硅基薄膜太陽能電池發展現狀

柴甜甜

摘? 要：眾所周知，能源驅動城市發展，然而隨著傳統能源日漸枯竭以及全球環境污染逐日加劇，人類迫切需要尋找新型可再生能源以驅動城市發展。因此，發展可再生能源已成為我國能源結構轉型和緩解氣候惡化的關鍵途徑。科學研究表明，太陽能發電是一種清潔可再生的能源利用方案，具有“取之不盡，用之無竭”的優點。目前已商用化的晶體硅太陽能電池的光電轉化效率最高，但受材料純度和制備工藝的限制，晶體硅太陽能電池很難在提高光電轉化效率的同時降低生產成本。于是，硅基薄膜太陽能電池的問世無疑是一道曙光——薄膜太陽能電池只需幾微米的吸光層就能實現高效率光電轉換，可以在降低生產成本的同時提高光電轉化效率，具有生產成本低、硅材消耗少、光電轉換效率高的無可比擬優勢。

關鍵詞：太陽能電池;多晶硅薄膜;非晶硅薄膜;微晶硅薄膜

中圖分類號：TM914.4+2 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著傳統不可再生能源的日益枯竭以及全球環境污染問題的逐日加劇，世界多國政府以及科研團隊開始致力于太陽能電池的研究[1-4]。自太陽能電池問世以來，晶體硅太陽能電池一直是光伏電池市場中最重要的組成部分且經過幾十年的產業發展，單晶硅、多晶硅制造技術已經日臻成熟。然而，在傳統塊狀晶硅光伏產業商業化的發展進程中，人們也逐漸認識到傳統晶體硅太陽能電池的致命缺點——其光吸收層較厚，因此大量耗費儲量有限的晶硅資源且其生產成本無法進一步降低。因此，為了在有效節約晶硅資源的同時降低制造成本，人們開始設計并研發薄膜晶硅光伏電池。薄膜晶硅光伏電池僅僅需要幾μm厚度的光吸收層就能達到和塊狀晶硅光伏材料相等甚至更高的光電轉換效率。因此，硅基薄膜太陽能電池能夠在降低生產成本的同時提高光電轉化效率。

本文將從以下幾個方面展開相關分析：首先，簡要介紹了三種主流的硅基薄膜太陽能電池，包括多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池;然后，從政策優勢、成本優勢、技術優勢三個方面對硅基薄膜太陽能電池進行完善的市場分析;在本文結束語部分，對硅基薄膜太陽能電池的市場前景進行了相關總結和展望。

1 硅基薄膜電池概述

1.1 多晶硅薄膜電池

多晶硅薄膜太陽能電池不僅享有傳統塊狀晶硅光伏材料轉換效率較高、材質毒性低、原料來源范圍廣的長處和新型薄膜光伏材料節約晶硅資源、降低制造成本的優勢。

傳統塊狀晶硅光伏材料一般由厚度為350μm到450μm的高純多晶硅或單晶硅片制得， 這種硅片是經提拉或澆鑄工藝而從硅錠上鋸割而成， 因此在生產環節中，實際浪費的硅材料較多。為了節約用料， 科學家和一線工作者經過實驗總結出在低成本的襯底材料上生長晶硅薄膜來作為太陽能電池激活層的解決方案。值得指出的是，日本Kaneka公司采用等離子增強化學氣相沉積技術在玻璃襯底上制備出具有p-i-n結構、總厚度約為2μm的多晶硅薄膜光伏電池， 其光電轉換效率可達12%[5]。

1.2 非晶硅薄膜電池

非晶硅為直接帶隙半導體，其光吸收范圍較廣泛，所需光吸收層厚度較小，因此非晶硅薄膜光伏電池可以做得很薄，一般光吸收薄膜總厚度大約為1μm。非晶硅薄膜太陽能電池因其光吸收系數大、生產成本低、弱光效應好、適于規模化生產等優點[6]，已得到光伏產業市場的青睞。

近年來，非晶硅的研究進展主要集中于提高光電轉化效率、大面積生產試驗、低溫制備工藝三個方面：Kim等利用等離子增強化學氣相沉積技術，以反應原料氫氣稀釋硅烷，制備出具有異質結結構的非晶硅薄膜太陽能電池，其能量轉換率為12.5%;世界上面積最大（1.4m×1.1m）的高效非晶硅薄膜太陽能電池已在日本制成[8]，其光電轉換效率可達8%;Villar等[7，9]利用熱絲化學氣相沉積技術在低溫（低溫指略低于150℃）下制備出的一款非晶硅薄膜太陽能電池，其光電轉換率可達4.6%。

1.3 微晶硅薄膜電池

為了降低晶硅太陽能電池的生產成本， 人們先后研制出了多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池。但是隨著研究的逐漸深入， 人們發現多晶硅薄膜的晶粒尺寸要達到100μm以上時才能展現出良好的光電轉換性能， 而且大晶粒、轉化效率高的高純多晶硅薄膜的生產工藝比較復雜;此外，非晶硅薄膜太陽能電池的轉化效率較低， 且存在光致衰退效應。基于以上問題， 人們開始對微晶硅薄膜電池進行相關研究。

微晶硅薄膜太陽能電池的制備工藝與非晶硅薄膜太陽能電池兼容，且光譜響應更寬、基本無光致衰退效應[10]。近年來，Sobajima等[9]將高壓沉積技術引入到微晶硅薄膜的制備過程，使沉積速率增加到8.1nm/s，光電轉換效率達6.3%。Smirnov等[11]通過優化運行條件，將串聯微晶硅薄膜電池的光電轉換效率提高到11.3%。Chen等[12]采取熱絲化學氣相沉積技術制備出厚度為1μm、光電轉換效率為8.0%的微晶硅薄膜太陽能電池。張曉丹等[13]使用甚高頻-等離子體增強化學氣相沉積法，制得光電轉換效率為6.3%的微晶硅薄膜太陽能電池。Wang等[14]采用熱絲化學氣相沉積技術制備過渡層，所得微晶硅太陽能電池的轉換效率在光照1000h后的衰減低于10%，具有較好的穩定性。Finger等[15]同樣采用熱絲化學氣相沉積技術制備過渡層結構，所得微晶硅單質結薄膜電池光電轉換效率為10.3%，穩定性好。

2 硅基薄膜電池市場分析

2.1 政策優勢

“十二五”期間，科技部依托英利集團建立“光伏材料與技術國家重點實驗室”、天合光能建立“光伏科學與技術國家重點實驗室”，啟動了支持我國高效率晶體硅太陽電池研發及產業化的“973計劃”和“863計劃”[16]。通過“973計劃”還重點支持了有機太陽電池、寬光譜高效薄膜太陽電池和鈣鈦礦型太陽電池。

根據《太陽能利用“十三五”發展規劃征求意見稿》[17]，到2020年底，太陽能發電裝機容量達到1.6億千瓦，年發電量達到1700億千瓦時，年度總投資額約2000億元。光伏電池生產設備和輔助材料國產化率達到90%，逐步實現光伏生產裝備國產化、智能化和全產工藝一體化。單晶硅電池的產業化轉換效率達到23%以上，多晶硅電池轉換效率達到20%以上，新型薄膜太陽能電池實現產業化，轉換效率達到20%左右。

2.2 成本優勢

隨著光伏產業的大規模發展，世界范圍內出現了硅材料短缺問題[18]。因此，在穩健擴大光伏產業市場的同時，解決硅材料短缺問題尤為重要。薄膜太陽能電池是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉積一層厚度小于20μm的薄膜，并在這層薄膜中制作pn（或p-i-n） 結。光伏電池實現薄膜化，大大節省了昂貴的半導體材料，具有大幅度降低生產成本的優勢，因此是目前國際上科學研發和商業應用主要方向。

2.3 技術優勢

近年來硅基異質結（SHJ）太陽電池因其具有高對稱結構、高開路電壓、高光電轉換效率等優勢，引起學術界和商業界廣泛關注。目前，由日本Kaneka公司研制的SHJ-IBC太陽電池取得了光電轉換效高達26.63%的世界紀錄[19]。

薄膜硅/晶體硅異質結（HJT）電池是指由晶體硅和非晶硅組成的異質結太陽能電池。2017年，日本Kaneka公司研制的HJT太陽能電池創造了轉化效率為26.7%的最高紀錄[20]。近年來，我國HJT電池的研發也取得了很大進展，天合光能與上海微系統研究所聯合研發的一款HJT電池，其光電轉換效率達到23.29%[21]。

采用IBC與HJT技術結合的背結背接觸（HJBC）技術，通過在背面分別沉積n型和p型的非晶硅薄膜來形成異質結，能夠使電池效率進一步得到提升。2014年，日本Sharp和Panasonic公司分別將IBC與HJ技術結合，研發的HJBC電池光電轉換效率分別達到了25.1%和25.6%[22]。

3 結束語

相比傳統晶硅電池，硅基薄膜太陽能電池具有生產成本低、硅材消耗少、轉換效率高的無可比擬優勢，因此越來越得到學術界和商業界的青睞。多晶硅薄膜太陽能電池材料成本低廉、光電轉換效率較高，但大晶粒的高純多晶硅薄膜的生產工藝比較復雜;非晶硅薄膜太陽能電池光吸收系數大、生產成本低、弱光效應好，但存在光致衰退現象;微晶硅薄膜太陽能電池光譜響應寬、基本無光致衰退效應，但是制備環節中的沉積速率較慢。硅基薄膜太陽能電池的未來發展方向總結為以下三點：第一，通過工業生產實踐，不斷優化大晶粒的高純多晶硅的生產方案，以進一步降低多晶硅薄膜電池的生產成本;第二，通過相關技術手段，降低非晶硅薄膜光致衰退效應帶來的不利影響，以提高其電池穩定性和耐用性;第三，通過化學機理研究，提高微晶硅薄膜沉積速率，以加快微晶硅薄膜電池產業化生產。

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