主要薄膜光伏电池技术及制备工艺介绍

主要薄膜光伏电池（非/微晶硅、CIGS）

技术及制备工艺介绍

第一章薄膜光伏电池技术及发展概况简述一、全球主要薄膜光伏电池技术简介

图：薄膜光伏电池结构

二、薄膜光伏电池发展概况

（一）非晶硅薄膜电池的大规模应用堪忧

中国有超过20 家非晶硅薄膜电池厂商，共约1.1GW 产能，其中800MW的转换效率为6%-7%，300MW 的转换效率高于8.5%，最高的转换效率可以达到9%-10%，生产成本为约0.8 美元/W。如果非晶硅薄膜电池的转换效率为10％，组件的价格低于晶体硅电池的75％，才有竞争力。

随着今年晶硅电池成本的下降和转换效率的稳步提升，2010 年7月，美国应用材料公司(Applied Materials)宣布，停止向新客户销售其SunFab 系列整套非晶硅薄膜技术。8 月，无锡尚德叫停旗下的非晶硅薄膜太阳能组件生产线的业务。非晶硅薄膜电池要继续扩张市场份额，还需要突破其转换率低和衰减性等问题，建立市场信心。

另外，非晶硅薄膜电池在半透明BIPV 玻璃幕领域具有相对优势，但目前BIPV 仍面临透光度和转换效率的两难困境，大规模应用尚未推行，非晶硅薄膜电池前景堪忧。

（二）CdTe薄膜电池难以成为国内企业的发展重点

CdTd 薄膜电池方面，美国First Solar 一枝独秀。First Solar 组件效率已达11％，成本降低到0.76 美元/W，在所有太阳电池中成本最低。First Solar 今年产能约1.4GW,预计2011、2012 年分别达到2.1GW 、2.7GW。在电池制造技术和装备制造，市场份额和规模效应方面，FirstSolar 已经占据了绝对优势，国内企业难以有较大发展，目前国内介入CdTe 电池的企业仅三家，且均未实现大规模量产。

另一方面，碲属于稀有元素，在地壳里仅占1x10-6 。已探明储量14.9 万吨，该技术的未来发展空间受限。预计CdTe 技术不会成为我国企业发展薄膜电池的主要方向。

（三）CIGS技术前景诱人，成为投资亮点

虽然目前全球有上百家企业从事CIGS 技术的研发，但突破技术和设备瓶颈，能够生产大面积组件的企业不多。技术相对成熟，单机年产量超过10MW 的生产线更少，目前仅有如Johanna Solar(德国)、WurthSolar(德国)、Global Solar(美国)、Showa Shell(日本)、Honda Soltec（日本）等公司。

CIGS 的工艺和设备要求复杂，目前国际上尚未形成标准生产工艺和技术垄断企业。中国企业有望通过自主创新，引进设备或与国外设备企业合作开发等形式加快CIGS 薄膜电池的产业化。例如，孚日引进Johanna 的60MW 生产线，哈高科与美国普尼合作研发CIGS 的生产工艺。

表：各种技术特性对比

表：各技术的发展现状和前景

第二章非/微晶硅电池技术及制备工艺介绍

硅基薄膜太阳电池除了具有薄膜太阳电池共有的省材、低能耗、便于大面积连续生产等优势外, 还具有原材料丰富、无毒、无污染、能耗低等优点, 是当前薄膜太阳电池的重要研发方向。

（一）非晶硅电池的结构与工作原理

非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如下图所示。第一层为普通玻璃,是电池的载体。第二层为绒面的TCO，即透明导电膜，一方面光穿过它被电池吸收，它的透过率要求要高；另一方面作为电池的一个电极，要求它能导电。TCO 制备成绒面能起到减少反射光的作用。太阳能电池就是以这两层为衬

底生产的。电池的第一层为P层，即窗口层。下面是i层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。再下面为n层，起到连接i和背电极的作用。最后是背电极和Al/Ag电极。目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),或简称AZO。

图：非晶硅太阳能电池结构图

为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(a-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，如下图所示。国际上采用的标准条宽约1cm，称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池。

图：非晶硅太阳电池组件

非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P边，电子漂移到N边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb相反，当VL = Vb时，达到平衡; IL = 0, VL达到最大值，称之为开路电压Voc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流IL。

图：I--V特性曲线

（二）非/微晶硅太阳电池的原理及结构

非晶硅尽管是一种很好的太阳能电池材料，但由于它的光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样就在某种程序上限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。光电效率也会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S一W效应，导致电

池性能不稳定。解决的途径就是生产叠层太阳能电池。另外，非晶硅层仅对可见光有吸收作用，而微晶硅层对波长较长的远红外部分有很好的吸收作用，而且几乎不发生衰减，因此这种叠层技术可以实现很好的转换效率并明显降低衰减率，世界光伏学家把这种技术誉为“最有希望的薄膜技术”。如下图所示。

图：非晶硅与微晶硅叠层电池提高转换效率原理

叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池能提高电池的转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组合在一起，提高了光谱的响应范围；②顶层电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；

③底层电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

图：非/微晶硅薄膜太阳能电池的层叠结构