柔性薄膜太阳能电池

李东栋（中国科学院上海高等研究院）

柔性薄膜太阳能电池

李东栋（中国科学院上海高等研究院）

● 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已足够可观。据测算，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。目前世界太阳能发电能力已超过100GW，光伏产业的迅猛发展为柔性薄膜太阳能电池提供了巨大的发展机遇。柔性电池可折叠、重量轻和不易碎的新特性，还为其拓展了丰富多样的应用领域。

柔性电池的国内外现状

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，太阳能电池占据了重要的位置。目前在光伏市场上占据最大市场份额的晶体硅太阳能电池实验室最高效率是25%，产品效率为16%～18%。柔性薄膜电池由于使用原材料少，工艺集成度高、成本低、重量轻和柔性可弯曲等特性，在空间技术、建筑光伏以及便携式可穿戴光伏器件等领域具有独特的发展空间。

柔性薄膜太阳能电池主要有硅基、铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe），其效率分别为5%～10%、7%～11%和8%～11%。与基于晶圆的晶体硅太阳能电池不同，薄膜太阳能电池直接在柔性衬底上沉积光吸收材料和电极等薄膜并进行最后封装。虽然制备各种柔性薄膜电池所采用的柔性衬底通常都是不锈钢箔或是耐高温聚酯膜（如聚酰亚胺），但所采用的沉积工艺有所不同。光电转换效率是制约柔性薄膜电池发展的关键因素，而薄膜活性材料及其沉积工艺则是影响电池效率和规模化生产的最大瓶颈。薄膜电池原材料和工艺的核心技术主要由欧美及日本掌握，国内的光伏企业由于缺少核心技术，关键设备和原材料依赖进口，面临生产线设备兼容性不理想，集成度不高等问题，导致产品良品率较低，成本难以下降。

柔性硅基薄膜太阳能电池的光吸收层采用氢化微晶硅（μc-Si:H）、非晶硅（a-Si:H）及其合金（如a-SiGe:H）。采用单结、双结和三结结构，使光电转换效率分别达到5%～6%、6%～8%和7%～10%。目前能进行柔性非晶硅电池生产的主要有美国的UnitedSolar和XunLight公司，日本的FujiElectric公司等。中国的光伏企业如天威薄膜、浙江正泰、新奥等均在玻璃衬底上生产硅基薄膜电池。硅基薄膜太阳能电池的设备和工艺技术比其他两种电池相对成熟，但是只有在低成本的前提下将光电转换效率提高到15%，才具有较强的竞争力。

CIGS电池具有薄膜电池中最高的实验室光电转换效率(20.4%)，为其产业化发展增强了信心。这主要由于CIGS多晶薄膜带隙在1.06～1.63eV范围内可调，并且其吸收系数高，不过其商品化的效率只有7%～11%。量产成功的是日本的SolarFrontier公司，采用溅射加后硒化的技术，其技术和设备并不对市场销售。而采用其他技术如蒸发法制备的CIGS电池则存在均匀性和可靠性低的问题。CIGS电池除了有设备研发的问题，还面临原材料In储量少的限制，影响其大规模生产。

在CdTe太阳能电池领域，美国的FirstSolar已经成为了行业领跑者，2009年成为世界最大的太阳能电池制造商，2010年产量到达了1.1GW。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、物理气相沉积法等，最成熟的技术是近空间升华法。与CIGS类似，其原材料也备受质疑，Te储量有限，而Cd是剧毒材料，只不过其化合物CdTe无毒。生产企业主要是FirstSolar等欧美和日本公司，中国有四川的阿波罗等。

硅基薄膜电池的新技术

由此可见，在薄膜电池中硅基技术相对成熟。但是柔性硅基电池在国内还缺乏卷对卷大规模生产的核心技术和设备。因此新技术的研发迫在眉睫。例如，中科院上海高等研究院利用一种廉价的图形化金属衬底，有效提高了非晶硅薄膜太阳能电池的能量转换效率：采用简单的阳极氧化法在该衬底形成尺寸可调的坑状纳米结构，有效激发了硅薄膜内的光波导模式和银背反层表面等离激元共振，使得电池的短路电流提高了31%，而能量转换效率提高了27%。研究结果对于制备廉价的薄膜太阳能电池具有一定的指导意义，并有望向产业化转移进行大面积应用。

近来，晶体硅薄膜太阳能电池开始进入人们的视野，其具有传统薄膜电池的厚度（<50μm），但却保持了较高的薄膜质量，具有和传统晶体硅电池相仿的光电转换效率。澳大利亚学者在47μm的晶体硅薄膜上实现了21.5%的效率，为高性能柔性太阳能电池提供了新的发展方向。柔性晶硅薄膜电池的难点在于晶体硅薄膜的制备，这一领域还处在研究阶段，目前的实验室方法包括基于多孔硅的外延-层转移技术、微加工技术和直接剥离技术。

基于多孔硅的外延－层转移技术，在制备晶体硅薄膜的过程中，通常采用双层多孔硅。上层多孔硅具有较小的孔隙率（10%～20%），而下层多孔硅具有较大的孔隙率（50%～70%）。在进一步的H2高温退火过程中，多孔硅将发生再构造化。上层逐渐闭合，孔隙率减小，形成一层准单晶硅薄膜（QMS）。在一定温度下以QMS为籽晶采用液相或气相化学沉积生长晶体硅外延薄膜后，采用传统晶体硅太阳能电池的工艺在外延薄膜上构建晶体硅薄膜太阳能电池。之后利用下层多孔硅容易断裂的特性，直接施力将外延生长的单晶硅薄膜从基底上剥离下来。基于这种技术，目前已有Solexel公司推出了效率高达20.1%的柔性电池产品。

此外，借助光刻、湿法刻蚀等工艺，也可利用传统硅片片上制备单晶硅薄膜太阳能电池。即首先利用光刻和刻蚀在硅片上刻出一定深度的沟槽，然后各向异性的底切刻蚀，将单晶硅薄膜从硅片上分离出来。利用该技术通常制备出的是微米尺度内的微电池，需要经过一定的连接和集成，最终构成柔性的单晶硅薄膜太阳电池组件。

另一种更简单直接的方法则是通过物理方法直接将普通硅片表面的一个薄层剥离下来。这首先需要在硅片表面沉积一层金属层，通常是镍（Ni）。由于Ni和Si具有不同的热膨胀系数，在通过高温处理后可以使Ni/Si界面上产生较大的应力。当在上述Ni膜上粘接一层柔性衬底之后，仅稍稍施加外力就可以直接将表面一层极薄的单晶硅薄膜从硅片上剥落下来。转移在柔性衬底上的单晶硅薄膜在进行一定的制备工艺之后就可以构成柔性的单晶硅太阳能电池。目前这种电池的实验室效率已经达到了14.9%。

柔性太阳能电池的应用

通过持续的技术革新进一步提高光电转换效率，柔性薄膜太阳能电池可折叠、重量轻和不易碎的新颖特性将使其具有不同于传统晶体硅电池的丰富多样的应用。一个已经实现的应用就是构建集成的光伏器件（BIPV），如迅力光能在纽约时代广场用柔性薄膜太阳能电池完成了为日本理光的广告牌供电的项目。大面积卷对卷生产的硅基薄膜电池可以铺设在屋顶，停车棚顶以及玻璃幕墙等建筑上，具有安装方便和现代建筑的艺术完美结合的优点。除此之外，柔性太阳能电池还能变身为可穿戴的移动太阳能充电器，为时下流行的各种数码消费产品提供在户外的移动电力甚至可以携带。这些新颖而丰富的应用将为柔性薄膜太阳能电池的发展注入新的活力。

[责任编辑：则 鸣]