- 柔性非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的探討
- 認(rèn)識(shí)柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
- 解決柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的制備方法
一柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的特點(diǎn)
在過(guò)去的幾十年中，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的持續(xù)高速發(fā)展使得電力需求迅速增加。太陽(yáng)電池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，很容易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電或作為獨(dú)立能源。眾所周知，太陽(yáng)電池發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠，無(wú)噪聲，無(wú)污染，能量隨處可得，不受無(wú)需消耗燃料、無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)方便、可以無(wú)人值守、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)發(fā)電所不及的。
目前，太陽(yáng)電池發(fā)電在航天、通訊及微電子領(lǐng)域已占據(jù)了不可替代的位置，但在社會(huì)整體能源結(jié)構(gòu)中所占比例很小，主要原因是太陽(yáng)電池成本較高，要使其真正成為能源體系的組成部分，必須大幅度降低成本。薄膜太陽(yáng)電池在降低成本方面比晶體硅(單晶或多晶)太陽(yáng)電池具有更大的優(yōu)勢(shì)，一是實(shí)現(xiàn)薄膜化后，可極大地節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料；二是薄膜電池的材料制備和電池同時(shí)形成，因此節(jié)省了許多工序；三是薄膜太陽(yáng)電池采用低溫工藝技術(shù)，不僅有利于節(jié)能降耗，而且便于采用廉價(jià)襯底(玻璃、不銹鋼等)。為此,自上世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)紛紛投入巨資，制定規(guī)劃，組織隊(duì)伍，掀起對(duì)薄膜太陽(yáng)電池的研究熱潮，三十幾年來(lái)在研究和開發(fā)應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
薄膜太陽(yáng)電池主要涉及非晶硅(a-Si：H)、銅銦鎵硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光伏電池和集成組件，在本文中主要討論的是目前商業(yè)化最成熟的非晶硅太陽(yáng)電池。薄膜太陽(yáng)電池按襯底分為硬襯底和柔性襯底兩大類。所謂柔性襯底太陽(yáng)電池是指在柔性材料(如不銹鋼、聚酯膜)上制作的電池，與平板式晶體硅、玻璃襯底的非晶硅等硬襯底電池相比，其最大的特點(diǎn)是重量輕、可折疊和不易破碎。以美國(guó)Uni-Solar公司采用不銹鋼作襯底為例，不銹鋼的厚度僅為127um，且具有極好的柔軟性，可以任意卷曲、裁剪、粘貼，既使彎成很小的半徑，作數(shù)百次卷曲，電池性能也不會(huì)發(fā)生變化。而以高分子聚合物聚酰亞胺為柔性襯底制備的非晶硅太陽(yáng)電池，器件總厚度約100um左右(含封裝層)，功率重量比可達(dá)到500W/Kg以上，比不銹鋼襯底非晶硅電池高出近十倍，是世界上最輕的太陽(yáng)電池。從制備工藝上看，由于此結(jié)構(gòu)電池采用卷對(duì)卷(roll to roll)工藝制造，便于大面積連續(xù)生產(chǎn)，降低成本的潛力很大，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
柔性襯底太陽(yáng)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面、房屋等建筑物的樓頂與外墻面。另外由于柔性薄膜電池具有較高的質(zhì)量比功率(500W/kg)，同時(shí)具有可彎曲性，非常適用于對(duì)地觀測(cè)的平流層飛艇表面，軍事上的利用前景光明。
近年來(lái)，國(guó)外推行的光伏與建筑相結(jié)合(BIPV)，極大地推動(dòng)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。在城鎮(zhèn)建筑物上安裝的光伏系統(tǒng)，通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力；光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無(wú)需額外占用土地，這對(duì)于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大，光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多時(shí)期，對(duì)電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用；光伏陣列吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。
BIPV的開發(fā)是目前世界上大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的一大研究熱點(diǎn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在作為重點(diǎn)項(xiàng)目積極進(jìn)行。除了在屋頂安裝光伏電池板外，已推出了把光伏電池裝在瓦片內(nèi)的產(chǎn)品。此外，國(guó)外還在研究光伏墻結(jié)構(gòu)(PV WALL)，將光伏系統(tǒng)和建筑物外墻相結(jié)合。可以預(yù)計(jì)，光伏與建筑相結(jié)合是未來(lái)光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場(chǎng)潛力，柔性襯底薄膜電池?zé)o疑將在其中扮演重要角色。
二柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)
柔性襯底太陽(yáng)電池可采用單結(jié)或多結(jié)結(jié)構(gòu)。單結(jié)結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性差、效率低已較少采用，而穩(wěn)定性好、效率高的多結(jié)、疊層太陽(yáng)電池是柔性襯底太陽(yáng)電池的發(fā)展方向，目前多采用三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。三結(jié)太陽(yáng)電池中，每一個(gè)電池都是由三個(gè)半導(dǎo)體結(jié)相互疊加而成：底電池吸收紅光；中間電池吸收綠光；頂電池吸收藍(lán)光；對(duì)陽(yáng)光光譜的寬范圍響應(yīng)是提高電池效率的關(guān)鍵。美國(guó)Uni-Solar公司的不銹鋼襯底、三結(jié)非晶硅鍺太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，其小面積電池效率目前達(dá)到14.6%。
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三柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
當(dāng)前商業(yè)化非晶硅電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)分別為4%~5%，6%~7%，7%~8%。世界上從事柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池的研制生產(chǎn)的主要單位是美國(guó)的聯(lián)合太陽(yáng)能公司(United Solar)，歐洲的VHF-technologies公司，和日本的Sharp公司，Sanyo公司。
美國(guó)光伏計(jì)劃的重點(diǎn)是"Thin Film Partnership Program"，著重研究廉價(jià)高效薄膜太陽(yáng)電池，預(yù)計(jì)到2020年左右，光伏發(fā)電的成本可望同燃油發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)(相當(dāng)于電池效率15%，每平方米成本≤50美元)。
美國(guó)United Solar Systems公司是Energy Conversion Devices,Inc.(ECD)和N.V.Bekaert S.A(BESS Europe)合資經(jīng)營(yíng)，2003年建立了一條同時(shí)沉積6卷不銹鋼卷帶三結(jié)疊層非晶硅電池生產(chǎn)線，年產(chǎn)30MW，初始效率和穩(wěn)定效率分別達(dá)到14.6%和12.6%。2006年為50MW，2007年達(dá)100MW，2010年的目標(biāo)是300MW。
美國(guó)Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，其單結(jié)非晶硅鍺電池實(shí)驗(yàn)室初始效率達(dá)到了13%，他們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)參與組建了MWOE和Xunlight公司，并在積極籌劃更大的產(chǎn)能。
日本在柔性襯底太陽(yáng)電池的研究方面也走在世界前列。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硅太陽(yáng)電池的研制，已經(jīng)建成了多條兆瓦量級(jí)的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。Sanyo公司最早在無(wú)人駕駛的太陽(yáng)能飛機(jī)上采用了柔性襯底非晶太陽(yáng)電池作為能源，完成了橫跨美洲大陸的飛行，顯示了柔性非晶薄膜太陽(yáng)電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制備的非晶硅太陽(yáng)電池目前已能生產(chǎn)面積為286cm2的組件，效率已達(dá)8.1%，小面積電池的效率已達(dá)11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩(wěn)定效率達(dá)到9%，在日本Kumamoto建立了工廠，塑料襯底非晶硅電池的產(chǎn)量2006年達(dá)15MW。
歐盟則聯(lián)合其成員國(guó)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動(dòng)了"FLEXCELLENCE"項(xiàng)目，為期3年，目標(biāo)是開發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對(duì)卷生產(chǎn)的設(shè)備和工藝，建成50兆瓦以上的柔性電池生產(chǎn)線，并希望將生產(chǎn)成本控制在每瓦0.5歐元。據(jù)2007年的報(bào)道，目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10.8%，VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。
我國(guó)的柔性襯底薄膜電池的研究進(jìn)展較慢。哈爾濱Chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結(jié)薄膜電池，電池初始效率為4.63%，功率重量比為231.5W/kg，但此后進(jìn)展不大。近年來(lái)南開大學(xué)在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進(jìn)展，他們?cè)?.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結(jié)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(chǎn)業(yè)化方面，目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，30MW生產(chǎn)線已經(jīng)開始了項(xiàng)目論證，新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線，未來(lái)準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國(guó)外進(jìn)口，預(yù)計(jì)電池成本偏高。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)目前具備了非晶硅薄膜電池研制的技術(shù)基礎(chǔ)，但是在柔性襯底上的研究還處于剛剛起步的階段，和國(guó)外的差距較大。
四柔性襯底薄膜太陽(yáng)電池的制備
下面以美國(guó)Uni-Solar公司的不銹鋼柔性襯底三結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池為例簡(jiǎn)單介紹卷對(duì)卷(roll to roll)生產(chǎn)過(guò)程。
將成卷不銹鋼帶(帶磁性)裝入專用清洗機(jī)中，采用卷對(duì)卷方式進(jìn)行鋼帶傳送，對(duì)鋼帶兩個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行清洗、干燥。首先磁控濺射沉積金屬和金屬氧化層，以增強(qiáng)襯底的反射率。然后采用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積非晶硅層，以形成疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，這是整個(gè)制造過(guò)程中最關(guān)鍵的工藝步驟。對(duì)于三結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，需要在已經(jīng)做好的背反射器的表面連續(xù)沉積9層硅基薄膜，包括3個(gè)P-I-N結(jié)子電池，各分離的反應(yīng)室之間需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的氣氛隔離室以防止相鄰反應(yīng)室間的氣體交叉污染。硅基薄膜沉積完成之后，需在電池頂部沉積銦錫氧化物(ITO)，即透明導(dǎo)電氧化層作為入射光的減反射層。然后需要在光入射一面布置柵線，并根據(jù)最后電池的尺寸和形狀，進(jìn)行切割、電極接合、電池切割和電池互聯(lián)，從而構(gòu)成具有一定參數(shù)的電池組件。該生產(chǎn)線的年產(chǎn)量為30MW，造價(jià)為6000萬(wàn)美元，90米長(zhǎng)，3米高，以厚度127μm的不銹鋼(長(zhǎng)2.6km，寬36cm)為襯底
采用roll to roll技術(shù)來(lái)制備大面積柔性襯底非晶硅太陽(yáng)電池，有以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決：非晶硅薄膜的高速沉積；大面積薄膜生長(zhǎng)時(shí)的均勻性；各反應(yīng)室間氣體隔離裝置的開發(fā)；實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷等等。整個(gè)roll to roll生產(chǎn)線的開發(fā)是一個(gè)國(guó)家綜合工業(yè)實(shí)力和基礎(chǔ)的體現(xiàn)。
五總結(jié)
柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池的大規(guī)模生產(chǎn)制備是國(guó)內(nèi)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，但我國(guó)在這一領(lǐng)域和國(guó)外先進(jìn)水平差距很大。本文中就是對(duì)其現(xiàn)狀，制備工藝和技術(shù)路線作了調(diào)研和分析。相信能給讀者帶來(lái)學(xué)習(xí)查閱的作用。
