柔性薄膜电池技术.docx

柔性非晶硅薄膜太阳电池技术
摘要：柔性衬底薄膜太阳能电池作为太阳电池的一个新品种，近年来开始受到人们的重视，世界上许多公司竞相开发研究。柔性太阳电池与平板式晶体硅、玻璃衬底的薄膜电池等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，并具有较高的质量比功率(500W/kg)，故能够安装在流线型汽车的顶部，房屋等建筑物的楼顶与外墙面，以及对地观测的平流层飞艇表面，应用前景光明。和玻璃衬底上的薄膜电池相比，主要基于金属膜和有机聚脂膜的柔性衬底薄膜太阳能电池的制备方法有很大的不同。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要单位是美国的联合太阳能公司(United Solar)，欧洲的VHF-technologies公司，和日本的Sharp公司，Sanyo公司，采用的主要方法是自动化的卷对卷(roll to roll)工艺。目前柔性衬底薄膜太阳能电池的大规模生产制备是国内急需解决的关键问题，但我国在这一领域和国外先进水平差距很大。本文中对其现状，制备工艺和技术路线作了调研和分析。
关键词：太阳电池；柔性衬底；薄膜；卷对卷
一柔性衬底薄膜太阳电池的特点
在过去的几十年中，人类经济活动的持续高速发展使得电力需求迅速增加。太阳电池是一种利用光生伏特效应将太阳能能直接转换为电能的半导体器件，很容易实现并网发电或作为独立能源。众所周知，太阳电池发电具有许多优点，如安全可靠，无噪声无污染，能量随处可得，不受无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护方便、可以无人值守、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是常规发电所不及的。
目前，太阳电池发电在航天、通讯及微电子领域已占据了不可替代的位置，但在社会整体能源结构中所占比例很小，主要原因是太阳电池成本较高，要使其真正成为能源体系的组成部分，必须大幅度降低成本。薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体硅(单晶或多晶)太阳电池具有更大的优势，一是实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序；三是薄膜太阳电池采用低温工艺技术，不仅有利于节能降耗，而且便于采用廉价衬底(玻璃、不锈钢等)。为此,自上世纪70年代以来，世界各国纷纷投入巨资，制定规划，组织队伍，掀起对薄膜太阳电池的研究热潮，三十几年来在研究和开发应用方面均取得了长足的进步。
薄膜太阳电池主要涉及非晶硅(a-Si：H)、铜铟镓硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化镉(CdTe)光伏电池和集成组件，在本文中主要讨论的是目前商业化最成熟的非晶硅太阳电池。薄膜太阳电池按衬底分为硬衬底和柔性衬底两大类。所谓柔性衬底太阳电池是指在柔性材料(如不锈钢、聚酯膜)上制作的电池，与平板式晶体硅、玻璃衬底的非晶硅等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻、可折叠和不易破碎。以美国Uni-Solar公司采用不锈钢作衬底为例，不锈钢的厚度仅为127um，且具有极好的柔软性，可以任意卷曲、裁剪、粘贴，既使弯成很小的半径，作数百次卷曲，电池性能也不会发生变化。而以高分子聚合物聚酰亚胺为柔性衬底制备的非晶硅太阳电池，器件总厚度约100um左右(含封装层)，功率重量比可达到500W/Kg以上，比不锈钢衬底非晶硅电池高出近十倍，是世界上最轻的太阳电池。从制备工艺上看，由于此结构电池采用卷对卷(roll to roll)工艺制造，便于大面积连续生产，降低成本的潜力很大，具有很强的竞争力。
柔性衬底太阳电池能被安置在流线型汽车的顶部、帆船、赛艇、摩托艇的船舱等不平整表面、房屋等建筑物的楼顶与外墙面。另外由于柔性薄膜电池具有较高的质量比功率(500W/kg)，同时具有可弯曲性，非常适用于对地观测的平流层飞艇表面，军事上的利用前景光明。
近年来，国外推行的光伏与建筑相结合(BIPV)，极大地推动了光伏并网系统的发展。在城镇建筑物上安装的光伏系统，通常采用与公共电网并网的形式。并网光伏系统不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力；光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大，光伏系统发电量最多时期，对电网可以起到调峰作用；光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。
BIPV的开发是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大研究热点，西方发达国家都在作为重点项目积极进行。除了在屋顶安装光伏电池板外，已推出了把光伏电池装在瓦片内的产品。此外，国外还在研究光伏墙结构(PV WALL)，将光伏系统和建筑物外墙相结合。可以预计，光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔，并且有着巨大的市场潜力，柔性衬底薄膜电池无疑将在其中扮演重要角色。
二柔性衬底薄膜太阳电池的结构
柔性衬底太阳电池可采用单结或多结结构。单结结构因其稳定性差、效率低已较少采用，而稳定性好、效率高的多结、叠层太阳电池是柔性衬底太阳电池的发展方向，目前多采用三结太阳电池结构。三结太阳电池中，每一个电池都是由三个半导体结相互叠加而成：底电池吸收红光；中间电池吸收绿光；顶电池吸收蓝光；对阳光光谱的宽范围响应是提高电池效率的关键。美国Uni-Solar公司的不锈钢衬底、三结非晶硅锗太阳电池结构如图3所示，其小面积电池效率目前达到14.6%。
三柔性衬底薄膜太阳电池的国内外现状
当前商业化非晶硅电池的稳定效率，单结、双结、三结分别为4%~5%，6%~7%，7%~8%。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要单位是美国的联合太阳能公司(United Solar)，欧洲的VHF-technologies公司，和日本的Sharp公司，Sanyo公司。
美国光伏计划的重点是"Thin Film Partnership Program"，着重研究廉价高效薄膜太阳电池，预计到2020年左右，光伏发电的成本可望同燃油发电相竞争(相当于电池效率15%，每平方米成本≤50美元)。
美国United Solar Systems公司是Energy Conversion Devices,Inc.(ECD)和N.V.Bekaert S.A(BESS Europe)合资经营，2003年建立了一条同时沉积6卷不锈钢卷带三结叠层非晶硅电池生产线，年产30MW，初始效率和稳定效率分别达到14.6%和12.6%2006年为50MW，2007年达100MW，2010年的目标是300MW。
美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位，其单结非晶硅锗电池实验室初始效率达到了13%，他们的技术团队参与组建了MWOE和Xunlight公司，并在积极筹划更大的产能。
日本在柔性衬底太阳电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、物力从事柔性衬底非晶硅太阳电池的研制，已经建成了多条兆瓦量级的聚酯膜柔性电池生产线。Sanyo公司最早在无人驾驶的太阳能飞机上采用了柔性衬底非晶太阳电池作为能源，完成了横跨美洲大陆的飞行显示了柔性非晶薄膜太阳电池作为飞行器能源的巨大潜力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制备的非晶硅太阳电池目前已能生产面积为286cm2的组件，效率已达8.1%，小面积电池的效率已达11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe叠层电池稳定效率达到9%，在日本Kumamoto建立了工厂，塑料衬底非晶硅电池的产量2006年达15MW。
欧盟则联合其成员国的多个研究机构组织包括Neuchatel大学、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等开展了聚酯膜衬底柔性电池的联合攻关，目前已经实现了小批量的生产线。欧盟于2005年10月1日启动了"FLEXCELLENCE"项目，为期3年，目标是开发出高效率薄膜电池组件卷对卷生产的设备和工艺，建成50兆瓦以上的柔性电池生产线，并希望将生产成本控制在每瓦0.5欧元。据2007年的报道，目前Neuchatel大学的聚酯膜衬底非晶硅叠层电池实验室效率达到10.8%，VHF-technologies公司的年产能为25MW。
我国的柔性衬底薄膜电池的研究进展较慢。哈尔滨Chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池，电池初始效率为4.63%，功率重量比为231.5W/kg，但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展，他们在0.115cm2的聚酰亚胺衬底上获得单结薄膜电池的初始效率为4.84%，功率重量比为341W/kg。
柔性衬底电池的产业化方面，目前天津津能电池有限公司在建6MW非晶硅柔性电池生产线，30MW生产线已经开始了项目论证，新疆天富光伏光显有限公司在建1MW非晶硅柔性电池生产线，未来准备建立8MW。这两家公司都由于设备及技术由国外进口，预计电池成本偏高。总的来说，国内目前具备了非晶硅薄膜电池研制的技术基础，但是在柔性衬底上的研究还处于刚刚起步的阶段，和国外的差距较大。
四柔性衬底薄膜太阳电池的制备
下面以美国Uni-Solar公司的不锈钢柔性衬底三结非晶硅太阳电池为例简单介绍卷对卷(roll to roll)生产过程。
将成卷不锈钢带(带磁性)装入专用清洗机中，采用卷对卷方式进行钢带传送，对钢带两个表面同时进行清洗、干燥。首先磁控溅射沉积金属和金属氧化层，以增强衬底的反射率。然后采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)沉积非晶硅层，以形成叠层太阳电池结构，这是整个制造过程中最关键的工艺步骤。对于三结非晶硅太阳电池来说，需要在已经做好的背反射器的表面连续沉积9层硅基薄膜，包括3个P-I-N结子电池，各分离的反应室之间需要设计独特的气氛隔离室以防止相邻反应室间的气体交叉污染。硅基薄膜沉积完成之后，需在电池顶部沉积铟锡氧化物(ITO)，即透明导电氧化层作为入射光的减反射层。然后需要在光入射一面布置栅线，并根据最后电池的尺寸和形状，进行切割、电极接合、电池切割和电池互联，从而构成具有一定参数的电池组件。该生产线的年产量为30MW，造价为6000万美元，90米长，3米高，以厚度127μm的不锈钢(长2.6km，宽36cm)为衬底.
采用roll to roll技术来制备大面积柔性衬底非晶硅太阳电池，有以下关键技术问题需要解决：非晶硅薄膜的高速沉积；大面积薄膜生长时的均匀性；各反应室间气体隔离装置的开发；实时监控与诊断等等。整个roll to roll生产线的开发是一个国家综合工业实力和基础的体现。
五上海太阳能工程技术研究中心的工作
上海市太阳能工程技术研究中心目前拥有整套的柔性非晶薄膜电池研制线，太阳模拟器、QE测试设备等测试装置，目前所研制的不锈钢衬底非晶硅电池，电池效率达到8.4%(AM0，25℃)；聚酰亚胺衬底非晶硅电池，电池效率达到6.4%(AM0，25℃)。