太阳能的利用—薄膜太阳电池

效率; 采用分室连续沉积技术, 以消除反应气体的交叉污染, 提高电池的性能. 上述技术的采用使非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率从2%提高到13.7%.

　　随着非晶硅太阳电池光电转换效率的提高, 其产业化进程也取得令人瞩目的进展. 由于非晶硅材料优越的短波响应特性, 使其在计算器、手表等荧光灯下工作的微功耗电子产品中占据很大优势, 不仅在80年代的10年中取得了数十亿美元的利润, 而且至今仍具有很大的消费市场。从计算器、手表等弱光应用到各种消费品甚至功率方面的应用, 如收音机、太阳帽、庭院灯、微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵及小型独立电源等应用领域不断扩大, 产量迅速上升. 世界上出现了若干MW级的生产线和许多非晶硅薄膜太阳电池的企业. 到80年代中, 整个非晶硅薄膜太阳电池的年销售量增长很快, 形成了非晶硅薄膜、多晶硅和单晶硅的三分天下的局面.

　　2．2 发展中出现的问题和应对措施

　　尽管非晶硅薄膜太阳电池具有上述诸多优点, 然而在发展中也显现出一些明显的问题. 主要是电池的光电转换效率在强光作用下呈逐渐衰退的态势, 这一问题是阻碍非晶硅薄膜太阳电池进一步发展的主要障碍. 初期产品的光电转换效率本来就低(仅4-5%), 再加上30%左右的衰退率, 使非晶硅薄膜太阳电池的低成本的优势被较低的效率所抵消. 这样就造成了非晶硅薄膜太阳电池的产量从80年代末到90年代初期间处在停滞不前的徘徊阶段. 对此学术界自90年代起围绕如何提高非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率稳定性的问题, 从材料、器件结构等多个层面进行研究. 特别针对光电转换效率在强光作用下衰退的机理进行了不懈的探索, 初步结论是本征非晶硅材料的S-W效应. 为了揭示S-W效应的起因, 在理论上人们提出了各种微观模型: 如Si-Si 弱键模型; 电荷转移模型; 再杂化双位模型; Si-H弱键模型以及桥键模型等.

　　为了减少材料中的氢的含量, 最成熟的技术是在沉积薄膜的过程中用氢气稀释反应气体法。由于这种方法，工艺简单易行，而且效果明显，因此是当前普遍采用的技术。研究表明，用氢气稀释法制备的本征非晶硅的太阳电池，其光电转换效率的衰退率从25%以上降到20%。

　　除上述通过改善非晶硅材料的S-W效应来提高电池的光电转换效率的稳定性以外, 人们还从电池结构上采取措施, 其中最重要的就是采用多带隙叠层电池结构, 即多个不同带隙的p-i-n结叠加的结构, 这样可减薄每个子电池的i层厚度, 使每个电池的内电场增强, 从而增加了每个子电池的载流子收集效率.

　　经过十几年的不断探索, 目前在提高非晶硅薄膜太阳电池的效率稳定性方面取得了很大的进步, 其光电转换效率的衰退率已达到小于15%. 光电转换效率本身也有明显的提高, 如小面积的已达到13%, 大面积的已超过10%, 组件的达到7.1%.

　　技术上的突破与进步带来了更大规模的发展, 如九十年代中期, 国际上先后建立了数条5-10MW的薄膜太阳电池组件生产线, 生产能力增加了25MW. 生产流程实现了全自动化, 组件面积为平方米量级, 采用新型封装技术, 产品组件寿命达到10年以上.

　　我国自70年代末开始研究非晶硅薄膜太阳电池, 到80年代末小面积电池效率达到11.2%, 大面积电池效率超过8%, 均达到国际先进水平. 然而在产业化方面落后于国外, 至今没有一条具有自主知识产权的非晶硅薄膜太阳电池生产线.

　　目前研究、开发和生产非晶硅基太阳电池的大企业主要是：

　　（1）日本的Kaneka公司。发展a-Si太阳电池有20多年历史，1999年达到规模生产，他们最先开发了在200℃沉积a-Si/μc-Si叠层电池结构，並申请了专利。这种a-Si/μc-Si叠层电池的成本（按40MWp/年来计算）, 只及c-Si太阳电池的一半。2002年其生产能力达25MWp/年，出口15MWp，2003年将增至40MWp. 他们生产的a-Si太阳电池组件效率为8%，並保证在20年内效率不会低于原来的80%。2005年生产的效率达12%，系统价格120万日元/3KWp；2006年生产的效率达13%，系统的价格为100万日元/3KWp。

　　（2）日本三菱重工。2002年投产a-Si太阳电池，产量达10MWp/年，单结太阳电池效率达8%（初始为10%，3-4月后稳定在8%），寿命可达20-25年。2005年他们利用μc-Si/a-Si 叠层电池结构改进效率达到12%。其组件面积3600cm2，有50-100V的高压，功率输出24-100Wp，100日元/Wp。

　　（3）日本三洋公司。75年开始研发a-Si，80年形成规模生产能力，生产用于计算器的a-Si太阳电池。目前他们的a-Si太阳电池组件生产能力为5MWp/年。

（4）美国的United Solar 公司。该公司是ECD公司和BESS Europc合资经营的。2001年销售3。8MWp不锈钢衬底的a-Si/a-SiGe/a-Si