中心議題:

• 柔性非晶矽薄膜太陽能電池技術的探討

解決方案:

• 認識柔性襯底薄膜太陽電池的結構特點
• 解決柔性襯底薄膜太陽電池的製備方法

一柔性襯底薄膜太陽電池的特點

在zai過guo去qu的de幾ji十shi年nian中zhong

，人ren類lei經jing濟ji活huo動dong的de持chi續xu高gao速su發fa展zhan使shi得de電dian力li需xu求qiu迅xun速su增zeng加jia。太tai陽yang電dian池chi是shi一yi種zhong利li用yong光guang生sheng伏fu特te效xiao應ying將jiang太tai陽yang能neng能neng直zhi接jie轉zhuan換huan為wei電dian能neng的de半ban導dao體ti器qi件jian

，很hen容rong易yi實shi現xian並bing網wang發fa電dian或huo作zuo為wei獨du立li能neng源yuan。眾zhong所suo周zhou知zhi，太tai陽yang電dian池chi發fa電dian具ju有you許xu多duo優you點dian，如ru安an全quan可ke靠kao，無wu噪zao聲sheng，無wu汙wu染ran，能neng量liang隨sui處chu可ke得de，不bu受shou無wu需xu消xiao耗hao燃ran料liao、無機械轉動部件
、故障率低、維護方便
、可以無人值守
、規模大小隨意
、可以方便地與建築物相結合等，這些優點都是常規發電所不及的。

目前，太陽電池發電在航天、通tong訊xun及ji微wei電dian子zi領ling域yu已yi占zhan據ju了le不bu可ke替ti代dai的de位wei置zhi
，但dan在zai社she會hui整zheng體ti能neng源yuan結jie構gou中zhong所suo占zhan比bi例li很hen小xiao，主zhu要yao原yuan因yin是shi太tai陽yang電dian池chi成cheng本ben較jiao高gao
，要yao使shi其qi真zhen正zheng成cheng為wei能neng源yuan體ti係xi的de組zu成cheng部bu分fen，必bi須xu大da幅fu度du降jiang低di成cheng本ben。薄bo膜mo太tai陽yang電dian池chi在zai降jiang低di成cheng本ben方fang麵mian比bi晶jing體ti矽gui(單晶或多晶)太陽電池具有更大的優勢，一是實現薄膜化後，可極大地節省昂貴的半導體材料
；二是薄膜電池的材料製備和電池同時形成
，因此節省了許多工序；三是薄膜太陽電池采用低溫工藝技術，不僅有利於節能降耗
，而且便於采用廉價襯底(玻璃、不鏽鋼等)。為此,自上世紀70niandaiyilai
，shijiegeguofenfentourujuzi
，zhidingguihua
，zuzhiduiwu
，xianqiduibomotaiyangdianchideyanjiurechao，sanshijinianlaizaiyanjiuhekaifayingyongfangmianjunqudelechangzudejinbu。

薄膜太陽電池主要涉及非晶矽(a-Si：H)、銅銦镓硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)和(he)集(ji)成(cheng)組(zu)件(jian)，在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)主(zhu)要(yao)討(tao)論(lun)的(de)是(shi)目(mu)前(qian)商(shang)業(ye)化(hua)最(zui)成(cheng)熟(shu)的(de)非(fei)晶(jing)矽(gui)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)。薄(bo)膜(mo)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)按(an)襯(chen)底(di)分(fen)為(wei)硬(ying)襯(chen)底(di)和(he)柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)兩(liang)大(da)類(lei)。所(suo)謂(wei)柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)是(shi)指(zhi)在(zai)柔(rou)性(xing)材(cai)料(liao)(如不鏽鋼
、聚酯膜)上製作的電池
，與平板式晶體矽、玻璃襯底的非晶矽等硬襯底電池相比，其最大的特點是重量輕
、可折疊和不易破碎。以美國Uni-Solar公司采用不鏽鋼作襯底為例，不鏽鋼的厚度僅為127um
，且具有極好的柔軟性，可以任意卷曲、裁剪、粘(zhan)貼(tie)
，既(ji)使(shi)彎(wan)成(cheng)很(hen)小(xiao)的(de)半(ban)徑(jing)，作(zuo)數(shu)百(bai)次(ci)卷(juan)曲(qu)，電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)也(ye)不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。而(er)以(yi)高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)合(he)物(wu)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)為(wei)柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)製(zhi)備(bei)的(de)非(fei)晶(jing)矽(gui)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)，器(qi)件(jian)總(zong)厚(hou)度(du)約(yue)100um左右(含封裝層)，功率重量比可達到500W/Kg以上，比不鏽鋼襯底非晶矽電池高出近十倍
，是世界上最輕的太陽電池。從製備工藝上看，由於此結構電池采用卷對卷(roll to roll)工藝製造，便於大麵積連續生產，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麵、房屋等建築物的樓頂與外牆麵。另外由於柔性薄膜電池具有較高的質量比功率(500W/kg)，同時具有可彎曲性
，非常適用於對地觀測的平流層飛艇表麵，軍事上的利用前景光明。

近年來，國外推行的光伏與建築相結合(BIPV)，jidadituidongleguangfubingwangxitongdefazhan。zaichengzhenjianzhuwushanganzhuangdeguangfuxitong，tongchangcaiyongyugonggongdianwangbingwangdexingshi。bingwangguangfuxitongbuxuyaopeibeixudianchi，jijieshengtouzi，youbushouxudianchihedianzhuangtaidexianzhi，keyichongfenliyongguangfuxitongsuofachudedianli；光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外牆上，無需額外占用土地，這對於土地昂貴的城市建築尤其重要；夏天是用電高峰的季節
，也正好是日照量最大，光伏係統發電量最多時期，對電網可以起到調峰作用
；光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度

，減少了牆體得熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建築節能作用。

BIPV的de開kai發fa是shi目mu前qian世shi界jie上shang大da規gui模mo利li用yong光guang伏fu技ji術shu發fa電dian的de一yi大da研yan究jiu熱re點dian，西xi方fang發fa達da國guo家jia都dou在zai作zuo為wei重zhong點dian項xiang目mu積ji極ji進jin行xing。除chu了le在zai屋wu頂ding安an裝zhuang光guang伏fu電dian池chi板ban外wai
，已yi推tui出chu了le把ba光guang伏fu電dian池chi裝zhuang在zai瓦wa片pian內nei的de產chan品pin。此ci外wai，國guo外wai還hai在zai研yan究jiu光guang伏fu牆qiang結jie構gou(PV WALL)，將jiang光guang伏fu係xi統tong和he建jian築zhu物wu外wai牆qiang相xiang結jie合he。可ke以yi預yu計ji
，光guang伏fu與yu建jian築zhu相xiang結jie合he是shi未wei來lai光guang伏fu應ying用yong中zhong最zui重zhong要yao的de領ling域yu之zhi一yi
，其qi發fa展zhan前qian景jing十shi分fen廣guang闊kuo
，並bing且qie有you著zhe巨ju大da的de市shi場chang潛qian力li，柔rou性xing襯chen底di薄bo膜mo電dian池chi無wu疑yi將jiang在zai其qi中zhong扮ban演yan重zhong要yao角jiao色se。

二柔性襯底薄膜太陽電池的結構

柔性襯底太陽電池可采用單結或多結結構。單結結構因其穩定性差、效率低已較少采用，而穩定性好、效率高的多結、diecengtaiyangdianchishirouxingchenditaiyangdianchidefazhanfangxiang
，muqianduocaiyongsanjietaiyangdianchijiegou。sanjietaiyangdianchizhong
，meiyigedianchidoushiyousangebandaotijiexianghudiejiaercheng：底電池吸收紅光
；中間電池吸收綠光；頂電池吸收藍光

；對陽光光譜的寬範圍響應是提高電池效率的關鍵。美國Uni-Solar公司的不鏽鋼襯底
、三結非晶矽鍺太陽電池結構如圖3所示，其小麵積電池效率目前達到14.6%。
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三柔性襯底薄膜太陽電池的國內外現狀

當前商業化非晶矽電池的穩定效率，單結、雙結
、三結分別為4%~5%，6%~7%，7%~8%。世界上從事柔性襯底薄膜太陽能電池的研製生產的主要單位是美國的聯合太陽能公司(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，預計到2020年左右
，光伏發電的成本可望同燃油發電相競爭(相當於電池效率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)合資經營，2003年建立了一條同時沉積6卷不鏽鋼卷帶三結疊層非晶矽電池生產線，年產30MW，初始效率和穩定效率分別達到14.6%和12.6%。2006年為50MW，2007年達100MW，2010年的目標是300MW。

美國Toledo大學在柔性襯底非晶矽太陽電池領域的研究處於世界領先地位，其單結非晶矽鍺電池實驗室初始效率達到了13%
，他們的技術團隊參與組建了MWOE和Xunlight公司，並在積極籌劃更大的產能。

日本在柔性襯底太陽電池的研究方麵也走在世界前列。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矽太陽電池的研製，已經建成了多條兆瓦量級的聚酯膜柔性電池生產線。Sanyo公(gong)司(si)最(zui)早(zao)在(zai)無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)飛(fei)機(ji)上(shang)采(cai)用(yong)了(le)柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)非(fei)晶(jing)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)能(neng)源(yuan)，完(wan)成(cheng)了(le)橫(heng)跨(kua)美(mei)洲(zhou)大(da)陸(lu)的(de)飛(fei)行(xing)

，顯(xian)示(shi)了(le)柔(rou)性(xing)非(fei)晶(jing)薄(bo)膜(mo)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)飛(fei)行(xing)器(qi)能(neng)源(yuan)的(de)巨(ju)大(da)潛(qian)力(li)。Sharp公司
、TDK公司在聚酯膜上製備的非晶矽太陽電池目前已能生產麵積為286cm2的組件，效率已達8.1%


，小麵積電池的效率已達11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩定效率達到9%
，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶矽電池的產量2006年達15MW。

歐盟則聯合其成員國的多個研究機構組織包括Neuchatel大學、VHF-technologies公司
、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯合攻關，目前已經實現了小批量的生產線。歐盟於2005年10月1日啟動了"FLEXCELLENCE"項目，為期3年，目標是開發出高效率薄膜電池組件卷對卷生產的設備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產線
，並希望將生產成本控製在每瓦0.5歐元。據2007年的報道，目前Neuchatel大學的聚酯膜襯底非晶矽疊層電池實驗室效率達到10.8%

，VHF-technologies公司的年產能為25MW。

我國的柔性襯底薄膜電池的研究進展較慢。哈爾濱Chrona公司在90年代中期曾研製出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶矽單結薄膜電池，電池初始效率為4.63%
，功率重量比為231.5W/kg
，但此後進展不大。近年來南開大學在柔性襯底非晶矽薄膜電池方麵的研究取得了一定的進展，他們在0.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結薄膜電池的初始效率為4.84%
，功率重量比為341W/kg。

柔性襯底電池的產業化方麵，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶矽柔性電池生產線
，30MW生產線已經開始了項目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶矽柔性電池生產線，未來準備建立8MW。這(zhe)兩(liang)家(jia)公(gong)司(si)都(dou)由(you)於(yu)設(she)備(bei)及(ji)技(ji)術(shu)由(you)國(guo)外(wai)進(jin)口(kou)，預(yu)計(ji)電(dian)池(chi)成(cheng)本(ben)偏(pian)高(gao)。總(zong)的(de)來(lai)說(shuo)，國(guo)內(nei)目(mu)前(qian)具(ju)備(bei)了(le)非(fei)晶(jing)矽(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)研(yan)製(zhi)的(de)技(ji)術(shu)基(ji)礎(chu)
，但(dan)是(shi)在(zai)柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)上(shang)的(de)研(yan)究(jiu)還(hai)處(chu)於(yu)剛(gang)剛(gang)起(qi)步(bu)的(de)階(jie)段(duan)，和(he)國(guo)外(wai)的(de)差(cha)距(ju)較(jiao)大(da)。

四柔性襯底薄膜太陽電池的製備

下麵以美國Uni-Solar公司的不鏽鋼柔性襯底三結非晶矽太陽電池為例簡單介紹卷對卷(roll to roll)生產過程。

將成卷不鏽鋼帶(帶磁性)裝入專用清洗機中，采用卷對卷方式進行鋼帶傳送
，對鋼帶兩個表麵同時進行清洗
、幹燥。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。然後采用等離子體化學氣相沉積法(PECVD)沉chen積ji非fei晶jing矽gui層ceng
，以yi形xing成cheng疊die層ceng太tai陽yang電dian池chi結jie構gou，這zhe是shi整zheng個ge製zhi造zao過guo程cheng中zhong最zui關guan鍵jian的de工gong藝yi步bu驟zhou。對dui於yu三san結jie非fei晶jing矽gui太tai陽yang電dian池chi來lai說shuo，需xu要yao在zai已yi經jing做zuo好hao的de背bei反fan射she器qi的de表biao麵mian連lian續xu沉chen積ji9層矽基薄膜，包括3個P-I-N結(jie)子(zi)電(dian)池(chi)

，各(ge)分(fen)離(li)的(de)反(fan)應(ying)室(shi)之(zhi)間(jian)需(xu)要(yao)設(she)計(ji)獨(du)特(te)的(de)氣(qi)氛(fen)隔(ge)離(li)室(shi)以(yi)防(fang)止(zhi)相(xiang)鄰(lin)反(fan)應(ying)室(shi)間(jian)的(de)氣(qi)體(ti)交(jiao)叉(cha)汙(wu)染(ran)。矽(gui)基(ji)薄(bo)膜(mo)沉(chen)積(ji)完(wan)成(cheng)之(zhi)後(hou)
，需(xu)在(zai)電(dian)池(chi)頂(ding)部(bu)沉(chen)積(ji)銦(yin)錫(xi)氧(yang)化(hua)物(wu)(ITO)，即透明導電氧化層作為入射光的減反射層。然後需要在光入射一麵布置柵線，並根據最後電池的尺寸和形狀，進行切割、電極接合
、電池切割和電池互聯，從而構成具有一定參數的電池組件。該生產線的年產量為30MW，造價為6000萬美元，90米長，3米高，以厚度127μm的不鏽鋼(長2.6km
，寬36cm)為襯底

采用roll to roll技術來製備大麵積柔性襯底非晶矽太陽電池，有以下關鍵技術問題需要解決：非晶矽薄膜的高速沉積
；大麵積薄膜生長時的均勻性
；各反應室間氣體隔離裝置的開發
；實時監控與診斷等等。整個roll to roll生產線的開發是一個國家綜合工業實力和基礎的體現。

五總結

    柔(rou)性(xing)襯(chen)底(di)薄(bo)膜(mo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)製(zhi)備(bei)是(shi)國(guo)內(nei)急(ji)需(xu)解(jie)決(jue)的(de)關(guan)鍵(jian)問(wen)題(ti)，但(dan)我(wo)國(guo)在(zai)這(zhe)一(yi)領(ling)域(yu)和(he)國(guo)外(wai)先(xian)進(jin)水(shui)平(ping)差(cha)距(ju)很(hen)大(da)。本(ben)文(wen)中(zhong)就(jiu)是(shi)對(dui)其(qi)現(xian)狀(zhuang)
，製(zhi)備(bei)工(gong)藝(yi)和(he)技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)作(zuo)了(le)調(tiao)研(yan)和(he)分(fen)析(xi)。相(xiang)信(xin)能(neng)給(gei)讀(du)者(zhe)帶(dai)來(lai)學(xue)習(xi)查(zha)閱(yue)的(de)作(zuo)用(yong)。