薄膜太阳能电池的研究现状 与 分析

高敏苓，贾金平，宋文华,3，苑同锁

（1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海，200240；）

（2.中国耀华玻璃集团公司，河北省，秦皇岛，066013；）

（3.天津工业大学环境与化学工程学院，天津，300387）

光伏发电技术是未来能源体系的重要组成部分，高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基本原则。21世纪初之前，太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，硅基太阳能电池的研究和开发得到广泛的重视。但自2003年以来，晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格已经上涨了20多倍，从当初的20美元/公斤飞涨到470美元/公斤（2008年第一季度）。因此，业内人士自然而然的将目光转向硅原料消耗量只及晶体硅太阳能电池1%的非晶硅薄膜太阳能电池，从而非晶硅成为突破原料瓶颈的出路，太阳能电池薄膜化是降低成本的主要发展方向。

1 薄膜太阳能电池在国外的发展

1969年Chitick等人阐述了硅烷辉光放电方法制备的a-Si:H薄膜的半导体性质。随后，Spear和LeComber于1975年报道了a-Si:H薄膜的掺杂特性，获得了n型和p型的薄膜材料，1976年美国RCA公司的Carlson和Wronski宣告了a-Si:H薄膜太阳电池的诞生。此后，薄膜太阳能电池成为太阳能电池产业发展的方向之一。随着薄膜太阳能电池优势的凸现，非晶硅薄膜太阳能电池与化合物薄膜电池受到了业内越来越广泛的关注。现在，用非晶硅及其锗或碳的合金作为本征吸收层，用非晶硅或者微晶硅作为掺杂的层或层的双结或三结等多结a-Si:H薄膜太阳能电池相继研制成功。

美国的CHRONAR公司是非晶硅太阳能电池产业开发的先锋，不仅自己有生产线，还向其它国家输出了多条兆瓦级生产线，且他们还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站，最大的有100千瓦容量。美国Konarka也将在麻萨诸塞州建造有机薄膜太阳能电池厂，产能规模也是以1GWp布局，Konarka之前公布其有机薄膜太阳能电池耐久性测试，性能经1年未受削减，且封装材料是用市售廉价材料所制造柔性太阳能电池模块，成本上号称可与其它薄膜匹敌，预估产品转换率约3～7%。2008年7月，英特尔投资（Intel Capital）向半导体芯片和太阳能电池材料厂商美国Voltaix LLC投资1250万美元。

据英国《卫报》报道，硅谷的纳米太阳能公司（Nanosolar）应用纳米技术，研制出可“印”在铝箔上的超薄太阳能电池。这种电池具有弹性好，重量轻、价格便宜的特点。欧盟光伏技术平台发布的《太阳能技术战略研究议程》对欧洲现有薄膜太阳能电池技术的发展作了整体规划，涉及优先发展领域、发展前景和需求等方面。

2 薄膜太阳能电池在国内的发展

2.1 非晶硅薄膜太阳能电池的发展

非晶硅薄膜太阳能电池具有电池转化率高、成本低等特性，因而具有较大的市场潜力。而其转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。虽然如此，由于非晶硅是准直接带隙材料，可见光吸收系数比单晶硅大得多，制造所需能源、材料较少、成本较低，且具有制造工艺简单、易大量生产、可制成各种曲面形状等特点，特别是近期发展起来的柔性衬底非晶硅太阳电池具有高重量比功率、轻便、柔韧性强等优点，使其光伏建筑一体化、城市遥感用平流层气球平台、军用微小卫星等应用中极具优势。

目前，我国在天津已建成投产1条年产50MW柔性衬底非晶硅薄膜太阳能电池的示范生产线。这条生产线是国内生产规模最大、也是唯一可制造双结非晶硅太阳电池的生产线。2009年2月18日，福建钧石能源有限公司投资的非晶硅薄膜太阳能电池项目总金额额为9.5亿元人民币，规划建设6条生产线，年产非晶硅薄膜太阳能电池150MW，相当于一座30万人口城市的一年用电量。2009年4月15日，国内薄膜太阳能电池领军企业强生光电昨天在沪宣布，第五代大面积非晶硅薄膜电池率先在该公司投入批量生产。

2.2 合金薄膜太阳能电池的发展

CIGS薄膜太阳能电池的研究起始于20世纪80年代初。如1986年长春应用化学研究所用喷涂法制备了CIGS薄膜，1990年内蒙古大学采用双源法，研制了CdS/CulnSe2薄膜太阳能电池，效率为8.5%。南开大学研制开发的电池光电转换效率达14%，已接近世界先进水平。2007年开始进行5MW生产线的技术开发，将建设我国第一条铜锢硒薄膜太阳能电池中试线，使我国成为继德、美、日之后的第4个开展这种电池中试开发的国家，并将形成具备自有知识产权的铜锢硒薄膜太阳能电池产业一。

2.3 染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSC）

DSSC与传统电池相比，具有高效率、低成本和制作工艺简单的优势。据估算，DSSC的成本仅相当于硅电池板的1/5～1/10。但是在染料的选择和固态空穴传输材料等方面存在很多问题，目前实际能利用的染料敏化纳米晶太阳能电池的有效光电转换效率还很低，稳定性

也有待进一步的提高。到目前为止，最成功的和最具有代表性的染料敏化TiO2太阳能电池是Gr?tzel电池。

我国目前在染料敏化纳米晶太阳能电池的研究也取得了不少阶段性的成果。2004年10月，中国科学院等离子体物理研究所承担的大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池研究项目取得了重大突破性进展，建成了500W规模的小型示范电站，光电转换效率达到5%。2005年，中国科学院物理研究所孟庆波研究员和陈立泉院士等合作，研制的固态复合电解质纳米晶染料敏化太阳能电池效率达到了5.48%。

3 中国太阳能电池产业存在问题

太阳能发电的产业链条包括上游的多晶硅生产，中游的硅片切割和太阳能电池片生产，下游是太阳能电池组件生产。随着业内厂商对上游利润的逐渐摊薄预期，将会有越来越多的企业将目光投向中下游。上游厂商和风险投资将会加大硅片切割、太阳能电池片生产的资本投入，产业一体化的趋势有所加强。

另外，我国太阳能电池组件厂的平均规模都比较小，太阳能电池的成本和售价均高于国外同类产品，产业基础比较薄弱。

[1]车孝轩著.太阳能光伏系统概论.武汉：武汉大学出版社，2006.10.

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