- 柔性非晶硅薄膜太陽能電池技術(shù)的探討
- 認(rèn)識柔性襯底薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)特點
- 解決柔性襯底薄膜太陽電池的制備方法
一柔性襯底薄膜太陽電池的特點
在過去的幾十年中，人類經(jīng)濟(jì)活動的持續(xù)高速發(fā)展使得電力需求迅速增加。太陽電池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽能能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，很容易實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電或作為獨立能源。眾所周知，太陽電池發(fā)電具有許多優(yōu)點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，不受無需消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護(hù)方便、可以無人值守、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點都是常規(guī)發(fā)電所不及的。
目前，太陽電池發(fā)電在航天、通訊及微電子領(lǐng)域已占據(jù)了不可替代的位置，但在社會整體能源結(jié)構(gòu)中所占比例很小，主要原因是太陽電池成本較高，要使其真正成為能源體系的組成部分，必須大幅度降低成本。薄膜太陽電池在降低成本方面比晶體硅(單晶或多晶)太陽電池具有更大的優(yōu)勢，一是實現(xiàn)薄膜化后，可極大地節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料；二是薄膜電池的材料制備和電池同時形成，因此節(jié)省了許多工序；三是薄膜太陽電池采用低溫工藝技術(shù)，不僅有利于節(jié)能降耗，而且便于采用廉價襯底(玻璃、不銹鋼等)。為此,自上世紀(jì)70年代以來，世界各國紛紛投入巨資，制定規(guī)劃，組織隊伍，掀起對薄膜太陽電池的研究熱潮，三十幾年來在研究和開發(fā)應(yīng)用方面均取得了長足的進(jìn)步。
薄膜太陽電池主要涉及非晶硅(a-Si：H)、銅銦鎵硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光伏電池和集成組件，在本文中主要討論的是目前商業(yè)化最成熟的非晶硅太陽電池。薄膜太陽電池按襯底分為硬襯底和柔性襯底兩大類。所謂柔性襯底太陽電池是指在柔性材料(如不銹鋼、聚酯膜)上制作的電池，與平板式晶體硅、玻璃襯底的非晶硅等硬襯底電池相比，其最大的特點是重量輕、可折疊和不易破碎。以美國Uni-Solar公司采用不銹鋼作襯底為例，不銹鋼的厚度僅為127um，且具有極好的柔軟性，可以任意卷曲、裁剪、粘貼，既使彎成很小的半徑，作數(shù)百次卷曲，電池性能也不會發(fā)生變化。而以高分子聚合物聚酰亞胺為柔性襯底制備的非晶硅太陽電池，器件總厚度約100um左右(含封裝層)，功率重量比可達(dá)到500W/Kg以上，比不銹鋼襯底非晶硅電池高出近十倍，是世界上最輕的太陽電池。從制備工藝上看，由于此結(jié)構(gòu)電池采用卷對卷(roll to roll)工藝制造，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)，降低成本的潛力很大，具有很強的競爭力。
柔性襯底太陽電池能被安置在流線型汽車的頂部、帆船、賽艇、摩托艇的船艙等不平整表面、房屋等建筑物的樓頂與外墻面。另外由于柔性薄膜電池具有較高的質(zhì)量比功率(500W/kg)，同時具有可彎曲性，非常適用于對地觀測的平流層飛艇表面，軍事上的利用前景光明。
近年來，國外推行的光伏與建筑相結(jié)合(BIPV)，極大地推動了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。在城鎮(zhèn)建筑物上安裝的光伏系統(tǒng)，通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力；光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大，光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多時期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用；光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。
BIPV的開發(fā)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的一大研究熱點，西方發(fā)達(dá)國家都在作為重點項目積極進(jìn)行。除了在屋頂安裝光伏電池板外，已推出了把光伏電池裝在瓦片內(nèi)的產(chǎn)品。此外，國外還在研究光伏墻結(jié)構(gòu)(PV WALL)，將光伏系統(tǒng)和建筑物外墻相結(jié)合?？梢灶A(yù)計，光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力，柔性襯底薄膜電池?zé)o疑將在其中扮演重要角色。
二柔性襯底薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)
柔性襯底太陽電池可采用單結(jié)或多結(jié)結(jié)構(gòu)。單結(jié)結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性差、效率低已較少采用，而穩(wěn)定性好、效率高的多結(jié)、疊層太陽電池是柔性襯底太陽電池的發(fā)展方向，目前多采用三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)。三結(jié)太陽電池中，每一個電池都是由三個半導(dǎo)體結(jié)相互疊加而成：底電池吸收紅光；中間電池吸收綠光；頂電池吸收藍(lán)光；對陽光光譜的寬范圍響應(yīng)是提高電池效率的關(guān)鍵。美國Uni-Solar公司的不銹鋼襯底、三結(jié)非晶硅鍺太陽電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，其小面積電池效率目前達(dá)到14.6%。
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三柔性襯底薄膜太陽電池的國內(nèi)外現(xiàn)狀
當(dāng)前商業(yè)化非晶硅電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)分別為4%~5%，6%~7%，7%~8%。世界上從事柔性襯底薄膜太陽能電池的研制生產(chǎn)的主要單位是美國的聯(lián)合太陽能公司(United Solar)，歐洲的VHF-technologies公司，和日本的Sharp公司，Sanyo公司。
美國光伏計劃的重點是"Thin Film Partnership Program"，著重研究廉價高效薄膜太陽電池，預(yù)計到2020年左右，光伏發(fā)電的成本可望同燃油發(fā)電相競爭(相當(dāng)于電池效率15%，每平方米成本≤50美元)。
美國United Solar Systems公司是Energy Conversion Devices,Inc.(ECD)和N.V.Bekaert S.A(BESS Europe)合資經(jīng)營，2003年建立了一條同時沉積6卷不銹鋼卷帶三結(jié)疊層非晶硅電池生產(chǎn)線，年產(chǎn)30MW，初始效率和穩(wěn)定效率分別達(dá)到14.6%和12.6%。2006年為50MW，2007年達(dá)100MW，2010年的目標(biāo)是300MW。
美國Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽電池領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，其單結(jié)非晶硅鍺電池實驗室初始效率達(dá)到了13%，他們的技術(shù)團(tuán)隊參與組建了MWOE和Xunlight公司，并在積極籌劃更大的產(chǎn)能。
日本在柔性襯底太陽電池的研究方面也走在世界前列。在日本，Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力從事柔性襯底非晶硅太陽電池的研制，已經(jīng)建成了多條兆瓦量級的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。Sanyo公司最早在無人駕駛的太陽能飛機上采用了柔性襯底非晶太陽電池作為能源，完成了橫跨美洲大陸的飛行，顯示了柔性非晶薄膜太陽電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制備的非晶硅太陽電池目前已能生產(chǎn)面積為286cm2的組件，效率已達(dá)8.1%，小面積電池的效率已達(dá)11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩(wěn)定效率達(dá)到9%，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶硅電池的產(chǎn)量2006年達(dá)15MW。
歐盟則聯(lián)合其成員國的多個研究機構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動了"FLEXCELLENCE"項目，為期3年，目標(biāo)是開發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對卷生產(chǎn)的設(shè)備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產(chǎn)線，并希望將生產(chǎn)成本控制在每瓦0.5歐元。據(jù)2007年的報道，目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實驗室效率達(dá)到10.8%，VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。
我國的柔性襯底薄膜電池的研究進(jìn)展較慢。哈爾濱Chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結(jié)薄膜電池，電池初始效率為4.63%，功率重量比為231.5W/kg，但此后進(jìn)展不大。近年來南開大學(xué)在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進(jìn)展，他們在0.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結(jié)薄膜電池的初始效率為4.84%，功率重量比為341W/kg。
柔性襯底電池的產(chǎn)業(yè)化方面，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，30MW生產(chǎn)線已經(jīng)開始了項目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，未來準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國外進(jìn)口，預(yù)計電池成本偏高。總的來說，國內(nèi)目前具備了非晶硅薄膜電池研制的技術(shù)基礎(chǔ)，但是在柔性襯底上的研究還處于剛剛起步的階段，和國外的差距較大。
四柔性襯底薄膜太陽電池的制備
下面以美國Uni-Solar公司的不銹鋼柔性襯底三結(jié)非晶硅太陽電池為例簡單介紹卷對卷(roll to roll)生產(chǎn)過程。
將成卷不銹鋼帶(帶磁性)裝入專用清洗機中，采用卷對卷方式進(jìn)行鋼帶傳送，對鋼帶兩個表面同時進(jìn)行清洗、干燥。首先磁控濺射沉積金屬和金屬氧化層，以增強襯底的反射率。然后采用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積非晶硅層，以形成疊層太陽電池結(jié)構(gòu)，這是整個制造過程中最關(guān)鍵的工藝步驟。對于三結(jié)非晶硅太陽電池來說，需要在已經(jīng)做好的背反射器的表面連續(xù)沉積9層硅基薄膜，包括3個P-I-N結(jié)子電池，各分離的反應(yīng)室之間需要設(shè)計獨特的氣氛隔離室以防止相鄰反應(yīng)室間的氣體交叉污染。硅基薄膜沉積完成之后，需在電池頂部沉積銦錫氧化物(ITO)，即透明導(dǎo)電氧化層作為入射光的減反射層。然后需要在光入射一面布置柵線，并根據(jù)最后電池的尺寸和形狀，進(jìn)行切割、電極接合、電池切割和電池互聯(lián)，從而構(gòu)成具有一定參數(shù)的電池組件。該生產(chǎn)線的年產(chǎn)量為30MW，造價為6000萬美元，90米長，3米高，以厚度127μm的不銹鋼(長2.6km，寬36cm)為襯底
采用roll to roll技術(shù)來制備大面積柔性襯底非晶硅太陽電池，有以下關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決：非晶硅薄膜的高速沉積；大面積薄膜生長時的均勻性；各反應(yīng)室間氣體隔離裝置的開發(fā)；實時監(jiān)控與診斷等等。整個roll to roll生產(chǎn)線的開發(fā)是一個國家綜合工業(yè)實力和基礎(chǔ)的體現(xiàn)。
五總結(jié)
柔性襯底薄膜太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)制備是國內(nèi)急需解決的關(guān)鍵問題，但我國在這一領(lǐng)域和國外先進(jìn)水平差距很大。本文中就是對其現(xiàn)狀，制備工藝和技術(shù)路線作了調(diào)研和分析。相信能給讀者帶來學(xué)習(xí)查閱的作用。
