【文章內(nèi)容簡介】 市場發(fā)展的需求和發(fā)電成本降低的需要是太陽能光伏技術(shù)發(fā)展的“原動力”；同時，技術(shù)進步也是促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。幾十年來，圍繞著降低成本的各種研究工作取得了輝煌成就，表現(xiàn)在電池效率不斷提高、硅片厚度持續(xù)減薄、新材料應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)改進等方面，對降低光伏發(fā)電成本起到了決定性作用。 電池效率不斷提高單晶硅電池的實驗室效率已經(jīng)從50 年代的6％％（商業(yè)化效率16～20％）；％（商業(yè)化效率14～16％）。薄膜電池的研究工作也獲得了很大成功，非晶硅薄膜電池實驗室穩(wěn)定效率達到了13％、碲化鎘（CdTe）％、銅銦硒（CIS）％。其他新型電池，如多晶硅薄膜電池、染料敏化電池、有機電池等不斷取得進展，更高效率的復(fù)合型電池也受到廣泛的關(guān)注。年份薄晶硅電池薄膜硅電池超高效電池CIS電池染料電池201016（20）12（15）28（40）13（19）6（10）202019（25）14（18）35（45）18（25）10（15）203022（25）18（20）40（50）22（25）15（18） 預(yù)測2010—2030年主要太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率（%） 商業(yè)化電池硅片厚度不斷降低降低硅片厚度是減少硅材料消耗、降低太陽能電池成本的有效技術(shù)措施。30多年來，太陽能電池硅片厚度從70 年代的450～500μm 降低到目前的180～280μm，降低了一半以上，硅材料用量大大減少，對降低太陽能電池成本起到了重要的作用。年代厚度（um）硅材料用量 t/MW20世紀70年代450500》2020世紀80年代400450162020世紀90年代35040013162006年18024012132010年15018010112020年80100810 太陽能電池厚度及用硅量預(yù)測 生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大和自動化持續(xù)提高是太陽能電池生產(chǎn)成本降低的重要方面。太陽電池單廠生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)從上世紀80年代的1～5MW/年發(fā)展到90年代的5～30MW/年和本世紀的50～500MW/年。生產(chǎn)規(guī)模與成本降低的關(guān)系體現(xiàn)在學(xué)習(xí)曲線率LR（Learning Curve Rate）上，即生產(chǎn)規(guī)模擴大1倍，生產(chǎn)成本降低的百分比。對于太陽電池來說，30年代統(tǒng)計的結(jié)果，LR＝20％（含技術(shù)進步在內(nèi)），是所有可再生能源發(fā)電技術(shù)中最大的，是現(xiàn)代集約化經(jīng)濟的最佳體現(xiàn)者之一。 組件成本大幅降低光伏組件成本3年來降低了2個數(shù)量級。2003年世界重要廠商的成本為2～ 美元/Wp，～3美元/Wp，2004 年以后因能源及原材料緊缺，價格有所回升。 電池技術(shù)快速發(fā)展2004 年各種電池技術(shù)的市場份額中，其中多晶硅56％，單晶硅29％，HIT電池（非晶硅（p－型）/單晶硅（n－型）異質(zhì)結(jié)電池）5％，其他為薄膜電池，共計約7％。多晶硅電池在1998 年開始超過單晶硅后一直持續(xù)增長，各種薄膜電池的絕對生產(chǎn)量近年來也在穩(wěn)定增加，反映出技術(shù)進步的推動力量?？偟膩碚f，作為太陽能電池的材料，IIIV 族化合物及CIS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率很高，但從材料來源看，這類太陽能電池將來不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而另兩類電池，納米晶太陽能電池和有機聚合物太陽能電池，它們的研究剛剛起步，技術(shù)不是很成熟，仍處于探索階段，短時間內(nèi)不可能替代硅系太陽能電池。因此，從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，今后發(fā)展的重點仍是硅太陽能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。下面我將重點講述著三種硅基太陽能電池的制作工藝和優(yōu)缺點，以及在今后的發(fā)展中需要解決的問題。二．硅基太陽能電池 單晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池是當(dāng)前開發(fā)得最快、應(yīng)用最為廣泛的一種太陽能電池，它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。其生產(chǎn)工藝流程如下：將單晶硅棒切成片。硅片經(jīng)過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就硅片上形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進行封裝。 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度200～350μm 的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70 年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜。多晶硅（PolySi）薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百nm級，大顆粒尺寸可達μm級。高質(zhì)量的半導(dǎo)體多晶硅薄膜的許多性能參數(shù)，都可用單晶硅（cSi）薄膜和非晶硅氫合金（aSi：H）薄膜的參數(shù)來代替。多晶硅薄膜在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被公認為是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。多晶硅薄膜可在600℃以下的低溫沉積，隨后用激光加熱晶化或固相結(jié)晶等方法形成。電池襯底可采用玻璃甚至塑料類的柔性材料。也可以直接在高溫下生長形成多晶硅薄膜，生長溫度大于1000℃，硅的沉積速率約為5nm／min。生長溫度高就需要選擇耐高溫襯底材料，目前通常采用低質(zhì)量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高溫下生長薄膜，獲得的多晶硅薄膜具有較好的結(jié)晶性，晶粒尺寸較大。低溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用CVD方法。由低溫沉積的薄膜，晶粒尺寸較小，獲得的電池效率不高。要獲得10%～15%的效率，晶粒尺寸須大于l00nm。高溫制備多晶硅薄膜電池，一般采用液相外延法（LPPE）、區(qū)熔再結(jié)晶（ZMR）及低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD），APCVD、等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）等方法。先在耐高溫襯底材料上生長厚度為10～20nm 的多晶硅薄膜，再利用晶體硅電池常規(guī)制備工藝進行pn 結(jié)及電極制備?；瘜W(xué)氣相沉積主要是以SiH2ClSiHClSicl4 或SiH4，為反應(yīng)氣體,在一定的保護氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiOSi3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZ Si襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，%。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astro Power 公司在耐高溫襯底上制備的多晶硅薄膜電池效率己達16%，而且認為通過降低多層減反射膜中氧化層的厚度到100A，并增加基體材料的擴散長度，電池效率可達l8%。 非晶硅薄膜太陽能電池開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，其實早在70年代初，Carlson 等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上已有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅半導(dǎo)體材料的最基本特征是組成原子的排列為長程無序、短程有序，原子的鍵合類似晶體硅，形成一種共價無規(guī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這結(jié)構(gòu)，不是無規(guī)理想的網(wǎng)絡(luò)模型，其中含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵和空洞等。非晶硅電池的工作原理與單晶硅電池類似，都是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。與單晶硅電池不同的是，非晶硅電池光生載流子只有漂移運動而無擴散運動，原因是由于非晶硅結(jié)構(gòu)中的長程無序和無規(guī)網(wǎng)絡(luò)引起的極強散射作用，使載流子的擴散長度很短。如果在光生載流子的產(chǎn)生處或附近沒有電場存在，則光生載流子受擴散長度的限制，將會很快復(fù)合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電池設(shè)計成為pin型，其中p層是入射光層，i層是本征吸收層，處在p和n產(chǎn)生的內(nèi)建電場中。當(dāng)入射光通過p+層進入i層后，產(chǎn)生電子空穴對，光生載流子一旦產(chǎn)生后就由內(nèi)建電場分開，空穴漂移到p+邊，電子飄移到n 邊，形成光生電流和光生電壓。, 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退SW效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個Pin子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減小；④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，襯底可以為玻璃、不銹鋼、特種塑料、陶瓷等（ 為非晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)的示意圖）。玻璃襯底的非晶硅電池，光從玻璃面入射，電池的電流從透明導(dǎo)電膜（TCO）和鋁電極引出。不銹鋼襯底的非晶硅電池與單晶硅電池類似，在透明導(dǎo)電膜上制備梳狀銀電極，電池的電流從銀電極和不銹鋼引出。雙疊層的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是兩層結(jié)構(gòu)使用相同的非晶硅材料；一種是上層使用非晶硅合金，下層使用非晶硅鍺合金，以增加對長波光的吸收；上層使用寬能隙的非晶硅合金做本征層，以吸收藍光光子；中間層用含鍺約15%的中等帶隙的非晶硅鍺合金，以吸收紅光。三疊層的結(jié)構(gòu)與雙疊層的結(jié)構(gòu)類似。非晶硅材料由氣相沉積法形成的。根據(jù)離解和沉積方法的不同，可分為輝光放電分解法（GD）、濺射法（SP）、真空蒸發(fā)法、光化學(xué)氣相沉積法（CVD）和熱絲法（HW）等多種。其中等離子增強化學(xué)氣相沉積法（PECVD）是已被普遍采用的方法，在PECVD沉積非晶硅的方法中，PECVD的原料氣一般采用SiH4，和H2，制備疊層電池時用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5可同時實現(xiàn)摻雜。SiH4和GeH4在低溫等離子體的作用下分解產(chǎn)生a－Si或a—SiCe 薄膜。此法具有低溫工藝和大面積薄膜的生產(chǎn)等特點，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。 非晶硅電池具有如下優(yōu)點：（1）制造成本低。這是因為：①半導(dǎo)體層光吸收系數(shù)比晶體硅大一個數(shù)量級，電池厚度只需1μm 左右，約為晶體硅電池的1/300，可節(jié)省大量硅材料。②可直接沉積出薄膜，沒有切片損失。③可采用集成技術(shù)在電池制備過程中一次完成組件，工藝過程簡單。④電池的pin ℃左右的溫度下制造的，比晶體硅電池的800～1000℃的高溫低得多，能源消耗小。⑤~，組裝方便，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。（2）能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅電池的生產(chǎn)能耗僅為l00kWh左右，能源回收期僅為l～，比晶體硅低得多。（3）發(fā)電量多。據(jù)測試，在相同條件下，非晶硅電池的發(fā)電量較單晶硅電池高8%左右，較多晶硅電池高13%左右。（4）售價低。目前約比晶體硅電池的售價約低1/4－1/3。 三種太陽能電池性能分析和亟待解決的問題 性能分析種類優(yōu)勢劣勢轉(zhuǎn)換效率單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率最高，技術(shù)最為成熟硅消耗量大，成本高，工藝復(fù)雜16%20%多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率較高多晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，供應(yīng)受限制14%16%非晶硅薄膜太陽能電池成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率不高，光致衰退效率9%13% 需要解決的問題由以上對比可以看出，以后多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的生產(chǎn)成本，會越來越受到投資者的關(guān)注。但是它們也面臨著一些需要解決的問題。多晶硅薄膜電池具有效率較高、性能穩(wěn)定及成本低的優(yōu)點，是降低太陽能電池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下問題：①多晶硅薄膜低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低。②多晶硅薄膜高溫沉積，適于生長優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的廉價而優(yōu)良的襯底材料。因而今后應(yīng)著重研發(fā)如下問題：①大面積、大晶粒薄膜的生長技術(shù)；②進一步提高薄膜的生長速率；③薄膜缺陷的控制技術(shù)；④優(yōu)質(zhì)、價廉襯底材料的研發(fā)；⑤電池優(yōu)良設(shè)計、表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)等的研究。非晶硅薄膜電池作為地面電源應(yīng)用的最主要問題，是效率低、穩(wěn)定性差。目前實驗室效率己達15％，%～％。引起效率低、穩(wěn)定性差的主要原因是光誘導(dǎo)衰變，即所謂的S－W效應(yīng)。用氫稀釋硅烷方法生長的aSi和aSiGe 薄膜可以抑制光誘導(dǎo)衰變，提高效率。使用雙疊層、三疊層或多疊層結(jié)構(gòu)可以增加光譜響應(yīng)，提高效率。但從工業(yè)化生產(chǎn)和地面電源應(yīng)用的要求來看，問題還遠未得到令人滿意的解決，仍有許多工作要做。關(guān)于非晶硅電池的衰降問題，許多科研人員已進行多年的研究實驗，并還在繼續(xù)進行著，主要內(nèi)容有：①高質(zhì)量本征非晶硅材料的研究（包括晶化技術(shù)），減少光生亞穩(wěn)態(tài)密度，提高穩(wěn)定性。②質(zhì)量n 型和p 型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高摻雜效率，增強內(nèi)建電場，提高電池的穩(wěn)定性。③改善非晶硅電池內(nèi)部界面，降低界面態(tài)，減小界面復(fù)合，提高輸運效率、轉(zhuǎn)換效率和電池的穩(wěn)定性。④優(yōu)質(zhì)aSi：Ge 合金材料的研究，進一步完善雙結(jié)、三結(jié)、多帶隙非晶硅電池，提高效率和電池的穩(wěn)定性。目前非晶硅太陽能電池的研究已取得兩大進展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太