【文章內(nèi)容簡介】 出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢。 太陽電池的優(yōu)勢 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面： （ 1）材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)橐r底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價(jià)格低廉。硅薄膜厚度不到 1amp。micro。m，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（ 100 一 300176。 C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時(shí)間短）（ 2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)楹诵墓に囘m合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的 a 一 Si 合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)? n 結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動化。（ 3）品種多，用途 廣。薄膜的 aSi 太陽電池易于實(shí)現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，晴電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計(jì)算器電池等。由于 aSi 膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽電池。靈活多樣的制造方法，可以制造 .7. 建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。 非晶硅太陽電池技術(shù)完善與提高 由于發(fā)展勢頭遭到挫折， 80 年代末 90 年代初，非晶硅太陽電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整、完善和提高的時(shí)期。人們一方 面加強(qiáng)了探索和研究，一方面準(zhǔn)備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中心任務(wù)是提高電它的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上， 90 年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮， 先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級，生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)全自動。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在 10 年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達(dá)到 6％ 8％；中試組件（面積 900cm2 左右）效率達(dá) 9％ 11％；小面積 電池最高效率達(dá) ％。 疊層電池技術(shù) 減薄 aSi 太陽電他的 i 層厚度可以增強(qiáng)內(nèi)建電場，減少光生載流子通過帶隙缺陷中心和／或光生亞穩(wěn)中心復(fù)合的幾率，又可以增加載流子移動速率，同時(shí)增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果 i 層大薄又會影響入射光的充分吸收，導(dǎo)致電池效率下降。為了揚(yáng)長避短，人們采用了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)，從而提高了電池的轉(zhuǎn)化效率，并降低了電池的衰減率。 新材料探索 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂電池的 i 層主要是寬 帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在 到 范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時(shí)，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對電池性能的影響。 新技術(shù)探索 為了提高非晶硅太陽電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新 .8. 的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學(xué)退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高 aSi薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得 a 一 Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。 新制備技術(shù)探索 射頻等離子體增強(qiáng) CVD 是當(dāng)今普遍采用的制備 aSi 合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以用較低的襯底溫度（ 200C 左右），重復(fù)制備大面積均勻的薄膜，制 得的氫化 aSi 合金薄膜無結(jié)構(gòu)缺陷、臺階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特 性符合大面積太陽電他的要求。此法的主要缺點(diǎn)也是致命的缺點(diǎn)是，制備的 aSi膜含氫量高，通常有 10％ 15％氫含量，光致衰退比較嚴(yán)重。因此，人們一方面運(yùn)用這一方法實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。 與 RFPECVD 最相近的技術(shù)有，超高真空 PECVD 技術(shù)，甚高頻（ VHF） PECVD 技術(shù)和微波（包括 ECR） PECVD 技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對膜表面的處理機(jī)制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會有區(qū)別。 VHF 和微波 PECVD 在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢。 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積 aSi 薄膜技術(shù)， HOMOCVD 技術(shù)和熱絲 CVD 技術(shù)等。離子束淀積 aSi 合金薄膜時(shí)，包括硅烷在內(nèi)的反應(yīng)氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的 aSi 合金薄膜。HOMOCVD 技術(shù)通過加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級粒子壽命較長，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲 CVD 技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。 非晶硅太陽電池的未來發(fā)展 現(xiàn)有 aSi 太陽電池產(chǎn)業(yè)的市場開發(fā) 非晶硅太陽電池?zé)o論在學(xué)術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功。金世界的生產(chǎn)能力超過 50 兆瓦。處于高校術(shù)檔次的約占一半。最大的生產(chǎn)線規(guī)模為年產(chǎn) 10MW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達(dá) 美元／峰 .9. 瓦左右。據(jù)預(yù)測，若太陽電池成本低于每峰瓦 1 美元，壽命 20 年以上，發(fā)電系統(tǒng)成本低于每峰瓦 2 美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競爭。與其它品種太陽電池相比，非晶硅太陽電池更接近這一理想的目標(biāo)。非晶硅大陽電池目前雖 不能與常規(guī)電力競爭，但在許多特別的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢，比如說，依托于建筑物的屋頂電站，由于它不占地亂免除占地的開支，發(fā)電成本較低。作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲能裝備，太陽電池在發(fā)電成本中有最大比重，太陽電池低成本就會帶來電力低成本。 技求進(jìn)一步發(fā)展的方向 非晶硅太陽電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價(jià)的其它薄膜太陽電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應(yīng)努力開拓市場，將現(xiàn)有技術(shù) 檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應(yīng)用外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)它對晶體硅電池在成本價(jià)格上的優(yōu)勢和對其它薄膜太陽電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢，在克服自身弱點(diǎn)上下功夫。進(jìn)一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下： （ 1）加強(qiáng) aSi 基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達(dá)到基本上消除薄膜硅太陽電池性能的光致衰退。 （ 2）加強(qiáng)晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來的薄膜硅太陽電池產(chǎn)品既具備 a 一 Si 薄膜太陽電池低成本的優(yōu)勢，又具備晶體硅太陽電池長壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢。 （ 3）加強(qiáng)帶有 aSi 合金薄膜成分或 者具有 aSi 廉價(jià)特色的混合疊層電他的研究，把 aSi 太陽電池的優(yōu)點(diǎn)與其它太陽電池的優(yōu)點(diǎn)嫁接起來。 （ 4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的太陽電池產(chǎn)業(yè)化和市場商品化。 世界光伏產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展趨勢 世界各國都對太陽能光伏發(fā)電給予大力支持。 2021 年全世界太陽能電池的產(chǎn)量為 兆瓦，比 2021 年增長 %，其中日本的產(chǎn)量達(dá)到 兆瓦，比 2021 年 618 兆瓦增長 %，是全世界第一 大生產(chǎn)國，占全世界 %；歐洲太陽能電池的生產(chǎn)量為 兆瓦 , 比 2021 年 308 兆瓦增長 %；美國太陽能電池的生產(chǎn)量為 兆瓦 , 比 2021 年 139 兆瓦增長 %；其他國家地 .10. 區(qū)太陽能電池的生產(chǎn)量為 兆瓦 , 比 2021 年 兆瓦增長 151%，大幅增長，中國、臺灣增長很快。 2021 年，世界光伏市場安裝量 1460MW，比 2021 年增長 34％，其中德國安裝最多，為 837MW，比 2021 年增長 53％，占世界總安裝量的 57％；歐洲為 920MW，占總世界安裝量的 63％，日本安裝量 292MW，增幅為 14％，占世界總安裝量的20％；美國安裝量為 102MW，占世界總安裝量的 7％，其他安裝量為 146MW，占世界總安裝量的 10％。 至 2021 年，全世界光伏系統(tǒng)累計(jì)安裝量已超過 5GW， 2021 年一年內(nèi)投資太陽能電池制造業(yè)的資金超過 10 億美元。根據(jù)光伏市場需求預(yù)測，到 2021 年，全世界光伏市場年安裝量將在 到 之間，而光伏工業(yè)年收入將達(dá)到186 億 美元到 231 億美元。 日本和歐美各國都提出了各自的中長期 PV 發(fā)展路線圖。 按日本的 PV 路線圖（ TV Roadmap 2030），到 2030 年 PV 電力將達(dá)到居民電力消耗的 50％（累計(jì)安裝容量約為 100GW），具體的發(fā)展目標(biāo)見表 和表 。表 到 2030 年的日本 PV 研發(fā)目標(biāo) 項(xiàng)目 現(xiàn)狀 20212030 年目標(biāo) PV 組件生產(chǎn)成本 140 日元 /W 100 日元 /W (2021 年 ) 75 日元 /W（ 2020 年） 50 日元 /W（ 2030 年） PV 組件的壽命 20 年 30 年（ 2020 年） Si 原料的消耗 1013g/W 1g/W（ 2030 年） 變換器（功率單元） 日元 /W 日元 /W（ 2020 年） 蓄電池 日元 /W 10 日元 /W，壽命 20 年（ 2020 年） 表 到 2030 年的日本 PV 組件 /電池的轉(zhuǎn)換效率目標(biāo) 太陽能電池類型 現(xiàn)狀效率（ %） 目標(biāo)轉(zhuǎn)換效率（實(shí)驗(yàn)室效率）（ %） 2021 年 2020 年 2030 年 晶體硅電池 （ ） 16（ 20） 19（ 25） 22（ 25） 薄膜電池 10（ ） 12（ 15） 14（ 18） 18（ 20） CIS 電池 1012（ ） 13（ 19） 18（ 25） 22（ 25） IIIV 電池 聚光（ ） 28（ 40） 35（ 45） 40（ 50） 染料敏化電池 （ ） 6（ 10） 10（ 15） 15（ 18） 非晶硅系列太陽能電池發(fā)展迅猛 目前，晶體硅太陽能電池因較高的轉(zhuǎn)化效率和成熟的生產(chǎn)工藝是太陽能電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的主要方向，而化合物薄膜等新技術(shù)太陽能電池雖然具有相對較低的成本，但生產(chǎn)工藝還不成熟，且目前商業(yè)化的薄膜型太陽光電模塊效率相比主流的結(jié)晶硅型效率 (15～ 17%)仍然較低，一般多在 10%以下。以 2021 年數(shù)據(jù)分析，各種太陽能電池中晶體硅平板太陽能電 池占總產(chǎn)量的 ％，非晶硅電池產(chǎn)量占 ％，其他為薄膜或帶硅太陽能電池。 現(xiàn)在，一個(gè)世界性的問題是制造太陽能的電池的硅原材料緊缺，盡管 2021年全世界硅原材料供應(yīng)增長了 12％，但仍然供不應(yīng)求，國際上長期供貨合同抬價(jià) 25％。持續(xù)的硅材料緊缺將對 2021 年太陽能電池生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響，預(yù)計(jì) .11. 2021 年世界太陽能電池產(chǎn)量的增幅將被限制在 10％左右。要解決硅材料的緊缺問題預(yù)計(jì)將需要 5 年以上的時(shí)間。由于硅材的供不應(yīng)求，預(yù)期將限制 2021 年硅基太陽電池產(chǎn)業(yè)的成長速度，然而這恰好也為第二代太陽電池技術(shù) ，薄膜太陽電池等非晶硅系產(chǎn)品提供了良好的發(fā)揮舞臺。 非晶硅材料轉(zhuǎn)換效率約 6～ 8% 在八十年代，非晶硅是當(dāng)時(shí)唯一的薄膜型太陽電池材料，但由于它的光電轉(zhuǎn)換效率較低且具有光劣化的不穩(wěn)定性，因此早期始終無法打入主流的發(fā)電用市場，而多應(yīng)用于小功率的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場。但近年隨著兩層或多層接合太陽電池（ Multijunction Cell）技術(shù)的發(fā)展，使得單層厚度可以降低而減緩照光后衰退的現(xiàn)象，且可吸收不同波段的太陽光譜，因此光電轉(zhuǎn)換效率獲得提升。預(yù)計(jì)短期內(nèi)市面上的非晶硅太陽電池模塊效率約為 6～ 8%，并很快 就可見到裝置容量 達(dá)數(shù)百萬瓦級的非晶硅太陽光電板設(shè)施。目前主要非晶硅太陽電池廠商包括：Kaneka、 United Solar、三洋（ Sanyo）、富士電機(jī)（ Fuji Electric）、 BP Solar。 薄膜硅原料需求低且發(fā)電效率高 薄膜硅太陽電池是一種不同于非晶硅及單晶硅基材的硅基太陽電池，其電池厚度僅約數(shù)個(gè)微米或更薄，介于非晶硅模塊的 300nm，與結(jié)晶硅太陽電池 200nm 之間。小粒徑的多晶硅（晶粒約數(shù)百 nm，僅含有晶粒及晶界）及納米結(jié)晶硅（ Nanocrystalline Silicon）或 微晶硅（ μc Si，晶粒約 20～ 30nm，是一種含有非晶組織及晶粒、晶界的混合結(jié)構(gòu)）薄膜是常見的薄膜硅結(jié)構(gòu)，有機(jī)會取代非晶硅合金（如 aSiGe）作為多層接合太陽電池的底層，如夏普（ Sharp）、 Kaneka、佳能（ Canon）等皆積極往微晶硅方向發(fā)展。 aSi/μc Si 疊層（ Tandem）型太陽電池可提供更穩(wěn)定及增加光譜吸收度，轉(zhuǎn)換效率可較非晶硅單層組件大幅提升，效率達(dá) 10%以上。薄膜硅原料需求只有約為硅芯片型的百分之一，且具有高吸收光特性，通常無光劣化現(xiàn)象，故每瓦發(fā)電量較高，對消費(fèi)者而言能源回收期可縮 短。因此，薄膜硅太陽電池技術(shù)的未來發(fā)展?jié)摿︻H被太陽