成本優(yōu)勢凸顯 非晶硅薄膜漸成太陽能電池主流
隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，非晶硅薄膜太陽能電池市場前景看好，技術(shù)日臻成熟，光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性不斷提高。據(jù)預(yù)測，到2030年，薄膜太陽能電池將占整體太陽能電池份額的30%以上。
基于晶體硅(單晶硅和多晶硅)的太陽能電池由于發(fā)展歷史較早且技術(shù)比較成熟，在裝機容量一直占據(jù)領(lǐng)先地位。盡管技術(shù)進步和市場擴大使其成本不斷下降，但由于材料和工藝的限制，晶體硅太陽能電池進一步降低成本的空間相當(dāng)有限，很難達到光伏科學(xué)家和能源專家在上世紀80年代初預(yù)測的光伏發(fā)電與柴油發(fā)電競爭的臨界點———太陽能電池的成本1美元/瓦。因此第一代太陽能電池很難承擔(dān)太陽能光伏發(fā)電大比例進入人類能源結(jié)構(gòu)并成為基礎(chǔ)能源的組成部分的歷史使命，薄膜太陽能電池益發(fā)得到世界各國的重視。
薄膜太陽能電池浮出水面
上世紀70年代的能源危機，使各國更加重視尋找可替代能源，這為薄膜太陽能電池的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。最早開發(fā)的主要是非晶硅薄膜電池，但非晶硅薄膜電池轉(zhuǎn)換效率低，一般只有5%-8%，并且氫化非晶硅還有光致衰退問題，但是由于其制造工藝簡單、成本低、不需要高溫過程、襯底選擇余地大、適于大面積生產(chǎn)等特點，在上世紀80代中后期，非晶硅太陽能電池產(chǎn)量份額曾一度達到20%。但由于其受本征及非本征衰減大等問題累加的困擾，加之市場規(guī)模很小，發(fā)展受到限制?？茖W(xué)家們開始研究開發(fā)轉(zhuǎn)換效率高的化合物薄膜電池，一般在10%以上，甚至達到20%，但因成本高、部分元素有污染等問題，使推廣受到限制。多晶硅薄膜電池效率達到15%以上，但由于工藝復(fù)雜等，大面積電池尚存在諸多問題。
基于非晶硅及多晶化合物半導(dǎo)體(包括納米氧化鈦染料及多晶硅薄膜)的薄膜太陽能電池的市場份額雖然現(xiàn)在占整個光伏市場的不足20%，但隨著非晶硅太陽能電池的衰減降低、CIGS和CdTe太陽能電池制造技術(shù)的突破，薄膜太陽能電池更具備競爭性。
圍繞薄膜太陽能電池研究的熱點是，開發(fā)高效、低成本、長壽命的光伏太陽能電池。它們應(yīng)具有如下特征：低成本、高效、長壽命、材料來源豐富、無毒，科學(xué)家們比較看好非晶硅薄膜太陽能電池。
非晶硅成薄膜太陽能電池主流
目前，較成熟且已經(jīng)大批量生產(chǎn)的薄膜太陽能電池是基于非晶硅系的薄膜太陽能電池，具有以下突出優(yōu)點：高溫下的光伏輸出特性好，比晶體硅太陽能電池有更大的實際功率輸出，環(huán)境友好，更少的能量償還時間。
薄膜太陽能電池還有一個重要優(yōu)點是適合作與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電組件(BIPV)：雙層玻璃封裝剛性的薄膜太陽能電池組件，可以根據(jù)需要，制作成不同的透光率，可以部分代替玻璃幕墻，而不銹鋼和聚合物襯底的柔性薄膜太陽能電池適用于建筑屋頂?shù)刃枰煨偷牟糠?。一方面它具有漂亮的外觀，能夠發(fā)電；另一方面，用于薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電薄膜(TCO)又能很好地阻擋外部紅外射線的進入和內(nèi)部熱能的散失，雙層玻璃中間的PVB或EVA，能夠有效隔斷能量的傳導(dǎo)，起到LOW-E玻璃的功能。由于城市用地的稀缺性，大規(guī)模占用耕地建設(shè)地面太陽能光伏發(fā)電站幾乎不可能，但是，城市大量的既有和待開發(fā)的建筑外立面和屋頂面積，是城市利用光伏發(fā)電最好的平臺：它們避免了現(xiàn)有玻璃幕墻的光污染問題，又能代替建材，同時發(fā)電又節(jié)能，將成為未來城市利用光伏發(fā)電的主要方向。
目前占最大份額的薄膜太陽能電池是非晶硅太陽能電池，通常為pin結(jié)構(gòu)電池，窗口層為摻硼的P型非晶硅，接著沉積一層未摻雜的i層，再沉積一層摻磷的N型非晶硅，并鍍電極。
非晶硅電池一般采用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition———等離子增強型化學(xué)氣相沉積)方法使高純硅烷等氣體分解沉積而成的。此種制作工藝，可以在生產(chǎn)中連續(xù)在多個真空沉積室完成，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。由于沉積分解溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積薄膜，易于大面積化生產(chǎn)，成本較低。在玻璃襯底上制備的非晶硅基太陽能電池的結(jié)構(gòu)為：Glass/TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/Al，在不銹鋼襯底上制備的非晶硅基太陽能電池的結(jié)構(gòu)為：SS/ZnO/n-a-Si：H/i-a-Si(Ge)：H/p-na-Si：H/ITO/Al。
目前，薄膜太陽能電池廠家也在積極擴大生產(chǎn)規(guī)模，每條生產(chǎn)線的生產(chǎn)規(guī)模大多在20MW以上，產(chǎn)品規(guī)格多相當(dāng)于TFT-LCD五代線以上水平，面積在1.4平方米以上。
薄膜太陽能電池份額不斷提升
科技工作者正在不斷努力，致力于改善薄膜特性，精確設(shè)計光電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度及均勻性，改善各層之間界面狀態(tài)。而對薄膜硅太陽能電池，集成型非晶硅太陽能電池的激光切割的使用有效面積達90%以上，目前大面積大量生產(chǎn)的硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5%-8%。研發(fā)的領(lǐng)域主要涉及以下幾個方面：非晶硅光致退化機理和穩(wěn)定性改進；薄膜多晶硅低溫成核及晶化機理；微晶硅生長機制、結(jié)構(gòu)控制及電性能調(diào)制；特定光伏薄膜材料，特別是納米技術(shù)微結(jié)構(gòu)與光伏性能及制備新技術(shù)的研究，拓寬光譜響應(yīng)的新材料、新結(jié)構(gòu)、新方法等。以上領(lǐng)域的技術(shù)進步將實現(xiàn)太陽能電池的高效率和高穩(wěn)定性。
目前，在平板顯示領(lǐng)域，基于大面積TFT(薄膜晶體管)的TFT-LCD工藝已十分成熟，借鑒其大面積非晶硅均勻性成膜的工藝和設(shè)備，目前通常做法是采用TFT-LCD工藝中用于薄膜晶體管生產(chǎn)的設(shè)備，來生產(chǎn)薄膜硅太陽能電池。美國、歐洲和日本的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，都在積極努力角逐這一市場。從5代線(基板規(guī)格1.1米×1.3米)起步，到8.5代(基板規(guī)格2.2米×2.6米)生產(chǎn)線，生產(chǎn)規(guī)模從20MW到60MW。據(jù)稱已經(jīng)有10余條40MW-50MW生產(chǎn)線已被訂購，估計2008年-2009年將新增500MW的薄膜硅太陽能電池生產(chǎn)能力。薄膜太陽能電池所占份額也將逐年增長，據(jù)預(yù)測，到2030年將占整體太陽能電池份額的30%以上，從而與晶體硅太陽能電池平分秋色。
