制造技术的研发。
, W6 z& s3 s( k* B; M提高效率降低成本是关键
( d: T. y( @8 x7 s# I目前硅基薄膜电池主要有三种结构：以玻璃为衬底的单结或双结非晶硅电池，以玻璃为衬底
9 A+ p2 B( S  {8 ?$ ]. \$ o5 x的非晶硅和微晶硅双结电池，以不锈钢为衬底的非晶硅和非晶锗硅合金三结电池。由于各种产品
0 q& a3 K! N/ H$ D9 A都有其独特的优势，在今后一段时间里这三种电池结构还会同步发展。硅基薄膜电池的长远发展
' [7 e3 k0 S7 n6 \4 J7 }方向是很明显的，除了要充分利用其独特的优势，主要是克服产品开发、生产和销售方面存在的
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问题。硅基薄膜电池要进一步提高电池效率，利用微晶硅电池作为多结电池的底电池可以进一步
! o5 C+ V8 e7 C& `" t+ i# U1 E  p: h提高电池效率，降低电池的光诱导衰退。
* J1 `% u1 V1 v# G" v目前微晶硅电池产业化的技术难点是实现微晶硅的高速沉积技术和实现大面积微晶硅基薄
8 q$ R9 }5 [7 `5 D; T* r膜材料的均匀性。如果微晶硅大面积高速沉积方面的技术难题可以在较短的时间里得到解决，预
计在不远的将来，非晶硅和微晶硅相结合的多结电池将成为硅基薄膜电池的主要产品。非晶硅和
# Q- f0 A7 Y* F5 g8 x微晶硅多结电池可以沉积在玻璃衬底上，也可以沉积在柔性衬底上，因此无论是以玻璃还是以柔
性衬底沉积的硅基薄膜电池都可以采用非晶和微晶硅多结电池结构。
0 s+ w! Z: g, G在提高电池转换效率的同时，增加生产的规模是降低生产成本的重要途径。随着生产规模的
扩大，单位功率的成本会随之降低，相应的原材料价格也随之降低，另外开发新型封装材料和优
4 g2 P6 G& i* ]6 q. o化封装工艺也是降低成本的重要研究和开发方向。
) e$ @  a9 V/ ?( T) n沉积设备至关重要
非晶硅基薄膜的沉积设备是整个生产线中最重要的设备。其中最简单的是单室设备，非晶硅
电池的所有半导体层都在同一反应室中沉积。目前应用较广泛的是由美国EPV 公司设计的单室设
备。这种设备可以同时装入48 片玻璃衬底，太阳能电池中所有不同层都在同一反应室内沉积。
设备的优点是成本低，运行稳定；缺点是气体交叉污染。虽然单室设备存在反应气体交叉污染的
+ [5 T- ]# d+ g" ^' H5 x$ V3 X& X0 {. i问题，但是由于设备造价低，运行稳定，单室设备还是得到了许多公司的重视。如果在技术上能
) n6 _5 C4 v9 T4 ^! m0 k, |有效地控制好掺杂气体的交叉污染，单室反应系统是降低生产成本最为有效的方法。
, p( l0 N1 L1 d6 W  ]( t9 a多室反应系统是生产高效硅基薄膜电池的重要手段，因为多室系统可以有效地避免反应气体
的交叉污染，降低本征层中的杂质含量，提高太阳能电池的效率，同时电池的不同层可以同时沉
积。多室系统的缺点是设备成本高，需要维护的部件多。对于生产规模较大的企业，多室分离沉
0 l) e+ I& n! S% A% Z, _0 j; C4 B积系统仍然是以玻璃为衬底的硅基薄膜太阳能电池的重要沉积设备。
近年来随着对微晶硅太阳能电池的深入研究，开发大面积高速微晶硅沉积系统成为硅基薄膜
' G8 g- N" y/ l" l/ e) r( z电池生产设备的重要课题。超高频等离子体是高速沉积微晶硅的重要手段。然而随着激发频率的
增加，电磁波的波长降低，因此容易引起大面积沉积的均匀性问题。为了提高超高频等离子体沉
# P. Q; n. U/ F, `% Z% C. P积的均匀性，一些开发机构围绕沉积电极形状和馈入方式的设计开展了深入研究。