中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所新能源技術(shù)中心 孟凡英
環(huán)境與能源問題一直是受國際關(guān)注的熱點問題，人類對可持續(xù)能源的需求變得十分迫切，中國政府在“十二五”規(guī)劃中對新能源提出了具體的發(fā)展目標(biāo)。在新能源領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電占據(jù)了重要的位置。
光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏產(chǎn)品應(yīng)用具有多樣性，這些為薄膜太陽能電池提供了發(fā)展機(jī)遇，但薄膜太陽能電池仍面臨著很大的挑戰(zhàn):對于一些化合物材料的物理科學(xué)問題缺少充分的理解，工藝技術(shù)有待創(chuàng)新改進(jìn)，還需要新材料和新結(jié)構(gòu)來替代貴材料和毒材料,尤其是化合物薄膜電池，關(guān)鍵精密設(shè)備與工藝的集成度有待深入研究開發(fā)。
薄膜太陽能電池產(chǎn)量創(chuàng)下新紀(jì)錄
近些年太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，過去10年間世界光伏電池和組件的產(chǎn)量年增幅大于35%。根據(jù)Solarbuzz最新年度光伏市場報告，2010年全球光伏市場安裝量達(dá)到18.2GW，比2009年增加139%。從產(chǎn)值看，2010年光伏產(chǎn)業(yè)全球營收達(dá)到820億美元，與2009年相比增幅達(dá)105%。2010年全球前5大光伏市場國家為德國、意大利、捷克、日本和美國，這5個國家占據(jù)全球安裝量的80%，日本和美國的光伏市場增長速度很快，年增長分別達(dá)到101%和96%。
總體而言，2010年世界上有100多個國家為光伏產(chǎn)業(yè)的迅速增長做出了貢獻(xiàn)。另外，從產(chǎn)量看，2010年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到20.5GW，中國大陸和中國臺灣的電池產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的59%。從廠商出貨量看，尚德電力和晶澳太陽能并列第一，緊隨其后的是美國第一太陽能。其中薄膜太陽能電池占全球太陽能電池總產(chǎn)量的13.5%，這也是光伏市場薄膜電池產(chǎn)量的新紀(jì)錄。
目前在光伏市場上薄膜太陽能電池的產(chǎn)品類型主要有CdTe薄膜電池、硅基薄膜電池和CIGS薄膜電池。這些薄膜太陽能電池根據(jù)襯底材料可以分為剛性(即玻璃襯底)電池和柔性(不銹鋼或聚酯膜襯底)電池。其中柔性電池的優(yōu)點是可折疊、重量輕、不易碎。與常規(guī)的晶體硅太陽能電池相比，這些薄膜電池使用材料很少，構(gòu)成太陽能電池的薄膜材料厚度不超過5微米，而晶體硅電池厚度約180微米～200微米。各種材料薄膜太陽能電池以其特有的優(yōu)勢和逐漸成熟的工藝技術(shù)占有了光伏市場的一席之地，而且成長速度非常快。
工藝、材料是規(guī)模化生產(chǎn)最大瓶頸
薄膜太陽能電池因為廉價的襯底材料(如玻璃、不銹鋼、聚酯膜)，有柔性，材料禁帶寬度可調(diào)控，組件溫度系數(shù)低等優(yōu)點很受矚目，在光伏市場的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，2010年已經(jīng)占13%以上的市場份額。各種薄膜電池都有一些瓶頸問題尚未解決。
目前硅基薄膜太陽能電池，無論單結(jié)、雙結(jié)還是三結(jié)電池，制造工藝都是采用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟氣體。荷蘭科學(xué)家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上發(fā)表文章稱，這種含氟氣體對環(huán)境造成的溫室效應(yīng)比CO2高17200～22800倍。太陽能光伏發(fā)電一直以來被認(rèn)為是綠電，那么在制造環(huán)節(jié)中也應(yīng)該采用綠工藝。對于硅基薄膜電池廠商來說，有尋找新的清洗氣體替代當(dāng)前的氟化物的方案，降低溫室氣體排放。另一種方案是盡快提高電池的轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)穩(wěn)定效率達(dá)到12%～16%，才有可能補償排放的溫室氣體對環(huán)境的影響。此外由于硅薄膜組件效率低(5%～7%)，在光伏系統(tǒng)應(yīng)用中單位發(fā)電功率占地面積幾乎是晶體硅組件(效率為13%～15%)的2倍，相應(yīng)地，BOS的成本也要增加，可見提高硅基薄膜組件的光電轉(zhuǎn)換效率是贏得市場的重要條件。
最近幾年，更多的人開始關(guān)注CIGS薄膜太陽能電池，量產(chǎn)化成功的案例是日本的SolarFrontier(前身是Showa Shell)，技術(shù)和設(shè)備是自主開發(fā)的。其CIGS薄膜的技術(shù)路線是濺射加后硒化處理，核心就是后硒化處理。由于硒化過程采用有毒氣體，硒化設(shè)備的設(shè)計非常重要，而市場上沒有專業(yè)的硒化設(shè)備供應(yīng)商。此外采用蒸發(fā)技術(shù)制備CIGS薄膜遇到的問題是如何做到大面積薄膜的均勻性和可靠性，包括薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)和厚度等的均勻性和可靠性。除了上述技術(shù)上的難題，原材料In也是人們議論的焦點之一。In是貴金屬，地球上材料豐度小，可能會限制這類電池的大規(guī)模生產(chǎn)。這就對新材料的開發(fā)提出了高的要求。PV-tech.com網(wǎng)站2011年5月報導(dǎo)瑞士科學(xué)家在柔性塑料襯底上制備出18.7%轉(zhuǎn)換效率的CIGS電池，柔性電池的主要優(yōu)點是可以采用卷對卷工藝來降低制造成本。上圖給出了美國Global Solar公司的產(chǎn)品示意圖。柔性電池產(chǎn)業(yè)化道路上的主要障礙是如何在低溫條件下制備性能優(yōu)良的薄膜。
美國第一太陽能對CdTe薄膜電池技術(shù)嚴(yán)密封鎖，其他欲進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)在量產(chǎn)化過程中困難重重。
目前中國的薄膜電池企業(yè)大部分在硅基薄膜領(lǐng)域，也有一些企業(yè)開始進(jìn)入CIGS和CdTe薄膜電池領(lǐng)域。這些企業(yè)比較普遍的做法是關(guān)鍵設(shè)備和原材料從國外進(jìn)口，由于缺少核心技術(shù)，遇到的問題是整條生產(chǎn)線各種設(shè)備的兼容性不理想，設(shè)備與工藝的集成度不高，導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低，成本難以下降，市場競爭力弱。
三類薄膜電池齊頭并進(jìn)各有千秋
當(dāng)前普通晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率約為16%～18%，實驗室最高效率是25%(面積4cm2)。雙結(jié)硅基薄膜太陽能電池的實驗室最高效率為11.9%(1.227cm2)，產(chǎn)品效率8%～9%；CIGS電池和CdTe電池的實驗室最高效率分別為20.1%(面積0.503mm2)和16.7%(面積1.032cm2)，這兩種化合物電池產(chǎn)品效率分別為7%～11%和8%～11%。
環(huán)境與能源問題一直是受國際關(guān)注的熱點問題，人類對可持續(xù)能源的需求變得十分迫切，中國政府在“十二五”規(guī)劃中對新能源提出了具體的發(fā)展目標(biāo)。在新能源領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電占據(jù)了重要的位置。
光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏產(chǎn)品應(yīng)用具有多樣性，這些為薄膜太陽能電池提供了發(fā)展機(jī)遇，但薄膜太陽能電池仍面臨著很大的挑戰(zhàn):對于一些化合物材料的物理科學(xué)問題缺少充分的理解，工藝技術(shù)有待創(chuàng)新改進(jìn)，還需要新材料和新結(jié)構(gòu)來替代貴材料和毒材料,尤其是化合物薄膜電池，關(guān)鍵精密設(shè)備與工藝的集成度有待深入研究開發(fā)。
薄膜太陽能電池產(chǎn)量創(chuàng)下新紀(jì)錄
近些年太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，過去10年間世界光伏電池和組件的產(chǎn)量年增幅大于35%。根據(jù)Solarbuzz最新年度光伏市場報告，2010年全球光伏市場安裝量達(dá)到18.2GW，比2009年增加139%。從產(chǎn)值看，2010年光伏產(chǎn)業(yè)全球營收達(dá)到820億美元，與2009年相比增幅達(dá)105%。2010年全球前5大光伏市場國家為德國、意大利、捷克、日本和美國，這5個國家占據(jù)全球安裝量的80%，日本和美國的光伏市場增長速度很快，年增長分別達(dá)到101%和96%。
總體而言，2010年世界上有100多個國家為光伏產(chǎn)業(yè)的迅速增長做出了貢獻(xiàn)。另外，從產(chǎn)量看，2010年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到20.5GW，中國大陸和中國臺灣的電池產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的59%。從廠商出貨量看，尚德電力和晶澳太陽能并列第一，緊隨其后的是美國第一太陽能。其中薄膜太陽能電池占全球太陽能電池總產(chǎn)量的13.5%，這也是光伏市場薄膜電池產(chǎn)量的新紀(jì)錄。
目前在光伏市場上薄膜太陽能電池的產(chǎn)品類型主要有CdTe薄膜電池、硅基薄膜電池和CIGS薄膜電池。這些薄膜太陽能電池根據(jù)襯底材料可以分為剛性(即玻璃襯底)電池和柔性(不銹鋼或聚酯膜襯底)電池。其中柔性電池的優(yōu)點是可折疊、重量輕、不易碎。與常規(guī)的晶體硅太陽能電池相比，這些薄膜電池使用材料很少，構(gòu)成太陽能電池的薄膜材料厚度不超過5微米，而晶體硅電池厚度約180微米～200微米。各種材料薄膜太陽能電池以其特有的優(yōu)勢和逐漸成熟的工藝技術(shù)占有了光伏市場的一席之地，而且成長速度非常快。
工藝、材料是規(guī)模化生產(chǎn)最大瓶頸
薄膜太陽能電池因為廉價的襯底材料(如玻璃、不銹鋼、聚酯膜)，有柔性，材料禁帶寬度可調(diào)控，組件溫度系數(shù)低等優(yōu)點很受矚目，在光伏市場的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，2010年已經(jīng)占13%以上的市場份額。各種薄膜電池都有一些瓶頸問題尚未解決。
目前硅基薄膜太陽能電池，無論單結(jié)、雙結(jié)還是三結(jié)電池，制造工藝都是采用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟氣體。荷蘭科學(xué)家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上發(fā)表文章稱，這種含氟氣體對環(huán)境造成的溫室效應(yīng)比CO2高17200～22800倍。太陽能光伏發(fā)電一直以來被認(rèn)為是綠電，那么在制造環(huán)節(jié)中也應(yīng)該采用綠工藝。對于硅基薄膜電池廠商來說，有尋找新的清洗氣體替代當(dāng)前的氟化物的方案，降低溫室氣體排放。另一種方案是盡快提高電池的轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)穩(wěn)定效率達(dá)到12%～16%，才有可能補償排放的溫室氣體對環(huán)境的影響。此外由于硅薄膜組件效率低(5%～7%)，在光伏系統(tǒng)應(yīng)用中單位發(fā)電功率占地面積幾乎是晶體硅組件(效率為13%～15%)的2倍，相應(yīng)地，BOS的成本也要增加，可見提高硅基薄膜組件的光電轉(zhuǎn)換效率是贏得市場的重要條件。
最近幾年，更多的人開始關(guān)注CIGS薄膜太陽能電池，量產(chǎn)化成功的案例是日本的SolarFrontier(前身是Showa Shell)，技術(shù)和設(shè)備是自主開發(fā)的。其CIGS薄膜的技術(shù)路線是濺射加后硒化處理，核心就是后硒化處理。由于硒化過程采用有毒氣體，硒化設(shè)備的設(shè)計非常重要，而市場上沒有專業(yè)的硒化設(shè)備供應(yīng)商。此外采用蒸發(fā)技術(shù)制備CIGS薄膜遇到的問題是如何做到大面積薄膜的均勻性和可靠性，包括薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)和厚度等的均勻性和可靠性。除了上述技術(shù)上的難題，原材料In也是人們議論的焦點之一。In是貴金屬，地球上材料豐度小，可能會限制這類電池的大規(guī)模生產(chǎn)。這就對新材料的開發(fā)提出了高的要求。PV-tech.com網(wǎng)站2011年5月報導(dǎo)瑞士科學(xué)家在柔性塑料襯底上制備出18.7%轉(zhuǎn)換效率的CIGS電池，柔性電池的主要優(yōu)點是可以采用卷對卷工藝來降低制造成本。上圖給出了美國Global Solar公司的產(chǎn)品示意圖。柔性電池產(chǎn)業(yè)化道路上的主要障礙是如何在低溫條件下制備性能優(yōu)良的薄膜。
美國第一太陽能對CdTe薄膜電池技術(shù)嚴(yán)密封鎖，其他欲進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)在量產(chǎn)化過程中困難重重。
目前中國的薄膜電池企業(yè)大部分在硅基薄膜領(lǐng)域，也有一些企業(yè)開始進(jìn)入CIGS和CdTe薄膜電池領(lǐng)域。這些企業(yè)比較普遍的做法是關(guān)鍵設(shè)備和原材料從國外進(jìn)口，由于缺少核心技術(shù)，遇到的問題是整條生產(chǎn)線各種設(shè)備的兼容性不理想，設(shè)備與工藝的集成度不高，導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低，成本難以下降，市場競爭力弱。
三類薄膜電池齊頭并進(jìn)各有千秋
當(dāng)前普通晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率約為16%～18%，實驗室最高效率是25%(面積4cm2)。雙結(jié)硅基薄膜太陽能電池的實驗室最高效率為11.9%(1.227cm2)，產(chǎn)品效率8%～9%；CIGS電池和CdTe電池的實驗室最高效率分別為20.1%(面積0.503mm2)和16.7%(面積1.032cm2)，這兩種化合物電池產(chǎn)品效率分別為7%～11%和8%～11%。
