硅基薄膜太阳能电池发展现状

柴甜甜

摘  要：众所周知，能源驱动城市发展，然而随着传统能源日渐枯竭以及全球环境污染逐日加剧，人类迫切需要寻找新型可再生能源以驱动城市发展。因此，发展可再生能源已成为我国能源结构转型和缓解气候恶化的关键途径。科学研究表明，太阳能发电是一种清洁可再生的能源利用方案，具有“取之不尽，用之无竭”的优点。目前已商用化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高，但受材料纯度和制备工艺的限制，晶体硅太阳能电池很难在提高光电转化效率的同时降低生产成本。于是，硅基薄膜太阳能电池的问世无疑是一道曙光——薄膜太阳能电池只需几微米的吸光层就能实现高效率光电转换，可以在降低生产成本的同时提高光电转化效率，具有生产成本低、硅材消耗少、光电转换效率高的无可比拟优势。

关键词：太阳能电池;多晶硅薄膜;非晶硅薄膜;微晶硅薄膜

中图分类号：TM914.4+2 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）34-0053-03

Abstract： As we all know， energy drives urban development. However， with the depletion of traditional energy sources and the increasing global environmental pollution， mankind urgently needs to find new renewable energy sources to drive urban development. Therefore， the development of renewable energy has become a key strategy to transform China's energy structure and alleviate climate deterioration. Scientific research shows that solar power is a clean and renewable energy utilization program. At present， the commercialized crystalline silicon solar cells have the highest photoelectric conversion efficiency， but due to the limitation of material purity and preparation technology， it is difficult for crystalline silicon solar cells to improve the photoelectric conversion efficiency while reducing production costs. Therefore， the advent of silicon-based thin-film solar cells is undoubtedly a dawn for thin-film solar cells can achieve high-efficiency photoelectric conversion with only a few micrometers of light-absorbing layer， which can reduce production costs while improving photoelectric conversion efficiency， with the unparalleled advantages of low production costs， little silicon consumption， and high photoelectric conversion efficiency.

Keywords： solar cell; polycrystalline silicon film; amorphous silicon film; microcrystalline silicon film

引言

随着传统不可再生能源的日益枯竭以及全球环境污染问题的逐日加剧，世界多国政府以及科研团队开始致力于太阳能电池的研究[1-4]。自太阳能电池问世以来，晶体硅太阳能电池一直是光伏电池市场中最重要的组成部分且经过几十年的产业发展，单晶硅、多晶硅制造技术已经日臻成熟。然而，在传统块状晶硅光伏产业商业化的发展进程中，人们也逐渐认识到传统晶体硅太阳能电池的致命缺点——其光吸收层较厚，因此大量耗费储量有限的晶硅资源且其生产成本无法进一步降低。因此，为了在有效节约晶硅资源的同时降低制造成本，人们开始设计并研发薄膜晶硅光伏电池。薄膜晶硅光伏电池仅仅需要几μm厚度的光吸收层就能达到和块状晶硅光伏材料相等甚至更高的光电转换效率。因此，硅基薄膜太阳能电池能够在降低生产成本的同时提高光电转化效率。

本文将从以下几个方面展开相关分析：首先，简要介绍了三种主流的硅基薄膜太阳能电池，包括多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池;然后，从政策优势、成本优势、技术优势三个方面对硅基薄膜太陽能电池进行完善的市场分析;在本文结束语部分，对硅基薄膜太阳能电池的市场前景进行了相关总结和展望。

1 硅基薄膜电池概述

1.1 多晶硅薄膜电池

多晶硅薄膜太阳能电池不仅享有传统块状晶硅光伏材料转换效率较高、材质毒性低、原料来源范围广的长处和新型薄膜光伏材料节约晶硅资源、降低制造成本的优势。

传统块状晶硅光伏材料一般由厚度为350μm到450μm的高纯多晶硅或单晶硅片制得， 这种硅片是经提拉或浇铸工艺而从硅锭上锯割而成， 因此在生产环节中，实际浪费的硅材料较多。为了节约用料， 科学家和一线工作者经过实验总结出在低成本的衬底材料上生长晶硅薄膜来作为太阳能电池激活层的解决方案。值得指出的是，日本Kaneka公司采用等离子增强化学气相沉积技术在玻璃衬底上制备出具有p-i-n结构、总厚度约为2μm的多晶硅薄膜光伏电池， 其光电转换效率可达12%[5]。

1.2 非晶硅薄膜电池

非晶硅为直接带隙半导体，其光吸收范围较广泛，所需光吸收层厚度较小，因此非晶硅薄膜光伏电池可以做得很薄，一般光吸收薄膜总厚度大约为1μm。非晶硅薄膜太阳能电池因其光吸收系数大、生产成本低、弱光效应好、适于规模化生产等优点[6]，已得到光伏产业市场的青睐。

近年来，非晶硅的研究进展主要集中于提高光电转化效率、大面积生产试验、低温制备工艺三个方面：Kim等利用等离子增强化学气相沉积技术，以反应原料氢气稀释硅烷，制备出具有异质结结构的非晶硅薄膜太阳能电池，其能量转换率为12.5%;世界上面积最大（1.4m×1.1m）的高效非晶硅薄膜太阳能电池已在日本制成[8]，其光电转换效率可达8%;Villar等[7，9]利用热丝化学气相沉积技术在低温（低温指略低于150℃）下制备出的一款非晶硅薄膜太阳能电池，其光电转换率可达4.6%。

1.3 微晶硅薄膜电池

为了降低晶硅太阳能电池的生产成本， 人们先后研制出了多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池。但是随着研究的逐渐深入， 人们发现多晶硅薄膜的晶粒尺寸要达到100μm以上时才能展现出良好的光电转换性能， 而且大晶粒、转化效率高的高纯多晶硅薄膜的生产工艺比较复杂;此外，非晶硅薄膜太阳能电池的转化效率较低， 且存在光致衰退效应。基于以上问题， 人们开始对微晶硅薄膜电池进行相关研究。

微晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺与非晶硅薄膜太阳能电池兼容，且光谱响应更宽、基本无光致衰退效应[10]。近年来，Sobajima等[9]将高压沉积技术引入到微晶硅薄膜的制备过程，使沉积速率增加到8.1nm/s，光电转换效率达6.3%。Smirnov等[11]通过优化运行条件，将串联微晶硅薄膜电池的光电转换效率提高到11.3%。Chen等[12]采取热丝化学气相沉积技术制备出厚度为1μm、光电转换效率为8.0%的微晶硅薄膜太阳能电池。张晓丹等[13]使用甚高频-等离子体增强化学气相沉积法，制得光电转换效率为6.3%的微晶硅薄膜太阳能电池。Wang等[14]采用热丝化学气相沉积技术制备过渡层，所得微晶硅太阳能电池的转换效率在光照1000h后的衰减低于10%，具有较好的稳定性。Finger等[15]同樣采用热丝化学气相沉积技术制备过渡层结构，所得微晶硅单质结薄膜电池光电转换效率为10.3%，稳定性好。

2 硅基薄膜电池市场分析

2.1 政策优势

“十二五”期间，科技部依托英利集团建立“光伏材料与技术国家重点实验室”、天合光能建立“光伏科学与技术国家重点实验室”，启动了支持我国高效率晶体硅太阳电池研发及产业化的“973计划”和“863计划”[16]。通过“973计划”还重点支持了有机太阳电池、宽光谱高效薄膜太阳电池和钙钛矿型太阳电池。

根据《太阳能利用“十三五”发展规划征求意见稿》[17]，到2020年底，太阳能发电装机容量达到1.6亿千瓦，年发电量达到1700亿千瓦时，年度总投资额约2000亿元。光伏电池生产设备和辅助材料国产化率达到90%，逐步实现光伏生产装备国产化、智能化和全产工艺一体化。单晶硅电池的产业化转换效率达到23%以上，多晶硅电池转换效率达到20%以上，新型薄膜太阳能电池实现产业化，转换效率达到20%左右。

2.2 成本优势

随着光伏产业的大规模发展，世界范围内出现了硅材料短缺问题[18]。因此，在稳健扩大光伏产业市场的同时，解决硅材料短缺问题尤为重要。薄膜太阳能电池是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉积一层厚度小于20μm的薄膜，并在这层薄膜中制作pn（或p-i-n） 结。光伏电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低生产成本的优势，因此是目前国际上科学研发和商业应用主要方向。

2.3 技术优势

近年来硅基异质结（SHJ）太阳电池因其具有高对称结构、高开路电压、高光电转换效率等优势，引起学术界和商业界广泛关注。目前，由日本Kaneka公司研制的SHJ-IBC太阳电池取得了光电转换效高达26.63%的世界纪录[19]。

薄膜硅/晶体硅异质结（HJT）电池是指由晶体硅和非晶硅组成的异质结太阳能电池。2017年，日本Kaneka公司研制的HJT太阳能电池创造了转化效率为26.7%的最高纪录[20]。近年来，我国HJT电池的研发也取得了很大进展，天合光能与上海微系统研究所联合研发的一款HJT电池，其光电转换效率达到23.29%[21]。

采用IBC与HJT技术结合的背结背接触（HJBC）技术，通过在背面分别沉积n型和p型的非晶硅薄膜来形成异质结，能够使电池效率进一步得到提升。2014年，日本Sharp和Panasonic公司分别将IBC与HJ技术结合，研发的HJBC电池光电转换效率分别达到了25.1%和25.6%[22]。

3 结束语

相比传统晶硅电池，硅基薄膜太阳能电池具有生产成本低、硅材消耗少、转换效率高的无可比拟优势，因此越来越得到学术界和商业界的青睐。多晶硅薄膜太阳能电池材料成本低廉、光电转换效率较高，但大晶粒的高纯多晶硅薄膜的生产工艺比较复杂;非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数大、生产成本低、弱光效应好，但存在光致衰退现象;微晶硅薄膜太阳能电池光谱响应宽、基本无光致衰退效应，但是制备环节中的沉积速率较慢。硅基薄膜太阳能电池的未来发展方向总结为以下三点：第一，通过工业生产实践，不断优化大晶粒的高纯多晶硅的生产方案，以进一步降低多晶硅薄膜电池的生产成本;第二，通过相关技术手段，降低非晶硅薄膜光致衰退效应带来的不利影响，以提高其电池稳定性和耐用性;第三，通过化学机理研究，提高微晶硅薄膜沉积速率，以加快微晶硅薄膜电池产业化生产。

参考文献：

[1]涂强，莫建雷，范英.中国可再生能源政策演化、效果评估与未来展望[J].资源与环境，2020，30（03）：29-36.

[2]潘旭东，黄豫，唐金锐，等.新能源发电发展的影响因素分析及前景展望[J].智慧电力，2019，47（11）：41-47.

[3]赵良，白建华，辛颂旭，等.中国可再生能源发展路径研究[J].中国电力，2016，49（01）：178-184.

[4]辛培裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景研究[D].华北电力大学，2015.

[5]林源.薄膜太阳能电池的研究与应用进展[J].化工新型材料，2018，46（06）：57-60.

[6]钟全.非晶硅薄膜太阳能电池激光刻线工艺研究及设备优化[D].电子科技大学，2018.

[7]Villar F，Antony A，EscarréJ，et al.Amorphous silicon thin film solar cells deposited entirely by hot-wire chemical vapor deposition at low temperature （<150℃） [J].Thin Solid Films，2009，517 （12）：35-75.

[8]蘇孙庆.多晶硅薄膜太阳能电池的研究进展[J].技术物理教学，2007，15（2）：45-47.

[9]Sobajima Y，Nishino M，Fukumori T，et al.Solar cell of 6.3%efficiency employing high deposition rate （8nm/s） microcrystalline silicon photo voltaic layer[J].Solar Energy Mater Solar Cells，2009，93：980.

[10]程华，赵新明.微晶硅薄膜电池的发展现状及制备技术研究[J].科技资讯，2016，14（33）：38-40.

[11]Smirnov V，Das C，Thomas M，et al.Improved homogeneity of microcrystalline absorber layer in thin-film silicon tandem solar cells[J].Mater Sci Eng B，2009，159-160：44.

[12]Chen T，Huang Y，Wang H，et al.Microcrystalline silicon carbide thin films grown by HWCVD at different filament temperatures and their application in n-i-p microcrystalline silicon solar cells[J].Thin Solid Films，2009，517：3515.

[13]张晓丹，张荣发，赵颖，等.1.2nm/s高效率微晶硅薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用[J].半导体学报，2007，28（22）：209.

[14]Wang Y，Geng X，Stiebig H，et al.Stability of microcrystalline silicon solar cells with HWCVD buffer layer[J].Thin Solid Films，2008，516（5）：733-735.

[15]Finger F，Mai Y，Klein S，et al.High efficiency microcrystalline silicon solar cells with hot-wire CVD bufferlayer[J].Thin Solid Films，2008，516（5）：728-732.

[16]赵颖，侯国付，张晓丹.“十二五”期间我国太阳电池研究进展[J].太阳能，2016（06）：28-32.

[17]王思童.“十三五”太阳能发展规划呼之欲出[J].电器工业，2016（02）：48-50.

[18]钟佳祺.太阳能电池经济性及未来走向[J].计算机产品与流通，2017（11）：144.

[19]YOSHIKAWA K，YOSHIDA W，IRIE T，et al.Exceeding conversion efficiency of 26%by heterojunction interdigitated back contact solar cell with thin film Si technology[J]. Solar energy materials and solar cells，2017，173：37-42.

[20]Yamamoto K，Adachi D，Yoshikawa K，et al.Record-breaking efficiency back-contact heterojunction crystalline Si solar cell andmodule[A].33rd European PV Solar Energy Conference and Exhibition[C]//Amsterdam，Netherlands，2017.

[21]Meng F，Liu J N，Shen L L，et al.High-quality industrial n-type silicon wafers with an efficiency of over 23%for Si heterojunction solar cells[J].Frontiers in Energy，2017，11（1）：78-84.

[22]Yoshikawa K，Yoshida W，Irie T，et al.Exceeding conversion efficiency of 26%by heterojunction interdigitated back contact solar cell with thin film Si technology[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2017，173：37-42.