薄膜太阳能电池发展概况

邢磊+李云

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 湖北省 武汉市 430070）

摘 要：随着化石能源日益枯竭和环境污染的加剧，社会的发展迫切需要寻找清洁可再生能源。薄膜光伏发电是安全、无噪音、建设周期短、使用寿命长、零排放的清洁能源，因而备受关注。本文简要分析了目前薄膜太阳能电池的概况，为未来的发展方向提供依据。

关键词：薄膜太阳电池；光伏；分类；概况

1.引言

目前，市场上的太阳能电池以单晶硅、多晶硅为主，但其工艺复杂，成本較高，而成本一直是光伏产业能否大范围普及的关键。薄膜太阳能电池能够大幅度降低电池成本，近年来得到了较快的发展。

2.薄膜电池分类以及发展

薄膜太阳能电池具有多种分类[1]，按照吸收层材料，可分为硅系、多元化合物和有机薄膜太阳电池。硅系薄膜主要包括非晶硅薄膜，多晶硅薄膜；多元化合物薄膜主要包括III-VI族二元化合物，如碲化镉、硫化镉薄膜；III-V族二元化合物，如砷化镓、磷化铟薄膜太阳电池；I-III-VI2族三元化合物，如铜铟硒、铜铟硫薄膜；有机薄膜主要包括染料敏化剂薄膜和聚合物薄膜。上述的电池的结构以及优点各不相同，分别进行介绍。

2.1硅系薄膜太阳电池

硅薄膜太阳能电池按照材料可细分为非晶硅、多晶硅和微晶硅薄膜太阳电池；其中以多晶硅薄膜太阳电池的应用最为广泛。

2.1.1非晶硅薄膜太阳电池

1976年，非晶硅薄膜太阳电池由RAC实验室的Carlson等研制成功，也是最早实现商业化[2]。随后，其得到了较快的发展。钟迪生等采用等离子体化学气相沉积法特别是RF辉光放电法制作高质量的非晶硅薄膜；United Solar Ovonic完成了面积929cm2的a-Si薄膜太阳能电池，转换效率达9.8%，利用减反射层可使小面积的电池效率达到12%；日本的Ichikawa等使用柔性树脂薄膜衬底，利用roll-to-roll CVD在50cm×1km的树脂基底上制备a-Si/a-SiGe太阳能电池，效率达10.1%；日本中央研究院制的的非晶硅电池的转化效率已经达到13.2%。

国内，中科院半导体所研制的玻璃衬底非晶硅单结太阳能电池，效率达11.2%；南开大学薛俊明等采用PECVD技术制备非晶硅顶电池，采用甚高频PECVD技术制备出微晶硅底电池，研制出效率达9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池；美国国家再生能源实验室利用堆叠技术，制得三结叠层太阳能薄膜，转换率达到12%。但是非晶硅的带隙为1.7eV，对应吸收波长为730nm，与太阳光谱长波区域不匹配，理论上限制了其转换效率的提高。此外，随光照时间的延长，转化效率会明显衰减。目前，稳定的单结非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率最高达9.5%，而量产的效率只维持在8%左右。

2.1.2多晶硅薄膜电池

多晶硅薄膜太阳电池以生长在衬底上具有纳米尺寸和具有不同晶面的小晶粒构成的多晶硅薄膜作为吸收层，通常可以采用化学气相沉积法、液相外延法、金属诱导晶体法、非晶硅薄膜固相晶化法或等离子喷涂法形成。Kaneka公司设计的STAR结构的多晶硅薄膜电池，效率已经达到了10.7%，厚度小于5um，并且无光致衰减现象；另一种SIO结构的多晶硅薄膜电池100cm2，获得了14.22%的效率；H.orikawa等制备出了效率高达16%的多晶硅薄膜电池；日本三菱公司用该法制备电池，效率达到16.42%。德国费来堡太阳能研究所采用区域在再结晶技术在Si衬底上制的多晶硅电池转换效率为19%。理论计算表明，多晶硅薄膜太阳能电池的最高效率可达28%。与单晶硅电池相比，多晶硅薄膜电池厚度约为前者，大大的降低了生产成本，且在长波段具有高光敏性，吸光好，稳定性高，无光致衰退效应，制作工艺简单，具有广阔的发展前景。

2.2多元化合物薄膜太阳电池

2.2.1II-VI族薄膜电池

在II-VI族化合物半导体材料主要包括碲化镉、硫化镉，用该半导体制作的太阳能电池有很高的理论转换效率。CdTe薄膜电池通常以CdS/CdTe异质结作为吸收层，填充因子高达FF=0.75，并且其容易沉积得到大面积的薄膜，沉积速率也较高，膜的厚度通常为1.5-3μm。因而CdTe薄膜电池制造成本也得以大大的降低低，应用前景良好。它已经成为欧美、日、韩等国研究开发的主要对象。托莱多大学的鄢炎发博士采用溅工艺制得效率为14%的碲化镉太阳能电池；采用近空间升华法制得效率高于15.8%的碲化镉太阳能电池。在国内，四川大学太阳能材料与器件研究所的冯良恒，制备出转换效率高达11.6%的碲化镉薄膜太阳能电池，进入了世界先进行列。CdS半导体具有纤锌矿结构，属于直接带隙半导体材料，带隙宽度为2.4eV，光吸收系数较高，透光性好，主要用于薄膜太阳电池的n型窗口材料，可以与碲化镉、铜银硒形成良好的异质结结构。但是，由于Cd元素对环境污染严重，阻碍了CdS/CdTe电池的应用。

2.2.2I-III-VI2族化合物薄膜太阳电池

I-III-VI族化合物半导体是指以具有黄铜矿、闪锌矿晶体结构作为吸收层的太阳电池，通常可以掺入即形成四元化合物半导体吸收层。I-III-VI2族化合物半导体的研究集中在CuInSe2、Cu（In，Ga）Se2、CuInS2等材料，上述半导体材料具有禁带宽度连续可调，吸收系数高的优点。日本昭和石油公司创下了CIS系薄膜太阳能电池转换效率的最高世界纪录，面积为864cm2的薄膜太阳电池转换效率为14.3%，该公司完成了使用该太阳能电池的日本第一个太阳能发电系统，使得该电池的实用化向前迈进了一大步。

国内，南开大学研发的电池光电转换效率已经达到14%，接近世界先进水平。目前，Cu（In，Ga）Se2薄膜太阳电池实验室最高转换效率达到了20.3%（3）。黄铜矿系薄膜太阳能电池是未来的太阳能电池主流产品之一，可广泛用于大型太阳能电站、节能楼宇玻璃及航空航天等军事用途，有着巨大的市场需求。

2.2.3砷化镓、磷化铟薄膜太阳电池

首次发现GaAs材料具有光伏效应在1954年，至今已有50多年。在1956年，LoferkiJ.J.研究探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性；20世纪60年代，Gobat等研制出第1個掺锌GaAs太阳电池，转化率仅为9%～10%；20世纪70年代，IBM公司和前苏联loffe技术物理所等研究单位，采用液相外延技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16%；不久，美国HRL等通过改了LPE技术使得电池平均效率提高到18%，并实现了批量生产；从上世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高。目前实验室最高效率已达到50%，产业转化率可达以上30%。

2.3有机薄膜太阳电池

有机太阳电池主要包括染料敏化、聚合物薄膜太阳电池，其原理与光合作用类似，通过载有染料的半导体电极将光能转换为电能。早期以载有单层染料分子的平板电极作为吸收层，转换效率较低。1991年Gratzel教授首次使用载有染料光敏剂的多孔TiO2替代平板电极，将转换效率提高到了 7.1%。从此，染料敏化薄膜太阳电池得到了较快的发展。2001年澳大利亚STA公司建立了第一个DSCS工厂；2003年台湾工业技术研究院能源研究所开发出纳米晶体染料敏化薄膜太阳电池，将光电转换效率提高到了8%-12%；2004年日立成功研制了大尺寸染料敏化薄膜太阳能电池，光电转换效率达9.3%；同年，Peccell Technologies公司开发出高压（4V）的染料敏化纳米晶薄膜太阳电池，可作为下一代薄膜电池。目前，染料敏化薄膜太阳电池实验室最高效率达到了11.4%。

与染料敏化薄膜太阳电池相比，有机聚合物薄膜电池具有柔韧性好、成本低廉、容易加工等优点，其研究处于刚刚起步阶段，使用寿命和电池效率不能和其他成熟的电池产品相比。目前，有机聚合物薄膜电池实验室光电转换效率为10%左右。

3.小结

综上所述，薄膜太阳能电池在节约能源、降低成本方面具有较大的优势与发展前景。但薄膜太阳能电池的转换效率还有进一步提升的空间，通过不断出现的新技术，如量子点、纳米表面结构、背反射技术等等，将会进一步提升电池效率，推动薄膜太阳电池上一个新的台阶。

参考文献

[1]井维科. PECVD法制备多晶硅薄膜太阳能电池研究[D].浙江师范大学，2013.

[2]胡笑添，章少华. 硅基薄膜太阳能电池发展研究及出路[J].人工晶体学报，2012.