电池英才网--薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

1、 - 中国最权威的电池行业招聘网站中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线：0755-86153560,86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线：0755-86153516 传真：0755-22632616 地址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区 邮箱：电电池池英英才才网网 （http:/ 颖 戴松元 孙 云! 冯良桓?教授, 中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031; ! 教授, 南开大学光电子薄膜 器件与技术研 究所, 天津 300071; ?教授, 四川大学材料科学与工程学院, 成都 610064关键词 硅基薄膜太阳电池碲化镉薄膜太阳电池铜铟镓硒薄膜太阳电池染料敏化太阳电池笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述, 包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化 合物薄膜太阳电池、 以及染料敏化电池等, 对每种技术分别从国 内外研究现状以及产业化状况进行介绍。 光照时存在 S W 效应, 使得非晶硅电池呈现光 致衰退现1 前言象。此外, 非晶硅材料带隙较宽, 难以吸收 700 nm 波长

2、 以上的光, 限制了其对太阳 光的利用率。相较于非晶硅, 其它两种材料带隙较窄, 可更充分吸收长波长的光。特 别是 微晶硅材料, 被认为是一种非晶与微晶硅颗粒组成 的混合相材料, 其带隙调变可以通过制 备过程中的氢稀 释比调整实现, 最低可接近单晶硅的 1. 1 eV, 因此, 微晶 硅材料制备 不会带来额外的工艺复杂性, 与现有的非晶 硅技术兼容性更好。而且微晶硅材料稳定性高, 微晶硅 电池基本无衰退; 所以, 微晶硅材料更加具有应用潜力。 为充分利用太阳光谱, 将不同带隙的硅基薄膜组合, 形成多结叠层结构。如图 1 所示, 采用非晶硅/ 微晶硅叠 层电池相对于非晶硅电池而言, 具有两方面优点: 一是拓 宽电池长波光谱响应, 提高太阳 光的利用率; 二是降低了 较不稳定的非晶硅顶电池厚度, 有利于提高整体稳定性。 因此, 国际公认非晶硅/ 微晶硅叠层太阳电池是硅薄膜电 池的下一代技术, 是实现高效、 低成 本薄膜太阳电池的重 要技术途径, 是薄膜电池新的产业化发展方向。目前市场上应用的太阳电池仍以单晶硅/ 多晶硅电 池为主, 但薄膜太阳电池被公认为 未来太阳电池发展的 主要方向, 并

3、已成为国际上研究最多的太阳电池技术之 一。这是因 为薄膜太阳电池具有生产制造成本低、 能量 回收期短、 便于大面积连续生产等突出优势。 它另外一 个特点是可被制成柔性可卷曲形状, 这使得其应用环境 更加 广泛, 例如在建筑 光伏一体 化、 荒漠电站等领域均 具有广阔的应用前景。近些年来, 薄膜电池技术发展迅 速, 部分技术已经实现大规模生产。 中国在薄膜电池基 础研究方面 已经取得了 较大进 展, 部 分成果已经达到国际先进 水平, 为大规模产业化 打下了良好的基础。目前, 中国 的研究机构与产业界正 密切合作, 积极进行薄膜太阳电池的中试或产业化技术 与设备的 攻关。 目前, 主流的 薄膜 太阳电 池技术 包括 硅基薄 膜电 池、 化合物电 池、 染料- 中国最权威的电池行业招聘网站中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线：0755-86153560,86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线：0755-86153516 传真：0755-22632616 地址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区 邮箱：敏化电 池

4、等。本文针对上 述薄膜 电池的研究现状以及产业化情况进行介绍。2 薄膜太阳电池进展2. 1 硅基薄膜太阳电池2. 1. 1 研究进展 按照硅基薄膜太阳电池本征层采用的材料, 可以将 其分为三种类 型, 即非晶硅电池、 微晶硅电池以及硅锗合 金电池等1 。其中非晶硅电池技术发展最 早, 目前已经 比较成熟, 已实现大规模生产技术。但是非晶硅材料在# 156 #图 1 非晶硅和微晶硅材料光谱响应曲线目前, 底电池技术主要分为硅锗合金电池或微晶硅电 池两个方向, 前者的代表研究机 构为美国联合太阳能公司自然杂志第 32 卷第 3 期专题综述究机构则采用微晶硅底电池技术。表 1 中所列为上述研究 机构的代表性成果, 这些 成果代表了其所在领域的最高水 平。( USSC) ; 而以瑞士微技术研究所( IM T) 、 德国余利希光伏研 究 所 ( J lich IPV 5 ) 、 及 日 本 先 进 技 术 研 究 中 心 以 ( NAIST)2, 3、 荷兰乌特勒支大学( Utrecht) 为代表的众多研表 1 时间 2010 2009 2009 2009 2009 2008 2009 初始效率

5、( 稳定效率) ( 12. 52% ) 12. 83% 8. 3% 6. 3% 6. 4% 8. 2% 8. 8% 10% ( 9. 47% ) 11. 7% 11. 5% 10% 9. 5% 8. 2% 10. 7% ( 9. 3% ) 13. 5%国际硅基薄膜电池主要研究单位及成果 沉积速率 1 1. 5 n m/ s 10 25A/ s 6. 75 nm / min 3. 3 n m/ min 3. 2 nm / s 研究单位 美国联合太阳能公司 (U nited So lar Ovon ic LLC ) 日本三菱重工 (M HI) 德国德雷斯顿大学( Dresden) 荷兰乌特勒支大学( Utrech t) 美国 T Solar 瑞士洛桑理工学院( IM T ) 瑞士欧瑞康( Oer likon ) 1. 5 A/ s + 5 A/ s* 1. 5 A/ s + 10 A/ s 5 A/ s + 25 A/ s 13 45 nm / min 5 4 6 72009德国余利西研究所( J lich )2009 2009 2007日本爱发科( Ulvac) 美国 Sunfilm(

6、AM AT 设备) 日本三洋( Sanyo)注: * 顶电池沉积速率+ 底电池沉积速率随着国际上对硅薄膜电池的研究热潮, 中国众多单位 紧密合作、 联合攻关, 取得了 不俗的成果, 有些成果已跨入 国际先进行列。其中, 南开大学光电子薄膜器件与技术研 究所 研 制 的 小 面 积 非 晶 硅/ 微 晶 硅 叠 层 电 池 效 率 达 11. 8% , 10 ? 10 cm 组件效率 10. 5%。最近利用甚高频2建钧 石能源公司合作, 2008 年 建成中国首条非晶/ 微晶 硅叠层电池中 试线, 并试 - 中国最权威的电池行业招聘网站中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线：0755-86153560,86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线：0755-86153516 传真：0755-22632616 地址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区 邮箱：制出效 率超过 8% 的 0. 79 m 2 的非晶/ 微晶硅叠层电池组件9 , 为中国建立兆瓦级 的非 晶/ 微晶硅叠层电池组件生产线奠定了很好的基础。与高压耗尽

7、技术, 在微晶硅薄膜的沉积速率 1. 0 nm/ s 以 上时, 单结微晶硅电池效 率达到了 9. 36% 8 。另外, 中国 科学院半导体研究所在硅基薄膜材料稳定性及其高 效非 晶硅电池研究方面, 以及科大研究生院在 硅基薄膜生长 和输运机理方面都取得了多 项研究成果。 2. 1. 2 产业化情况 日本夏普和三菱公司已 实现非晶硅/ 微晶硅叠层太 阳电池产业化生产, 生产线产能 30 M W 以上, 组件稳定 效率。中国已有 20 余家硅基薄 膜电池生产企业, 生产线 规模从年产 5 兆瓦到几十兆瓦不等, 组件 面积从平方米 至数 平方米。部 分企业 进口 国外 生产线, 如美 国 AM A T、 日本 Ulvac、 欧洲 Oerlikon 等 公司的生 产线。在美 国 AM AT 和欧洲 Oerlikon 生产 线上, 中 国的企业 已经 调 试出稳定效率大 于 8% 的非晶硅/ 微晶硅叠层 电池组 件。中国大部分产品还是以非晶硅 电 池为主, 电池组件 稳定效率 6%左右。中国的硅基薄膜电池生产设备主要 基于美国 EPV 公司的单室沉积 技术, 通过消化吸收, 不 断完善, 中国

8、的单室沉积非晶硅电池的设 备水平和工艺 完整与可靠性, 均已超过国际 同类水平。南开大学与福2. 2 铜铟镓硒( CIG S) 薄膜太阳电池2. 2. 1 研究进展 铜铟镓硒( CIGS) 薄膜太阳电池材料与器件的实验室 技术在发达 国家趋于成熟, 转换效率已达 20% , 大面积电 池组件和量产化开发是 C IGS 电池目前发 展的总体趋势, 而柔性电池和无镉电池是近几年的研究热点。由于 CIGS 电池的吸收层 C IGS 薄膜是一种多元化合物多晶半导体 材料, 因此, 其多元组分配比和分布, 以及合适的 晶相结构 是电池制备的难点, 由此产生了不同的技术路线, 如真空 蒸发的一步法, 以及 先金属预置层后硒化的两步法。表 2 目前 Cu( In, Ga) Se 2 太阳电池和组件的世界纪录 效率( % ) Cu( In, Ga) Se 2 玻璃衬底( 电池) Cu( In, Ga) Se 2 ( 小组件) Cu( In, Ga) ( S, Se) 2 ( 无镉, 组件) 19. 9 % 0. 6 16. 6 % 0. 4 15. 2 面积( cm 2 ) 0. 419 公司 NRE

9、 L 10 U . U ppsala 11 1216. 0 900Sh owa Shell# 157 #Review Art icle表 3 机构 W r th Solar Advancis Show a Shell GSE( 柔性) H onda Solar 全球 CIGS 薄膜太阳电池组件技术指标 国别 德国 德国 日本 美国 日本 面积 ( cm ) 6500 5400 3450 8709 99652Chinese J o ur nal of N atur eVo l. 32 No . 3本具有更大的下降空间。无论是军事 还是民用, 都具有 广阔的市场前景 和巨大的需 求背景。美国 NREL 和日 本松下电器公司在不锈钢衬底上制备的 C IG S 电池效率 均超 过 17. 5%; 美 国环 球 太 阳 能 ( Global Solar ) 公 司 0. 4 M W 中试线( 1 英尺宽、卷到卷技术) , 生产不锈钢衬 底电池小面积效率为 12. 5%; 德国 HM I 研究所 采用共 蒸发 法 在 钛 箔 衬 底 上 制 备 CIGS 薄 膜 电 池 效 率 为 16. 2% 。聚酰亚胺薄膜- 中国最权威的电池行业招聘网站中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线：0755-86153560,86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线：0755-86153516 传真：0755-22632616 地址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区 邮箱：( PI) 是发展高比功率的轻质柔性 太阳电池首选衬底材料。目前, 由瑞士联 邦技术研究 院 研制的 PI 衬底小面 积铜铟硒电池效率达到 13. 0% , 是 目前 PI

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