【正文】 要 5 年以上的時間。 現(xiàn)在，一個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 25％。表 到 2030 年的日本 PV 研發(fā)目標 項目 現(xiàn)狀 20212030 年目標 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 太陽能電池類型 現(xiàn)狀效率（ %） 目標轉(zhuǎn)換效率（實驗室效率）（ %） 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。 日本和歐美各國都提出了各自的中長期 PV 發(fā)展路線圖。 至 2021 年，全世界光伏系統(tǒng)累計安裝量已超過 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。 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。 （ 4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時機地進行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實現(xiàn)更大規(guī)模的太陽電池產(chǎn)業(yè)化和市場商品化。 （ 2）加強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。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)進一步發(fā)揚它對晶體硅電池在成本價格上的優(yōu)勢和對其它薄膜太陽電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢，在克服自身弱點上下功夫。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。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。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負荷正常運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達 美元／峰 .9. 瓦左右。處于高校術(shù)檔次的約占一半。 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。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)。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。 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。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。因此，人們一方面運用這一方法實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。它的主要優(yōu)點是：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。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。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。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。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。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。 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。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。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)品組件效率達到 6％ 8％；中試組件（面積 900cm2 左右）效率達 9％ 11％；小面積 電池最高效率達 ％。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)流程實現(xiàn)全自動。人們一方 面加強了探索和研究，一方面準備在更高技術(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。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。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、計算器電池等。（ 3）品種多，用途 廣。 C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短）（ 2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。m，昂貴的純硅材料用量很少。硅薄膜厚度不到 1amp。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。在80 年代中期，世界上太陽電他的總銷售量中非晶硅占有 40％，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢。 CHRONAR 公司是 aSi 太陽電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國家輸出了 6 條 MW 級生產(chǎn)線。世界上出現(xiàn)了許多以 aSi太陽電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。 歷程 非晶硅太陽電池的誕生 理論上的突破 1957 年斯皮爾成功地測量了 a 一 Se 材料的漂移遷移率； 1958 年美國的安德松第一次在論文中提出，無定形體系中存在電子局域化效應(yīng)： 1960 年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾提出了對非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的論點，即決定固體的基本電 子特性是屬于金屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)， .6. 即最近鄰的原子配位情況，同年美國人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無定形半導(dǎo)體材料具有電子開關(guān)存儲作用。 另外，光伏組件模塊化的特性使得無論是小規(guī)模還是大規(guī)模的系統(tǒng)都能夠安裝在任何地方，并且可以隨著需求后續(xù)可以增加系統(tǒng)的容量。國際能源協(xié)會的光伏發(fā)電系統(tǒng)項目包含發(fā)展中國家計劃，并已經(jīng)開始運作，光伏發(fā)電由于可靠性高、壽命長、以及維護費用低而顯得非常吸引人。 發(fā)展中國家的光伏發(fā)電 盡管有一些小的電池供電電器在某些地區(qū)使用，消費者必須到電池充電中心 進行充電，發(fā)展中國家仍有將近 40%的人無法得到電力供應(yīng)。由于光伏太陽能板占人造衛(wèi)星總重量的 10%20%，占總成本的 10%30%，所以太陽能電池的重量及成本的降低成為下一代空間用太陽能電池的研究方向。正如預(yù)期的，由于空間應(yīng)用對可靠性的高要求，應(yīng)用于空間技術(shù)上的產(chǎn)品都執(zhí)行很高的標準以及非常嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量控制。 空間應(yīng)用 在應(yīng)用的早期，由于光伏系統(tǒng)的成本高，它僅僅應(yīng)用于空間領(lǐng)域。光伏系統(tǒng)的這些優(yōu)點，結(jié)合它的簡潔的工 作方式，使之成為適用于很多獨立特殊應(yīng)用的能源，前景尤為誘人。美國 聯(lián) 合 太陽能 公 司 （ VSSC） 制得 的 單 結(jié) 太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效 率 為%，三 帶 隙 三 疊 層電池最高轉(zhuǎn)換效 率 為 13％。 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 。 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 。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 。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 。目前 實驗室 效 率 己 達 15％，但生產(chǎn)中電池 組 件的 穩(wěn)定 效 率 僅為 %～ ％。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 。 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 。 .4. 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。 （ 4） 售 價低 。 （ 3）發(fā)電量 多 。每 平 方 米 非 晶硅 電池的生產(chǎn)能 耗 僅為 l00kW ⑤ 電池的 單 片 面 積 可大到~， 組 裝方 便 ， 易 于 實現(xiàn) 大規(guī)模生產(chǎn)。 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 。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 1μ m 左右 ，約為 晶 體 硅 電池的 1/300，可 節(jié) 省 大量 硅 材 料。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)。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。 非 晶硅 材料 由 氣相沉 積法 形成的。 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。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 。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。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 。當入射光通過 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 。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 。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。 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)。 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。 液 相外 延 （ LP