太阳能光伏发电应用技术4薄膜太阳电池

4.1概述晶体硅电池的优势：由于晶体硅太阳电池具有转换效率高、性能稳定等优点,自从40多年前光伏开始地面应用以来,一直占有主导地位。晶体硅电池的成本：传统的晶体硅电池需用大量半导体物料,价格较贵,而且比较笨重,使其应用范围受到限制。而且,传统晶体硅太阳电池的技术发展已日臻成熟,其主要成本来自硅晶体材料,进一步压缩成本的空间十分有限。在2004年以前,晶体硅电池的原料主要是利用半导体行业中电子级硅的头尾料、次品或废料,后来由于太阳电池行业的快速发展,太阳电池所消耗的多晶硅原材料超过了半导体行业中多晶硅原材料的用量。从2006年开始出理了多晶硅原材料严重短缺,价格飞涨的局面,成了制约当时晶体硅电池生产的瓶颈。替代方案：薄膜太阳电池由于所用材料少、价格低廉,受到了人们的青睐,特别是近年来光伏与建筑一体化开始大量推广应用,采用薄膜电池更有其独特的优点。薄膜太阳电池的特点(1)生产成本低

由于反应温度低,可在200℃左右的温度下制造,因此可在玻璃、不锈钢板、铝箔、陶瓷板、聚合物等基片上淀积薄膜,易于实现规模化生产,降低成本。(2)材料用量少

非晶硅光吸收系数大,硅膜的厚度可极薄。例如,使用单晶硅,要充分吸收太阳光,需要的厚度为180~200µm;而使用非晶硅,只要1µm就已足够,并且不需像单晶那样切片,材料的浪费极少。4.1概述(3)制造工艺简单,可连续、大面积、自动化批量生产采用玻璃基板的非晶硅太阳电池,其主要工序目前普遍采用的是等离子增强型化学气相淀积(PECVD，PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)法,生产方式具有自动化程度高、生产效率高的特点。此种制作工艺可以连续多个真空淀积室或多片在一个沉积室内完成,从而实现大批量生产。(4)制造过程消耗电力少,能量偿还时间短用PECVD法制备非晶硅,基板温度仅200~250℃,且放电电极所需的放电功率密度较低。与单晶硅在1412℃以上反复多次熔解相比,所消耗的电力少得多。晶体硅太阳电池的能偿还时间为2~3年,而转换效率为6%的非晶硅太阳电池只要1~1.5年。(5)高温性能好

当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时,其输出功率会有所下降。对于晶体硅电池,温度每升高1℃,输出功率约下降0.5%;而薄膜电池温度系数较低,如非晶硅太阳电池只下降0.25%,因而其输出功率受温度的影响比晶体硅太阳电池要小得多。例如,一座1MW的单晶硅电池光伏电站,在太阳电池的温度达到65℃时,输出功率只有800kW,而如果采用相同功率的CdTe电池,在同样温度下,其输出功率还有900kW。4.1概述(6)弱光响应好,充电效率高由于非晶硅电池在整个可见光范围内的光谱响应范围宽,在实际使用中对低光强有较好的适应性,而且能够吸收散射光。与相同功率的晶体硅太阳电池相比,非晶硅电池的发电量约可增加10%。(7)不存在内部电路短路问题

实用的集成型薄膜太阳电池已经在工艺中实现了电池互联,输出电压高,避免了晶体硅太阳电池组件互联封装引起的可靠性等问题。(8)适合与建筑一体化(BIPV)可以根据需要制成不同的透光率,代替玻璃幕墙;也可制成以不锈钢或聚合物为衬底的柔性电池,适合于建筑物曲面屋顶等处使用;还可以做成折叠式电源,方便携带,供给小型仪器、计算机及军事、通信、GPS等领域的移动设备使用。4.1概述薄膜太阳电池的主要有以下缺点(1)转换效率偏低特别是规模化生产的非晶硅电池组件,转换效率大约只有晶体硅电池组件的一半。(2)相同功率所需要太阳电池的面积增加与晶体硅相比,使用时要占用较大的面积,这在安裝空间有限的情况下,将会受到限制,相应的BOS系统成本也要增加。(3)稳定性差由于非晶硅的光致表减特性,非晶硅电池的光电转换效率在强光照后含有输出逐渐衰退的现象。这在一定程度上影响了这种低成本电池的应用。(4)固定资产投资大由于制造工艺要用到先进的专门加工设备,对生产环境的要求比较高,需要较高的投资费用。2.薄膜太阳电池的分类按照所使用的光电材料,薄膜太阳电池通常可分为硅基薄膜电池(包括非晶硅、微晶硅、纳米硅、多晶硅薄膜电池)、碲化镉(CdTe)电池、铜锢稼硒(CIGS)电池、染料敏化电池(DSSC)和有机薄膜太阳电池(OPV)等。4.2非晶硅太阳电池4.2.l非晶硅太阳电池发展简史20世纪70年代初,非晶硅薄膜最初由R.C.Chitteck等人通过PECVD沉积获得。1976年,RCA实验室的Cave与ChrisWronski制作了效率为2.4%的第一块非晶硅薄膜太阳电池。1979年,Usui和Kikuchi宣布,在原有的非晶硅薄膜制备技术基础上,通过增加氢稀释度,获得氢化微晶硅薄膜(nc-Si:H)。现在,硅薄膜叠层电池已成为硅薄膜电池发展的重点。1980年,日本三洋电器公司利用非晶硅电池制成了袖珍计算器。经过20世纪80年代的研究开发,非晶硅太阳电池的转換效率和稳定性有了明显的突破。1988年,与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应用。20世纪90年代开始,为解决转换效率和稳定性问题,叠层非晶硅太阳电池得到了发展,1m2以下的、转换效率6%左右的非晶硅太阳电池组件成为主流。2006年下半年,全球最大的半导体设备供应商一美国应用材料(ApplyMaterials)公司看好光伏产业发展,借助在TFT-LCD产业主要设备PECVD、PVD的优势,采用8.5代设备进军薄膜光伏产业,集成推广了40MW单结非晶硅太阳电池生产线,使5.72m2光伏组件的转换效率达到了6%,2008年更是推出了同一组件尺寸的65MW非晶硅/微晶硅叠层太阳电池生产线。目前世界上最大的非晶硅电池组件是美国应用材料公司的SunFab生产线生产的8.5代2.2m×2.6m的非晶硅/微晶硅电池,其转换效率为8%,稳定功率接近458W。但由于氢化非晶硅合金是一种性能复杂的半导体材料,许多性质还处于研究阶段,相关理论也有待丰富完善。但与晶体硅太阳电池相比,无论是材料理论、器件研究,还是工艺,仍处在逐渐成熟的阶段。

4.2非晶硅太阳电池4.2.2非晶硅太阳电池结构l.单结非晶硅太阳电池

在非晶硅材料中,硅原子按照一定的键长和键角相互间以无序方式结合形成四面体结构。这种结构中存在许多悬挂键,通过氢原子可以与悬挂键结合使之钝化,形成氢化非晶硅(a-Si:H)。器件质量级的非晶硅薄膜中氢含量为5%~15%。

常用太阳电池材料的光吸收系数如图4-1所示,可见氢化非晶硅材料光吸收系数较大(见图4-1中的圆圈线)。具有较高的光敏性。其吸收峰分布与太阳光谱峰分布相近,有利于太阳光的利用,故适合制作薄膜太阳电池。虽然从光吸收来说氢化非晶硅材料适合制备薄膜太阳电池,但其本身也存在一些难以克服的问题。首先,其光学带隙在1.7eV左右,这一带隙的材料主要吸收可见光波段的太阳光,对长波段的太阳光不敏感,这限制了非晶硅太阳电池转换效率的提高；4.2非晶硅太阳电池

其次,非晶硅太阳电池在光照下转换效率会有所降低,即存在光致衰退效应(S-W效应),电池的稳定性较差。针对非晶硅薄膜电池的光致衰退问题,人们进行了长期的研究,并取得了显著进展。通过改善非晶硅材料的性能、优化电池陷光结构,Oerlikon公司制备的非晶硅电池转换效率已达11.0%。

非晶硅薄膜太阳电池通常分为两种结构,即P-I-N结构和N-I-P结构。其中,P-I-N型薄膜电池通常沉积在透明性较好的玻璃或耐高温塑料衬底上;而N-I-P型薄膜薄膜电池通常沉积在不透明或透光性较差的聚酯或不锈钢衬底上,具体结构如图4-2所示。P-I-N型电池对应的能带图如图4-3所示,图中能带内部的斜线表征带尾态。由于非晶硅薄膜带尾态的存在,非晶硅电池会产生一些无效光生载流子。因为P层收集空穴,而空穴的迁移率较低,以P层作为迎光层,缩短了光生空穴向P层传输的距离,所以,在非晶硅电池中,一般使用P层作为电池的窗口层,即太阳光的人射层。4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池2.多结叠层电池

利用不同带隙材料的吸收特性,组成多结电池,这样可提高不同光谱光子的有效利用率,使转换效率高于单节电池。同时由于多层结构,每结的厚度可以相对较薄,从而提高了电池的稳定性。理想情况下,叠层电池的开路电压等于各个子电池开路电压之和,而短路电流等于各子电池中电流最小的一个。因此,对于叠层电池,电池的匹配设计对获得高的转换效率至关重要。填充因子由各子电池的填充因子和它们电流的差值决定。在两个子电池的连接处是顶电池的N层与底电池的P层相连。这是一个反向P-N结,在此处,光电流以隧道复合的方式流过。为了增加隧道效应,提高载流子的迁移率是最为有效的方法,在实际器件中通常采用微晶P层与微晶N层组合。(1)非晶硅/非晶硅双结结构

这种结构在制备过程中,通过调节顶电池与底电池中本征层的沉积参数(主要为温度和氢稀释度),使禁带宽度有所不同。由于非晶硅的禁带宽度调整范围较小,为了使底电池有足够的电流,底电池的本征层要比顶电池厚得多,顶电池与底电池的厚度分别为100nm与300nm左右,带隙分别为1.8eV、1.7eV左右。相应的电池结构与量子效率(QE)曲线如图4-4所示,能带图如图4-5所示。4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池(2)非晶硅/非晶硅锗双结结构为了提高底电池的长波响应,非晶硅锗合金是理想的本征材料，掺入锗可降低非晶硅薄膜的带隙。可通过调节等离子体中硅烷与锗烷的比例来调节材料的禁带宽度,对于非晶硅锗双叠层结构的底电池,其最佳锗硅比为15%~20%,相应的禁带宽度为1.6eV左右,电池结构如图4-6所示。4.2非晶硅太阳电池(3)非晶硅/微晶硅双结结构

微晶电池的带隙接近1.leV,长波响应与稳定性方面比非晶硅锗都要好。非晶硅/微晶硅叠层电池结构与QE曲线如图4-7所示。

微晶电池的电流相对于非晶电池高很多,故在制备非/微叠层电池时,为了使非晶电池不至过厚,通常在两结电池中间加入一层ZnO中间反射层(如图4-8所不),以增强电流匹配,且中间反射层的折射率对电池的QE影响较大。通过优化中间反射层的折射率,日本钟渊化学公司获得的非晶/微晶叠层电池转換效率为14.7%(Jsc=14.4mA/cm2,Uoc=1.41V,FF=72.8%),组件效率达到了13.2%。4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池

非晶/微晶叠层电池中,微晶硅薄膜需要1µm以上的厚度,而采用现有工艺微晶硅的沉积速率较慢;Sanyo公司研发了一种等离子体局域化(LPC-CVD)设备,采用这种设备可获得高沉积速率、高性能的微晶薄膜。设备采用锥形喷嘴排布,形成高沉积压强(>1000Pa),沉积过程中等离子体重叠,可使沉积速率达到4.lnm/s,上部将SiH2等基团快速抽出,如图4-9所示,利于获得高性能微晶硅。采用此技术,Sanyo公司在1.1×1.4m2组件上获得了11.1%(Uoc=161.7V,Isc=1.46A,FF=72.4%,Pm=171W)的初始转换效率,10%的稳定转换效率,且微晶部分沉积速率达到2.4nm/s。4.2非晶硅太阳电池非晶硅/微晶硅双结电池是新型硅薄膜电池的主要结构。首先,这种电池结构的转换效率比常规纯非晶硅电池的转換效率高;其次,电池的稳定性好;最后,生产过程中部应用锗烷,可以降低生产成本。目前,日本三菱重工、Sharp、Kaneka,欧洲的Oerliko和AppliedThinFilms公司都在着手生产大面积非晶硅/微晶硅双结太阳电池。(4)非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗三叠层结构通过三层结构,可进一步有效地利用太阳光,其光谱响应覆盖300~950nm光谱区,填充因子也比单节电池的高。对于非晶硅锗三叠层电池的设计,一般将顶电池的电流设计为三个电池中最小的,由此来限制三结电池的短路电流,提高三结电池的填充因子。三叠层结构可有效提高电池的效率及稳定性。电池结构如图4-10所示。4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池(5)非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三叠层结构

利用此结构,电池的光谱响应可延伸到1100nm,可获得最高转换效率的硅薄膜叠层电池。相对于硅锗三叠层,此结构的特点表现为短路电流和填充因子较高,且可以提高电池的稳定性。Uni-Solar公司采用此结构获得了16.3%的硅薄膜电池国际最高转換效率(见图4-11)。高效率的获得主要通过在非晶硅锗与微晶硅电池之间采用一层“双重作用”的N层组成P-N隧穿结。此N层为高电导率的nc-SiOx:H层,在作为N层的同时,此材料还作为光反射层,以增加中间非晶硅锗电池的光吸收,改善了电池的电流匹配。4.2非晶硅太阳电池4.2非晶硅太阳电池(6)非晶硅/微晶硅/微晶硅三叠层结构

利用非晶硅/微晶硅/微晶硅三叠层结构可以有效地提高电池的稳定性。Uni-Solar公司利用此结构获得的电池初始转换效率为14.1%,光照1000h后的稳定转换效率为13.3%。利用此结构的困难在于中间电池的电流很难与顶电池和底电池相匹配。为了克服此困难,可在中间电池与底电池之间插入半反射膜,从而将部分光反射到中间电池中,提高中间电池的电流；Sharp公司利用这种结构,使大面积电池的稳定转换效率提高到10%。4.2.3非晶硅太阳电池的衰减及可靠性

长期以来,影响非晶硅太阳电池推广应用的主要障碍一是效率偏低,二是性能衰减问题。削者随着技术的发展,通过采用新型的材料、结构、工艺等手段,逐渐有所改善;后者则还需要从形成机理、影响因素等多方面加以深入研究。

a-Si:H的电导率和光电特性因光照会发生衰减,该现象由Stabler和Wronski发现,因而称为S-W效应。S-W效应是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效应,光使非晶硅产生中性悬挂键等亚稳缺陷,因此,a-Si膜制备的太阳电池,经过照射后会产生变化,是由短路电流密度J及FF的降低造成的。特性变化与光照时的负载状态密切相关,如果在反向偏压状态,就没有发现特性变化。经长期更加深人和广泛的研究表明,非晶硅太阳电池在光照之后,其性能衰减快慢及程度不仅与沉积条件有关,而且与电池的结构及其他因素有关。4.2非晶硅太阳电池光照所引起的其他太阳电池参数的变化,包括暗状态反向电流密度和二极管因子的增加以及由电容一电压(C-U)法测定的结果都显示出禁带内状态密度的增加。

人们以提高a-Si太阳电池的转換效率及可靠性为目标,广泛进行了改进a-si:H膜的.究。其中一项就是研究向a-Si:H中添加杂质元素。向非晶硅P-I-N型太阳电池的I层掺2×10-6硼后，其转換效率可比常规的非掺杂I层的太阳电池增加10%左右。连续光照后,特性与I层膜厚及其他制备条件无关，且没有发现变化。另外，使用a-Si:F:H膜太阳电池的报告指出，利用SiF4气体和SiH4制备的太阳电池耐连续光照射，性能稳定。这可以从掺硼a-Si:H膜及a-Si:F:H膜的S-W效应来进行说明。

为了揭示S-W效应的起因，科学家们在理论上提出了有关S-W效应机制的各种微观模型，如Si-Si弱键模型、电荷转移模型、再杂化双位模型、Si-H弱键模型及桥键模型等。尽管目前国际学术界对S-W效应起因的解释还不一致，但在大多数模型中都提到H在光致变化中可能起重要作用。为了减少材料中H的含量，在制备方法方面采用了电子回旋共振化学气相沉积（ECR-CVD)、氢根化学气相沉积（HR-CVD)、热丝（HW)法沉积和二极管系统等；在制备工艺方面采用了用H等离子体化学退火法、H2稀释法、He稀释法及掺入氟等隋性气体法等,均取得了一定效果。比如，用常规PECVD技术制备的a-Si:H膜中含H约10%,而用化学退火法制备的a-Si:H膜，H含量小于9%;用热丝法制备则只有1%~2%。4.2非晶硅太阳电池

各种实验结果对非晶硅太阳电池的光致衰减机理给予了不同的解释，但现象基本上是一致的，即光照后大都发现JSC与FF下降较多，而UOC变化极小。此外，光照的最初几个小时中，电池性能衰减较快,而后趋于稳定，而且衰减快慢与光强有关。例如，测试N-I-P及P-I-N结构的非晶硅太阳电池在不同负载（开路、短路、最佳负载）下持续光照后特性的变化，发现开路时转换效率衰减最快,短路时最稳定，下降主要是由于JSC的衰减所致。从实验结果看，光致衰减与电池的I层厚度有关，无论ITO/N-I-P/SS还是IT0/P-I-N/SS都是如此，其影响程度随I层的减薄而减小，对ITO/N-I-P/SS太阳电池尤其如此。然而在I层掺入少量硼之后，太阳电池的光致衰减会大大地减轻。这表明非晶硅太阳电池的光致衰减可通过选择合适的结构及形成结时的掺杂技术来改善。

光照后电池性能的衰减是由于光生载流子

乘积值下降所引起的（为光生载流子迁移率，

为光生载流子寿命），或是由于光致带隙态使I层的内建电场衰减所致,这解释了I层厚度与电池衰减的关系。当电池的I层变薄时,光生载流子的收集与乘积值及内建电场强弱的关系不太大，从而衰减较小。I层减薄之后电池的光致衰减会减小，实际上已经测得了扩散长度与光照时间的关系。4.2非晶硅太阳电池

通过测试非晶硅太阳电池被光照后的暗特性J-U及光照后的光谱响应,发现低电压时J增加很多,而高电压时J几乎不变。同时，二极管结的品质因子明显增大，而且短波响应变差。这些现象似乎说明了电池中的复合电流控制了JSC和FF,电池性能的衰减应与结特性有密切的关系。从内在物理过程看,此效应可能是由于光生载流子的相互作用使得表面的弱Si-H键断裂，从而增加了表面的悬挂键密度所致。掺硼之所以可使衰减减轻，有可能是形成了B-H键,从而减少了弱Si-H键的密度;还有可能是掺硼之后，I层中具有了负电荷,这就抑制了电子陷阱的效应。

基于以上各种测试非晶硅太阳电池光致衰减的现象，取适当的模型用计算机模拟分析及大量的实验也得出类似的结果，其主要结论有以下几点：

①光诱导在非晶硅中所产生的缺陷与沉积非晶硅时所产生的缺陷不同，差别在于前者具有更大的俘获截面。

②在光谱响应上，光由P+层入射的非晶硅太阳电池（ITO/P-I-N/SS)光诱导效应的结果使长波响应下降，而光由N+层人射的非晶硅太阳电池（ITO/N-I-P/SS)光诱导效应的结果使短波响应下降。

③无论光从P+还是N+层入射，载流子收集的损失主要是体复合所致,而对上述两种电池来说,均在N+

/I界面具有最大的复合速率。4.2非晶硅太阳电池④光诱导效应增加了电池I层中的复合，从而使得空穴的扩散长度及M乘积值下降，即电池的衰减主要由I层所致。⑤在AM1持续光照下,转换效率在前48h下降最快，之后变化较小。⑥光诱导使电池性能衰减最严重是发生在开路状态的情况下。⑦光诱导的结果使电池的填充因子下降最快，而电池的开路电压相对地衰减较小。⑧在150~200度的退火条件下，太阳电池的性能可以重新恢复。⑨衰减程度与I层厚度有关,当小于300nm时，太阳电池性能相对比较稳定。⑩太阳电池工作在高温（高于90度)时其光致衰减较小，有可能是缺陷的产生与退火作用相平衡所致。⑪太阳电池受光照之后其结品质因子增大。⑫在I层中加入少量（约1x10-6)硼或磷均可改善太阳电池的稳定性,但必须严格控制，否则可能导致转换效率的下降。⑬ITO/P-I-N/SS太阳电池与ITO/N-I-P/SS太阳电池相比,前者的光致衰减较弱。综合以上分析,可以把太阳电池衰减的原因归纳为两点:一是I层中带隙中心附近费米能级的移动;二是I层中带隙下半部态密度的增加。4.2非晶硅太阳电池

从结构上讲，一种观点认为光照后非晶硅膜的弱键断裂或重新组合，从而产生悬挂键，因此测量到了非晶硅太阳电池的光致衰减。另一种观点则认为，在非晶硅网络中已存在了缺陷，光照或退火的作用仅改变了它们的电荷状态或键的构成。但无论何种模型都认为，掺硼可削弱非晶硅网络中的缺陷。

通过广泛的研究可以肯定，如果要控制非晶硅中的S-W效应为最弱，使用收集长度比I层厚度大得多的材料是一个主要途径。这样，非晶硅太阳电池转换效率的光照衰减会降至最低。然而需要指出的是，非晶硅太阳电池的光致衰减过程并非仅由S-W效应所引起，还有其他因素，仍需进行深人的研究。4.2.4

非晶硅薄膜电池的制造

以双结非晶硅电池为例，其主要工艺流程如图4-12所示。4.2非晶硅太阳电池(1)准备SnO2透明导电玻璃要求透明导电玻璃透光率>80%，SnO2膜平整、牢固。目前一般使用的规格是长度1200mm以上，宽度600mm以上,厚度3mm以上。(2)SnO2膜刻划根据生产线预定的线距，用红激光(波长为1064nm)将SnO2导电膜刻划成电气绝缘的部分，目的是将整个基板的导电膜分为若干块，作为若干个单体电池的电极。①线距:单结电池一般为10mm左右，双结电池一般为20mm左右。②刻线要求:绝缘电阻>2MΩ。③线宽（光斑直经）<100μm。④刻划速度>500mm/S。(3)清洗将刻划好的SnO2导电玻璃进行自动清洗，确保SnO2导电膜的洁净。(4)预热将SnO2导电玻璃装入夹具后推入预热炉进行预热。4.2非晶硅太阳电池（5）a-Si沉积这是a-Si电池生产工艺中的关键步骤，基本预热后将其转移至PECVD沉积炉,进行P-I-N(或P-I-N/P-I-N)沉积。要根据生产工艺要求控制沉积炉真空度、沉积温度、各种工作气体流量、沉积压力、沉积时间、射频电源放电功率等工艺参数，确保非晶硅薄膜沉积质量。

沉积P、I、N层的工作气体，一般情况下，P层用硅烷（SiH4)、硼烷（B2H6)、甲烷（CH4)、高纯氩（Ar)、高纯氢（H2)；I层用硅烷（SiH4)、高纯氢（H2)；N层用硅烷（SiH4)、磷烷（PH3)、高纯氩（Ar)、高纯氢（H2)等。（6）冷却a-Si完成沉积后，将基片装载夹具取出，放人冷却室慢速降温。（7）绿激光刻划a-Si膜根据生产预定的线宽及与SnO2割线的线间距，用绿激光（波长为532nm)将a-Si膜刻划透穿，目的是让背电极（金属铝）通过与前电极（SnO2导电膜）相连接而实现整板由若干个单体电池内部串联而成。激光刻划时a-Si膜朝下。刻划要求：线宽（光斑直经）<10μm;与SnO2刻划线的线距<100μm;刻划速度>500mm/s。4.2非晶硅太阳电池（8）镀铝镀铝的目的是形成电池的背电极。背电极既是各单体电池的负极,又是各子电池串联的导电通道，它还能反射透过a-Si膜层的部分光线，以增加太阳电池对光的吸收。镀铝有两种方法：一是蒸发镀铝，工艺简单，设备投入小，运行成本低,但膜层均匀性差，牢固度不够好，掩膜效果难以保证,操作多，耗工时，仅适于小面积镀铝；二是磁控溅射镀铝，膜层均勻性好,

大、小面积镀铝均适用，牢固度高，质量有保证,但设备投资大,运行成本稍髙。（9）绿激光刻铝对于蒸发镀铝及磁控溅射镀铝要根据预定的线宽和a-Si切割线的线间距,用绿激光（波长为532mn)将铝膜刻划成相互电气隔离的部分，目的是将整个铝膜分成若干个单体电池的背电极,进而实现整板若干个电池的内部串联。对于掩膜蒸发镀铝,没有该道工序。刻划要求：线宽（光斑直经）<100μm;与a-Si刻划线的线距<100μm;刻划速度>500mm/s.4.2非晶硅太阳电池(10)电性能测试1通过前面各道工序后，非晶硅电池芯板已形成,此时需进行伏-安特性测试，以获得电池板的各种性能参数，并通过对各参数的分析，来判断某道工序是否出现问题，以便于提高电池的质量。(11)热老化将经过电性能测试合格的电池芯板置于热老化炉内，进行110度/12h热老化。热老化的目的是使铝膜与非晶硅层结合得更加紧密,减小串联电阻,消除由于工作温度高所引起的电性能热衰减现象。（12）电性能测试2将第二次测试的结果与第一次电性能测试的结果进行比较,判断电池性能的稳定情况。（13）封装将电性能测试合格的电池芯片，通过超声波焊接等工艺在电池板的侧边焊接引出正、负电极,再敷盖EVA薄膜，敷设背板玻璃,定位后放入层压机,经加热、抽气,使电池芯板和背板玻璃粘合密封,再装上边框、接线盒等封装成组件。（14）成品测试将非晶硅组件进行性能测试，获得其最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、开路电压、短路电流、伏-安特性曲线等电气参数。完成以上工序后，即可将检验合格的产品分类包装,人库存放。4.2非晶硅太阳电池4.2.5

非晶硅薄膜电池的产业化情况

美国的Uni-Solar公司自行设计设备、生产组件，主要在不锈钢衬底上制备非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗三叠层组件，面积为900cm2的组件获得了10%以上的转换效率。日本三洋(Sanyo)与钟渊化学（Kaneka)等公司也自行研发设备、生产组件，主要制备硅锗两叠层与非/微叠层组件。钟渊化学制备的非/微叠层组件的转换效率高达13.2%。Sanyo制备的0.8m2非晶硅锗两叠层组件的转换效率达到11.2%,其研发的等离子体局域化PECVD设备制备的1.54m2非/微叠层组件，获得了11.1%的初始转换效率，稳定转换效率为10%,且其微晶本征层沉积速率高达2.4nm/s。

全球主要非晶硅薄膜组件生产厂2008年和2010年的产量见表4-1。其中Uni-solar,Kaneka、MHI,Sharp等公司的使用设备均为自行研制的。4.2非晶硅太阳电池公司技术2008年2010年Uni-Solara-Si/a-SiGe/a-SiGe柔性衬底22300Kanekaa-Si，a-Si/μc-Si玻璃1970MitsubishiHeavyInc.a-Si,a-Si/μc-Si玻璃1250SchottSolara-Si(a-Si/μc-Si)玻璃330Sharpa-Si/μc-Si玻璃

15Sanyoa-Si/μc-Si玻璃5—Ersola-Si(a-Si/jxc-Si)玻璃—40Q-Cells(Brilliant234)a-Si/jxc-Si玻璃—.>25FujiElectrica-Si/a-SiGe柔性衬底<3154.2非晶硅太阳电池国内主要的硅薄膜组件生产企业有十余家，主要使用的设备有AM、Oerlikon、JUSUNG、ULVAC、类EPV等。国内主要硅薄膜组件生产商及其使用设备情况见表4-2。生产厂商产能/MW使用设备目前产量/MW创益科技（深圳）145类EPV58正泰（浙江）75Oerlikon53.5强生光电（南通）60类EPV24.5综艺光伏（南通）50JUSUNG15天威薄膜(保定）75Oerlikon

新奥（河北）60AM

国电晶德（宜兴)60JUSUNG

百世德（南昌）120AM

通用光伏（烟台）12.5ULVAC

常源(河北）25JUSUNG(代工）津能（天津）25类EPV

源畅光电（常州）5类EPV

4.2非晶硅太阳电池

Greentechsolar公司在2011年5月发表的PV

newsannualdatacollectionresults：2010cell，moduleproductionexplodespast20GW报告中，统计了2010年全球薄膜电池生产商产量前10名，如图4-13所示。其中，非晶硅电池组件产量最多的是日本的Sharp公司，其次是中国的创益科技，中国台湾的联相光电和宇通光能分别位于第4名和第6名。

4.3碲化镉（CdTe)太阳电池

碲化镉太阳电池价格低廉，虽然转换效率不及晶体硅电池，但是要比非晶硅电池高，性能也比较稳定。虽然碲化镉太阳电池很早就开始研究,但以前人们因为镉元素有毒性，顾虑到安全问题，不敢贸然大量应用。后来证明，无论是在生产还是使用CdTe太阳电池的过程中，只要处理得当,不会产生特殊的安全问题。在美国FirstSolar公司的推动下，近年来CdTe电池已经成为发展最快的薄膜电池，目前在薄膜电池中产量最多，应用最广，受到了广泛的关注。

1963年,Cusano宣布了第一个异质结CdTe薄膜电池，结构为N-CdTe/P-Cu2-xTe，转换效率7%，但此种结构的P-N结匹配较差。1969年,Adirovich首先在透明导电玻璃上沉积CdS、CdTe薄膜，发展了现在普遍使用的CdTe电池结构。1972年，Bonnet等宣布了转换效率为5%~6%的渐变带隙CdSxTe1-x,薄膜作为吸收层的太阳电池。1991年,T.L.Chu等宣布了转换效率为13.4%的N-CdS/P-CdTe太阳电池。2001年，X.Wu等宣布了16.5%的N-CdS/P-CdTe太阳电池。2011年7月，Firstsolar宣布获得17.3%最高转换效率的CdTe电池。2011年GE获得最高转换效率为12.8%的组件效率记录（Firstsolar宣布获得14.4%的组件最高转换效率，但尚未被权威机构确认）。4.3碲化镉（CdTe)太阳电池4.3.1

CdTe材料与太阳电池特点从CdTe的物理性质来看，这种太阳电池的主要特点可以归纳如下：①CdTe是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，为直接带隙材料，可见光区光吸收系数在104cm-1以上。只需要lμm就可以吸收99%以上的可见光（波长小于826nm)，厚度只有单晶硅的1/100。因此可以制作薄膜电池，吸收层材料的用量少，成本显著降低，且能耗也明显减少。②CdTe最重要的物理性质是其带隙宽度为1.5eV,理想太阳电池转换效率与能带宽度关系的计算表明，CdTe与地面太阳光谱匹配得非常好。与CdTe能隙非常相近的GaAs(砷化镓）电池也已经实现了25%的转换效率。相信CdTe电池的转换效率还能得到一定的提升。③CdTe材料是一种二元化合物，Cd-Te化学键的键能高达5.7eV，而且是镉元素在自然界中最稳定的自然形态,因此在常温下化学性质稳定,熔点为321度，电池组件使用时一般不会超过100度，因此在正常使用中CdTe不会分解扩散。而且,CdTe不溶于水，因此在使用过程中稳定安全。4.3碲化镉（CdTe)太阳电池④Cd1-xTex合金的相位简单，温度低于320度时，单质镉Cd与碲Te相遇后所允许存在的化学形态只有固态CdTe(Cd：Te=l：l)和多余的单质，不会有其他比例的合金形态存在。所以生产工艺窗口宽，制备出来的半导体薄膜的物理性质对制备过程的环境和历史不敏感，因此产品的均勻性、良品率高，非常适合大规模工业化生产。⑤在真空环境中，温度高于400度时,CdTe固体会出现升华，直接通过固体表面形成蒸汽;但温度低于400度或环境气压升高时，升华迅速减弱，并凝聚成固体。这一特性,除了有利于真空快速薄膜制备,如近空间升华（CSS)、气相输运（VTD)外，还保证了CdTe在生产过程中的安全性。因为一旦设备的真空或高温环境被破坏,CdTe蒸汽会迅速凝结成固体颗粒或块状，不会扩散到空气中而危害人体。⑥就器件本身而言,CdTe太阳电池的温度系数小、弱光发电好。由于半导体能隙等性能随温度的变化会引起太阳电池转换效率的降低，因此同样标定功率的CdTe与晶硅电池相比，在相同光照环境下，平均全年可多发5%~10%不等的电能。碲化镉薄膜电池采用的窗口层CdS及吸收层CdTe与电极间的能带匹配是影响其转换效率和稳定性的重要因素。并且，镉和碲本身具有很强的毒性,如果处理不当，会带来环境污染，这些将成为其发展的障碍。

4.3碲化镉（CdTe)太阳电池4.3.2

CdTe薄膜太阳电池的结构

CdTe薄膜太阳电池可采用同质结或异质结等多种结构，目前国际上通用的为N-CdS/P-CdTe异质结构。在这种结构中，N-CdS与P-CdTe异质结晶格失配及能带失配较小,可获得性能较好的太阳电池。髙效CdTe薄膜太阳电池的结构如图4-14所示。

电池转换效率可通过TCO前电极得到改善，其中Cd2SnO4是高透光、低电阻的TCO,可有效改善电池的透光性及电极接触，从而提高了电池的短路电流及填充因子等性能。但是其成本比传统的SnO2导电玻璃高，考虑到性价比的问题，目前产业上主要使用SnO2导电玻璃。ZTO(ZnSnOx)为TCO/CdS缓冲层,此材料为一种高透光、高电阻的材料，传统的电池采用ZnSn04作为缓冲层。

ZTO与ZnSn04有相近的带隙宽度（《3.6eV)与电阻1)，但是ZTO经退火后透光性会得到进一步改善。使用ZTO作为缓冲层，电池在CdS较薄时CdTe/TCO的局域化会降低。这是因为ZTO有高的带隙与导电性，与CdS相匹配，且ZTO能较好地阻挡后期的蚀刻处理，减少电池内部短路的产生。4.3碲化镉（CdTe)太阳电池在使用其他TCO的同时,TCO/CdS缓冲层还可使用本征ZnO等。经过长期的实验与理论研究发现，CdS是与CdTe搭配最优的异质结材料。CdS的常用制备方法有化学水浴法（CBD)、溅射、高真空气相沉积（HVE)等。作为窗口层，在电池应用中，CdS的厚度需控制在lOOnm左右，而此厚度不能较好地晶化，在沉积完的CdS层表面进行CdCl2或真空热处理可使CdS再结晶，改善其与CdTe的接触，减小晶格失配。4.3.3

CdTe薄膜太阳电池的制造1.CdTe薄膜太阳电池的工艺流程

产业化CdTe薄膜太阳电池一般制备在玻璃衬底上,工艺流程如图4-15所示，主要为制备TCO(或直接购买SnO2导电玻璃）、沉积TCO缓冲层、CdS、CdTe、金属缓冲层及金属背电极等。此外,过程中还有激光划线、层压等工序。制备过程中，除CdS与CdTe的制备与层处理需特定设备完成，其他制备环节的设备均可与硅薄膜的设备通用。限于篇幅，这里只对CdTe薄膜的制备方法做简单介绍。4.3碲化镉（CdTe)太阳电池图4-15

制备CdTe太阳电池的工艺流程图4.3碲化镉（CdTe)太阳电池2.CdTe薄膜的制备工艺

对于N-CdS/P-CdTe薄膜，常用的制备方法有近空间升华（CSS)、气相输运沉积(VTD)、溅射、高真空蒸发（HVE)、电沉积等,已被证明商业化生产CdTe薄膜的方法有CSS、VTD和磁控溅射;

CdS的常用制备方法有化学水浴(CBD)、磁控溅射、近空间升华、真空蒸发等。产业中常用的几种CdTe薄膜制备工艺如图4-16所示。产业中常用的几种CdTe薄膜制备工艺如图4-16所示。

图4-16几种常用的CdTe薄膜制备工艺4.3碲化镉（CdTe)太阳电池(1)气相输运沉积(VTD)First

Solar公司的核心技术是称为气相输运沉积(VTD)的工艺，其原理是将半导体粉末通过预热的惰性气体载入真空室,并在滚筒式蒸发室中充分汽化，成为饱和气体,然后通过蒸发室的开口喷涂到较冷的玻璃基板上形成过饱和气体并凝结成薄膜。其优点是：①不需要打开真空室添加或更换原料,生产时由载气从真空室外送入，生产维护的时间和成本少。②沉积速度快，既可满足快速生产的要求，又节省半导体原料，原料利用率目前已将近90%。③容易实现大面积的均匀生长，获得较高成品率。缺点是这种技术对于饱和蒸汽压随温度变化大、化学成分和结构随温度变化小的材料才能适用。该技术的专利已被FirstSolar公司严密保护。一些公司也在进行自主研发，如在美国俄亥俄州Toledo地区的一些离开FirstSolar公司的工程师们，以VTD原理为基础，成功发展出了常压气相输运沉积(AtmosphericPressureVTD)技术,可以节省真空设备方面的硬件成本。也有公司开发出同时向竖立放置的两块平行玻璃板进行VTD镀膜的技术，应用同样设备产能可以提高一倍，现正在扩产中。这两家公司的改良VTD技术都有望在成本上比FirstSolar公司的更低。4.3碲化镉（CdTe)太阳电池

4.3碲化镉（CdTe)太阳电池

4.3碲化镉（CdTe)太阳电池表4-3

不同机构使用不同工艺制备CdTe电池的转换效率记录机构名称面积/cm2

Voc/VJsc/(mA/cm2)FF(%)

效率(%)工艺电池结构NERL1.03

0.84525.975.5

16.5

CSSGlass/CTO/ZTO/CdS/CdTeIEC—

0.