电池英才网--薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

----------------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：[phone]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：[e-mail]电池英才网（）薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势赵颖戴松元孙云!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SW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700nm波长以上的光,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1.1eV,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：[phone]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：[e-mail]敏化电池等。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(IMT)、德国余利希光伏研究所(JlichIPV5)、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2010200920092009200920082009初始效率(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1~1.5nm/s10~25A/s6.75nm/min3.3nm/min3.2nm/s研究单位美国联合太阳能公司(UnitedSolarOvonicLLC)日本三菱重工(MHI)德国德雷斯顿大学(Dresden)荷兰乌特勒支大学(Utrecht)美国TSolar瑞士洛桑理工学院(IMT)瑞士欧瑞康(Oerlikon)1.5A/s+5A/s*1.5A/s+10A/s5A/s+25A/s13~45nm/min[5][4][6][7]2009德国余利西研究所(Jlich)200920092007日本爱发科(Ulvac)美国Sunfilm(AMAT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?10cm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：[phone]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：[e-mail]制出效率超过8%的0.79m2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。与高压耗尽技术,在微晶硅薄膜的沉积速率1.0nm/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30MW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AMAT、日本Ulvac、欧洲Oerlikon等公司的生产线。在美国AMAT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(CIGS)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CIGS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CIGS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)Se2太阳电池和组件的世界纪录效率(%)Cu(In,Ga)Se2玻璃衬底(电池)Cu(In,Ga)Se2(小组件)Cu(In,Ga)(S,Se)2(无镉,组件)19.9%0.616.6%0.415.2面积(cm2)0.419公司NREL[10]U.Uppsala[11][12]16.0900ShowaShell#157#ReviewArticle表3机构WrthSolarAdvancisShowaShellGSE(柔性)HondaSolar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)650054003450870999652ChineseJournalofNatureVol.32No.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CIGS电池效率均超过17.5%;美国环球太阳能(GlobalSolar)公司0.4MW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HMI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(PI)----------------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：[phone]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：[e-mail]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衬底太阳电池的世界纪录。德国HMI研究所、ZSW中心和美国特拉华大学能源转换学院(IEC)等机构制备的PI衬底CIGS电池效率达到了10%~12%。中国研究CIGS薄膜太阳电池在20世纪80年代开始起步。南开大学在多方面支持下建立了&铜铟硒薄膜太阳电池试验平台与中试基地?,并在CIGS电池材料、器件的研究上及相应的工程技术上取得了多项突破,在玻璃衬底、不锈钢和聚酰亚胺柔性衬底CIGS电池方面均取得了标志性成果(见表4)。其他研究单位如北京大学、清华大学、上海大学、中电集团十八所、上海空间电源研究所,中科院深圳现代技术研究院、上海技术物理所、上海硅酸盐研究所等,也进行了大量的基础研究。蒸发后硒化后硒化蒸发后硒化(%)13.012.813.610.212.7技术路线在传统的CIGS太阳电池中,由于含有很少的重金属镉元素,使其不能成为真正的无污染的&绿色?电池。基于环保问题,选用无镉材料来替代缓冲层CdS薄膜是发展CIGS太阳电池的必然趋势。目前所用的无镉缓冲层包括ZnS、nSe、Zn,Mg)O、OH)3、2S3、2Se3、Z(In(InInInZnSe3、2、2等。由美国能源部国家光伏中心SnOSnS(NCPV)与日本新能源和工业技术开发机构(NEDO)合作研制的无镉CIGS电池效率达到18.6%,以及日本的ShowaShell采用Zn(O,S,OH)x作为缓冲层,面积为3456cm2的组件效率达到13.4%,二者均创造了无镉CIGS电池效率的世界纪录。柔性CIGS薄膜太阳电池多沉积于金属箔(不锈钢、金属鈦等)或高分子聚合物(多为聚酰亚胺)薄膜基底上,具有质轻、可卷曲折叠、不怕摔碰、抗辐射能力强等特点,而且允许以卷带方式连续化沉积,其材料成本和生产成表4电池种类小面积电池(不同工艺)无镉电池柔性电池电池组件电池组件南开大学研制的铜铟硒薄膜太阳电池及转换效率衬底玻璃玻璃玻璃玻璃不锈钢聚酰亚胺玻璃玻璃技术路线共蒸发共蒸发后硒化共蒸发共蒸发共蒸发共蒸发共蒸发过渡层CdSCdSCdSZnSCdSCdSCdSCdS转换效率(%)15.213.9*11.6*11.410.6*9.2*8.9*7*面积(cm2)0.400.8