薄膜太阳能电池需突破工艺材料瓶颈

中国科学院上海微系统与信息技术研究所新能源技术中心 孟凡英

环境与能源问题一直是受国际关注的热点问题，人类对可持续能源的需求变得十分迫切，中国政府在“十二五”规划中对新能源提出了具体的发展目标。在新能源领域，太阳能光伏发电占据了重要的位置。
光伏产业发展迅猛，光伏产品应用具有多样性，这些为薄膜太阳能电池提供了发展机遇，但薄膜太阳能电池仍面临着很大的挑战:对于一些化合物材料的物理科学问题缺少充分的理解，工艺技术有待创新改进，还需要新材料和新结构来替代贵材料和毒材料,尤其是化合物薄膜电池，关键精密设备与工艺的集成度有待深入研究开发。

美国Global solar公司制备的柔性CIGS光伏组件

薄膜太阳能电池产量创下新纪录

近些年太阳能光伏发电技术发展迅猛，过去10年间世界光伏电池和组件的产量年增幅大于35%%。根据Solarbuzz最新年度光伏市场报告，2010年全球光伏市场安装量达到18.2GW，比2009年增加139%%。从产值看，2010年光伏产业全球营收达到820亿美元，与2009年相比增幅达105%%。2010年全球前5大光伏市场国家为德国、意大利、捷克、日本和美国，这5个国家占据全球安装量的80%%，日本和美国的光伏市场增长速度很快，年增长分别达到101%%和96%%。
总体而言，2010年世界上有100多个国家为光伏产业的迅速增长做出了贡献。另外，从产量看，2010年全球太阳能电池产量达到20.5GW，中国大陆和中国台湾的电池产量占全球总产量的59%%。从厂商出货量看，尚德电力和晶澳太阳能并列第一，紧随其后的是美国第一太阳能。其中薄膜太阳能电池占全球太阳能电池总产量的13.5%%，这也是光伏市场薄膜电池产量的新纪录。
目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有CdTe薄膜电池、硅基薄膜电池和CIGS薄膜电池。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性(即玻璃衬底)电池和柔性(不锈钢或聚酯膜衬底)电池。其中柔性电池的优点是可折叠、重量轻、不易碎。与常规的晶体硅太阳能电池相比，这些薄膜电池使用材料很少，构成太阳能电池的薄膜材料厚度不超过5微米，而晶体硅电池厚度约180微米～200微米。各种材料薄膜太阳能电池以其特有的优势和逐渐成熟的工艺技术占有了光伏市场的一席之地，而且成长速度非常快。

工艺、材料是规模化生产最大瓶颈

薄膜太阳能电池因为廉价的衬底材料(如玻璃、不锈钢、聚酯膜)，有柔性，材料禁带宽度可调控，组件温度系数低等优点很受瞩目，在光伏市场的应用规模逐渐扩大，2010年已经占13%%以上的市场份额。各种薄膜电池都有一些瓶颈问题尚未解决。
目前硅基薄膜太阳能电池，无论单结、双结还是三结电池，制造工艺都是采用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟气体。荷兰科学家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上发表文章称，这种含氟气体对环境造成的温室效应比CO2高17200～22800倍。太阳能光伏发电一直以来被认为是绿电，那么在制造环节中也应该采用绿工艺。对于硅基薄膜电池厂商来说，有寻找新的清洗气体替代当前的氟化物的方案，降低温室气体排放。另一种方案是尽快提高电池的转换效率，当稳定效率达到12%%～16%%，才有可能补偿排放的温室气体对环境的影响。此外由于硅薄膜组件效率低(5%%～7%%)，在光伏系统应用中单位发电功率占地面积几乎是晶体硅组件(效率为13%%～15%%)的2倍，相应地，BOS的成本也要增加，可见提高硅基薄膜组件的光电转换效率是赢得市场的重要条件。
最近几年，更多的人开始关注CIGS薄膜太阳能电池，量产化成功的案例是日本的SolarFrontier(前身是Showa Shell)，技术和设备是自主开发的。其CIGS薄膜的技术路线是溅射加后硒化处理，核心就是后硒化处理。由于硒化过程采用有毒气体，硒化设备的设计非常重要，而市场上没有专业的硒化设备供应商。此外采用蒸发技术制备CIGS薄膜遇到的问题是如何做到大面积薄膜的均匀性和可靠性，包括薄膜的微结构、光学、电学和厚度等的均匀性和可靠性。除了上述技术上的难题，原材料In也是人们议论的焦点之一。In是贵金属，地球上材料丰度小，可能会限制这类电池的大规模生产。这就对新材料的开发提出了高的要求。PV-tech.com网站2011年5月报导瑞士科学家在柔性塑料衬底上制备出18.7%%转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。上图给出了美国Global Solar公司的产品示意图。柔性电池产业化道路上的主要障碍是如何在低温条件下制备性能优良的薄膜。
美国第一太阳能对CdTe薄膜电池技术严密封锁，其他欲进入该领域的企业在量产化过程中困难重重。
目前中国的薄膜电池企业大部分在硅基薄膜领域，也有一些企业开始进入CIGS和CdTe薄膜电池领域。这些企业比较普遍的做法是关键设备和原材料从国外进口，由于缺少核心技术，遇到的问题是整条生产线各种设备的兼容性不理想，设备与工艺的集成度不高，导致产品良品率低，成本难以下降，市场竞争力弱。

三类薄膜电池齐头并进各有千秋

当前普通晶体硅太阳能电池光电转换效率约为16%%～18%%，实验室最高效率是25%%(面积4cm2)。双结硅基薄膜太阳能电池的实验室最高效率为11.9%%(1.227cm2)，产品效率8%%～9%%；CIGS电池和CdTe电池的实验室最高效率分别为20.1%%(面积0.503mm2)和16.7%%(面积1.032cm2)，这两种化合物电池产品效率分别为7%%～11%%和8%%～11%%。
我们知道太阳能电池在应用时都要封装成组件。当晶体硅电池封装成光伏组件后，由于受封装材料(如玻璃、EVA等)限制，有光学损失和电学损失，组件的光电转换效率还要降低1～3个百分点左右。而薄膜电池因其工艺的集成度高，从电池到组件几乎是同步完成的，转换效率几乎没有损失。可见高品质的薄膜光伏组件可以达到晶体硅光伏组件的性能。晶体硅电池中硅材料占总成本的30%%～50%%，电池成本严重受限于产业链上游材料的质量和数量。相较而言薄膜电池因使用原材料少、工艺集成度高、成本低、柔性可弯曲等特点有独特的发展空间。

硅基薄膜太阳能电池

商品化硅基薄膜太阳能电池有单结、双结和三结结构，光电转换效率分别为5%%～6%%、6%%～8%%、7%%～10%%，主要生产单位有美国的United Solar System公司，欧洲的VHF-technologies公司，日本的Kaneka、Sharp、Sanyo、三菱等公司，中国的有天威薄膜、新奥、普乐新能源、南通强生、常州畅源、泉州金太阳、深圳拓日、天津津能、浙江正泰、合肥荣事达等。
硅基薄膜电池的制备工艺主要是化学气相沉积技术，分为射频等离子体增强的化学气相沉积、甚高频等离子体增强的化学气相沉积、热丝化学气相沉积、热丝催化等离子体化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、脉冲等离子体化学气相沉积等多种，电池生产工艺分为单室多片、多室单片和连续卷对卷技术。设备供应商主要有Oerlikon、Applied Material、Ulvac、Evatech、Leyhold optics、EPV、Energosolar、BudaSolar、Nano PV、华基光电、北仪创新、普乐新能源、思博露科技。这意味着硅基薄膜太阳能电池从设备到工艺技术已经相对成熟。硅基薄膜电池发展遇到的难题是在低成本的前提下如何提高光电转换效率到15%%，这样才会有较强的市场竞争力。

CIGS薄膜太阳能电池

在薄膜类太阳能电池中CIGS电池具有最高的实验室光电转换效率，2010年德国Stuttgart的ZSW研制了效率为20.3%%的单结电池，这是新的世界记录，为CIGS薄膜电池的产业化发展增强了信心。因为CIGS多晶薄膜禁带宽度在1.06eV～1.63eV范围内可调控，而且材料的吸收系数高，是非常理想的太阳能电池材料。这类电池的衬底材料可以选择玻璃、不锈钢或者聚酯膜，都是廉价材料。商品化CIGS电池的转换效率在7%%～11%%，日本的Solarfrontier是目前国际上规模最大的CIGS电池制造商，产能达900MW。还有Honda Motor Company，德国的Wurth Solar、Shell Solar、Solarin等，美国的Global Solar、Daystar Technologies、Nanosolar、Miasole等，中国主要有山东孚日、苏州高赛等。
CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺有真空技术和非真空技术，真空工艺主要有溅射和蒸发。对于溅射方法制备的CIGS薄膜需要后硒化处理改善薄膜的性能。非真空技术可以大大降低电池的制造成本，但电池的性能和效率低下。市场上CIGS光伏产品基本是真空工艺完成的，这样可以保证较高的转换效率和稳定性。与硅基薄膜电池不同，CIGS电池专业的设备供应商还很少，而且到目前为止还没有成功量产化的案例，这需要生产者的团队具备较强的工艺技术实力，以及设备开发与整合能力。日本Solarfrontier公司的设备和工艺都是自主开发的，设备是不在市场销售的。其他各家也基本如此。中国企业基本是花大价钱购买国外设备，但设备不代表工艺技术，也就意味着不一定能成功量产。

CdTe薄膜太阳能电池

在光伏电池制造领域，提高光电转换效率和降低生产成本是永远的主题。随着先进制造装备、革新材料、新器件结构的不断出现，电池的效率在迅速提升，成本也在急速下降。美国的第一太阳能(First Solar)已经成了这个行业的领跑者，该公司2009年是世界上最大的太阳能电池制造商，2010年产量达到1.1GW。这类电池的吸收层即CdTe薄膜的性能至关重要，其制备方法有近空间升华法、电沉积法、PVD、CVD、丝网印刷、溅射等，规模化生产应用比较成熟的技术是近空间升华法。当然因为这种电池所用的关键材料为Te和Cd而备受业界质疑。Te的储量有限，Cd是剧毒材料，二者形成化合物CdTe后是无毒的。这类电池的生产企业主要有美国的First Solar、BPsolar、EPIR Tecieshnolog，德国的Antech公司、Siemens，日本的matsushita battery，中国四川的阿波罗、杭州的先进太阳能公司等。由于制造技术主要集中在美国和德国，市场上没有专业的设备供应商，限制了其全球范围的大规模生产。可见如果没有自主开发的核心技术，短时间内是很难成功实现CdTe薄膜电池的规模化生产。不过，我们可以从美国第一太阳能公司的发展历程中学到些东西。
美国第一太阳能公司成立于1987年，最初生产非晶硅薄膜电池，1990年开始转移到CdTe电池，1992年制造出了第一个120cm×60cm的光伏组件，随后发布建立10MW的生产线，2004年年底产能达到了25MW。其最早供应到市场的组件效率在6.2%%～6.9%%，面积约0.72m2。研究其发展历程不难发现，其产品良品率在逐年上升，从2003年的70%%到2007年的90%%，预计到2015年将提升到95%%。同时，随着技术的进步，其每条生产线的产能已增加到60MW，效率提高到了11%%，成本降低到了0.7美元/W左右。预计到2013年产能将达到69MW/line，CdTe薄膜厚度减薄到1.8微米，效率达到11.7%%，制造成本锐减到0.66美元/W，稀有元素Te的用量从2007年的260吨/GW将下降到120吨/GW。在2011年5月欧洲大型光伏展览中，第一太阳能宣布随着在德国新工厂的建立，其产能达到里程碑式的4GW。

（责任编辑：落雪）