摘要：社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于環(huán)保要求的提升使得對(duì)于太陽(yáng)能使用的關(guān)注度越來(lái)越高，而這也催生了太陽(yáng)能電池相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，薄膜太陽(yáng)能電池就是最為重要的太陽(yáng)能利用技術(shù)之一。本文基于對(duì)太陽(yáng)能電池相關(guān)理念的概述，綜合探討了薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展?fàn)顩r及其特征，并從三個(gè)角度入手，對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池的相關(guān)種類(lèi)進(jìn)行了介紹，以求為薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展提供必要的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽(yáng)能電池；發(fā)展?fàn)顩r；特征；種類(lèi)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007—9599 （2012） 14—0000—02

一、太陽(yáng)能電池概述

伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)于環(huán)境污染的問(wèn)題也變得越來(lái)越嚴(yán)重，因此基于可持續(xù)發(fā)展理念來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)提供等成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，而這也使得經(jīng)濟(jì)環(huán)保技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的理念深入人心。另一方面，在資源有限的情況下，如何有效利用現(xiàn)有資源，并不斷開(kāi)發(fā)出對(duì)新資源的運(yùn)用也是擺在可持續(xù)發(fā)展理念上的重要考慮對(duì)象?；究磥?lái)，目前人們普遍認(rèn)為對(duì)于太陽(yáng)能的有效運(yùn)用是解決能源危機(jī)、環(huán)境問(wèn)題的最有效的途徑。太陽(yáng)能資源不僅具有清潔型能源的特征，而且其存在的長(zhǎng)期性也能夠解決人們對(duì)于能源的需求問(wèn)題，太陽(yáng)能電池是對(duì)于太陽(yáng)能運(yùn)用的最有效工具之一。太陽(yáng)能電池已經(jīng)經(jīng)歷了多個(gè)階段的發(fā)展，其基本原理在于對(duì)半導(dǎo)體二極管的運(yùn)用，將太陽(yáng)所輻射過(guò)來(lái)的光波經(jīng)由光伏作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為人們所用。半?dǎo)體二極管能夠在太陽(yáng)光照射到其表面時(shí)，將太陽(yáng)光加以吸收，并轉(zhuǎn)化為光子能量，將自身所帶的電子激發(fā)到導(dǎo)電帶部分，最終形成具有正的電極的空穴，從而演進(jìn)為光生載流子。在形成光生載流子之后，其能夠在二級(jí)管內(nèi)發(fā)生分離，而電子也相應(yīng)的發(fā)生位置變化，最終帶來(lái)空穴發(fā)生變化，產(chǎn)生具有負(fù)極的電極。正負(fù)極電荷的不斷聚集，就演變?yōu)楣夥?yīng)，產(chǎn)生電壓。因此，太陽(yáng)能用的半導(dǎo)體二極管秩序在已經(jīng)形成的兩極進(jìn)行線路連接，就可以將形成的電能導(dǎo)出。盡管太陽(yáng)能的發(fā)展種類(lèi)很多，但卻普遍存在光電轉(zhuǎn)化效率不高的狀況，而這在軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域發(fā)展當(dāng)中難以起到自身應(yīng)有的作用，而提升光電轉(zhuǎn)化率也成為太陽(yáng)能研究的焦點(diǎn)所在。光電轉(zhuǎn)化效率的研究多聚焦于太陽(yáng)能材質(zhì)的改革、對(duì)于元器件進(jìn)行創(chuàng)新等方面，以增加太陽(yáng)能電池對(duì)于陽(yáng)光的吸收力度，減少陽(yáng)光在太陽(yáng)能電池中的傳播距離等，最終提升光轉(zhuǎn)電效率。當(dāng)然，關(guān)于太陽(yáng)能電池的研究十分廣泛，而薄膜太陽(yáng)能電池也逐步發(fā)展成為當(dāng)今太陽(yáng)能電池研究的最重要區(qū)域。

二、薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展及特性

（一）薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展

薄膜太陽(yáng)能電池，顧名思義，其是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產(chǎn)生光電效應(yīng)的薄膜，厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下比硅晶圓太陽(yáng)能電池大幅減少硅原料的用量。薄膜太陽(yáng)能電池并非是新概念的產(chǎn)品，實(shí)際上人造衛(wèi)星就早已經(jīng)普遍採(cǎi)用砷化鎵（GaAs）所制造的高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池板（以單晶硅作為基板，轉(zhuǎn)換效能在30%以上）。不過(guò)，一方面因?yàn)橹圃斐杀鞠喈?dāng)高昂，另一方面除了太空等特殊領(lǐng)域之外，應(yīng)用市場(chǎng)并不多，因此直到近幾年因?yàn)樘?yáng)能發(fā)電市場(chǎng)快速興起后，發(fā)現(xiàn)硅晶圓太陽(yáng)電池在材料成本上的局限性，才再度引起為產(chǎn)業(yè)研發(fā)的關(guān)注，目標(biāo)則是發(fā)展出材料成本低廉，又有利于大量生產(chǎn)的薄膜型太陽(yáng)能電池。自2006下半年以來(lái)，因全球太陽(yáng)能市場(chǎng)需求成長(zhǎng)，造成硅原料供應(yīng)不足、硅晶太陽(yáng)能電池及模組生產(chǎn)成本水漲船高。而薄膜太陽(yáng)能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為繼硅晶太陽(yáng)能電池之后，被認(rèn)為是當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能技術(shù)。

（二）薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)電原理

薄膜太陽(yáng)能電池，是以pn半導(dǎo)體接面作為光吸收及能量轉(zhuǎn)換的主體結(jié)構(gòu)。在基板上分別涂上二種具不同導(dǎo)電性質(zhì)的p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體，當(dāng)太陽(yáng)光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開(kāi)原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產(chǎn)生空穴。透過(guò)p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體分別吸引空穴與電子，把正電和負(fù)電分開(kāi)，在pn接面兩端因而產(chǎn)生電位差。在導(dǎo)電層接上電路，使電子得以通過(guò)，并與在 pn 接面另一端的空穴再次結(jié)合，電路中便產(chǎn)生電流，再經(jīng)由導(dǎo)線傳輸至負(fù)極。從光產(chǎn)生電的過(guò)程當(dāng)中可知，薄膜太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的能隙大小、光吸收系數(shù)及載子傳輸特性相關(guān)，因此廠商就提升轉(zhuǎn)換效率的研發(fā)方向出發(fā)，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。

（三）薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的特征

首先是較高的生產(chǎn)成本。除了轉(zhuǎn)換效率造成薄膜太陽(yáng)能電池?zé)o法普及外，昂貴的建廠成本，往往也是令廠商卻步的原因。以建一座30MW的太陽(yáng)電池工廠為例，硅晶太陽(yáng)電池的投資成本約4000～6000萬(wàn)人民幣，而薄膜太陽(yáng)能電池則為其成本的5～10倍不等，價(jià)格差別如此之大，在沒(méi)有雄厚資金注入的情況下，特別是在目前全球經(jīng)濟(jì)不景氣的環(huán)境下，廠商更難獲取充裕的資金，因此無(wú)法建立相應(yīng)的廠房設(shè)備。

其次是原料供應(yīng)充足。在鍍膜部分，非晶硅太陽(yáng)能電池所需的硅鍍膜亦只需1～2μm，厚度僅為硅晶圓的1/100，當(dāng)硅料短缺時(shí)，可節(jié)省較多的材料費(fèi)。而CIGS所需的硒、銦及CdTe的碲雖為稀有金屬，但因全球?qū)Υ祟?lèi)原料的需求量仍低，故不存在缺料問(wèn)題。

最后是與載體做造型整合。由于薄膜電池非使用結(jié)晶硅做基板，因此不會(huì)受到晶圓尺寸大小限制，故容易進(jìn)行大面積及客制化生產(chǎn)。加上有些基板具有輕薄、可透光且可撓的特色，因而增加薄膜太陽(yáng)能電池造型設(shè)計(jì)的彈性空間及應(yīng)用范圍，例如，可結(jié)合商業(yè)設(shè)施、大樓及住宅，融入遮陽(yáng)板、玻璃帷幕及屋頂?shù)冗M(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

三、薄膜太陽(yáng)能電池種類(lèi)

（一）硅薄膜太陽(yáng)能電池

首先是非晶硅太陽(yáng)電池。硅薄膜類(lèi)中的非晶硅太陽(yáng)電池，為各類(lèi)薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，也是目前薄膜太陽(yáng)能電池中量產(chǎn)最多的一種。硅薄膜太陽(yáng)能電池所使用的硅原料量，約為結(jié)晶類(lèi)太陽(yáng)能電池的1/100左右，利用化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱CVD）或?yàn)R鍍法（sputtering），形成僅有數(shù)μm厚度的硅薄膜，具有輕薄、省材料的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于非晶硅薄膜有照光穩(wěn)定度問(wèn)題（即電池長(zhǎng)期在強(qiáng)光照射下，轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低的光劣化現(xiàn)象），一直難以擴(kuò)大普及率。但隨著二層（Tandem）或多層接合太陽(yáng)能電池（Multijunction）技術(shù)的發(fā)展，硅薄膜電池透過(guò)不同能隙材料的堆疊，增加光吸收能力，可達(dá)到轉(zhuǎn)換效率提升的目的。

其次是微晶硅太陽(yáng)能電池。90年代初期被大量研究的微晶硅，則是屬于非晶硅的改良材料，主要是在非晶體結(jié)構(gòu)中具有微小的晶體粒子，其結(jié)構(gòu)介于非晶硅和晶體硅之間。因此微晶硅除了可薄膜化、光譜吸收范圍廣外，更具有不易出現(xiàn)光劣化效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，因此常被用來(lái)與非晶硅薄膜堆疊，以提高轉(zhuǎn)換效率。

第三是低溫多晶硅太陽(yáng)能電池。低溫多晶硅技術(shù)主要特點(diǎn)在于改變玻璃基板分子構(gòu)造，以提升傳統(tǒng)非晶硅技術(shù)性能。利用準(zhǔn)分子雷射作為熱源，雷射光經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)后，會(huì)產(chǎn)生能量均勻分布的雷射光束，投射于非晶硅結(jié)構(gòu)的玻璃基板上。當(dāng)非晶硅結(jié)構(gòu)玻璃基板吸收準(zhǔn)分子雷射的能量后，會(huì)轉(zhuǎn)變成為多晶硅結(jié)構(gòu)，具有較高的光吸收能力。因整個(gè)處理過(guò)程都是在600℃以下完成，所以一般玻璃基板都可以采用。

（二）碲化鎘太陽(yáng)能電池（Cadmium Telluride； CdTe）

此類(lèi)電池最早由Kodak公司于1982年制造出來(lái)，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10%，而目前實(shí)驗(yàn)室最高的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17%，是由美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory；NREL）所研發(fā)，商用模組轉(zhuǎn)換效率則可達(dá)8.5～10.5%。由于CdTe為直接能隙材料，故光吸收層僅需數(shù)個(gè)微米的厚度，即可達(dá)到良好的吸收效果。然而由于原料蘊(yùn)藏量有限，加上鎘、碲等毒性物質(zhì)造成潛在的環(huán)保問(wèn)題，使其尚無(wú)法普及到家計(jì)用戶，而以發(fā)電廠為主。

（三）銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池

1977年，銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池由美國(guó)Maine大學(xué)開(kāi)始研究，材料由原先銅銦硒（CIS）三元素組成，后來(lái)為提升轉(zhuǎn)換效率，演變至銅銦鎵硒（CIGS）四元素。CIGS為直接能隙材料，比非晶硅具有更高的吸光系數(shù)。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室制造的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)19.2%，一般商用模組則可達(dá)10～12%。由于銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池具有高轉(zhuǎn)換效率及低材料成本的優(yōu)點(diǎn)，成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)之一。

CIGS是由銅、銦、鎵以及硒所組成的一三五族化合物半導(dǎo)體材料。該材料是由硒化銅銦（CIS））以及硒化銅鎵所組成的固溶體（Solid Solution），化學(xué)式寫(xiě)作CuInxGa（1—x）Se2，其中x的值為0（純硒化銅鎵）到1（純硒化銅銦）。CIGS屬于四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，具有黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，其能隙（bandgap）依據(jù)銦、鎵比例的不同可從1.0eV（硒化銅銦）變化至1.7eV（純硒化銅鎵）。CIGS屬于多晶薄膜的形式，其晶體結(jié)構(gòu)不同于硅晶體的同質(zhì)pn接面，而是屬于復(fù)雜的異質(zhì)接面系統(tǒng)。

CIGS半導(dǎo)體為直接能隙，可以薄至幾個(gè)Micro的厚度，因此可以大量節(jié)省材料以及制造過(guò)程的能源成本。CIGS薄膜太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示基板常用1—3mm厚度的鈉鈣玻璃（soda—lime glass），其上涂布鉬（Mo）作為金屬背面電極。異質(zhì)接面形成于CIGS與氧化鋅（ZnO）之間，中間還包含硫化鎘（CdS）以及本質(zhì)氧化鋅（intrinsic ZnO）作為緩沖層。 CIGS由本質(zhì)缺陷進(jìn)行p型摻雜，ZnO則由鋁（Al）進(jìn)行大量的n型摻雜。這都不是均等的摻雜，造成空間電荷區(qū)大部分位于CIGS層中。再加上材料的厚度以及能隙調(diào)配，即可制成具有1.02eV至1.65eV的能隙的CIGS吸收層。CIGS現(xiàn)有的鍍膜技術(shù)，真空制程技術(shù)可分成共蒸鍍（Co—evaporation）、硒化（Selenization）、濺鍍（Sputtering）；而非真空制程技術(shù)可分為涂佈制程（Coating Process）、電沉積（Electrodeposition）、化學(xué)噴灑熱解法（Chemical spray Pyrolysis）。

CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)的最底層為基材（Substrate），通常使用的材料為玻璃（Glass）或是具有可撓性的金屬箔（如不銹鋼箔、銅箔、鋁合金箔）或一些高分子如Polyimide（PI），而基材上會(huì)濺鍍一層約0.5～1.0μm 的Mo背電極以利于空穴傳導(dǎo)，往上即是CIGS 光吸收層，此層約為1.5～2.0μm，再往上是約0.05μm厚的n—type半導(dǎo)體CdS，此層也兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層約0.1μm厚的n—type i—ZnO層，防止CIGS 太陽(yáng)能電池在進(jìn)行發(fā)電過(guò)程中，因Shunting的問(wèn)題導(dǎo)致元件效能下降，此時(shí)再濺鍍上AZnO 作為透明導(dǎo)電層窗口，此窗口層除了作為上電極之外，尚須讓陽(yáng)光順利通過(guò)此層到達(dá)CIGS光吸收層；最后鍍上金屬鋁導(dǎo)線約0.05μm，即構(gòu)成一個(gè)銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池。

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