太陽能電池正在發(fā)生革命性地變化，近年來，業(yè)界已經(jīng)充分掌握了以薄膜取代硅晶制造太陽能電池的技術。專家認為，未來5年內薄膜太陽能電池將大幅降低成本，屆時這種薄膜太陽能電池將得到廣泛應用。

　　在各種類型的太陽能電池中，晶體硅太陽能電池仍然占據(jù)著85%以上的份額，但現(xiàn)在正受到來自薄膜太陽能電池技術的挑戰(zhàn)。近幾年，薄膜太陽能電池所占份額有所增加，特別是非晶硅太陽能電池與以銅銦鎵硒、碲化鎘為代表的化合物太陽能電池增加明顯，這一方面是由于世界各國在薄膜太陽能電池方面持之以恒地研發(fā)投入，特別是在探索低成本、大面積化的薄膜太陽能電池方面頗見成效；另一方面是由于光伏市場規(guī)模的擴大，以高純多晶硅為主要原材料的晶體硅太陽能電池，受高純多晶硅產業(yè)技術和資金壁壘的限制，擴產計劃受到制約；再者，晶體硅太陽能電池生產技術接近成熟，單位質量高純多晶硅生產太陽能電池的數(shù)量潛力有限，加之提煉高純多晶硅的耗能較大，就使得晶體硅太陽能電池組件的成本下降空間有限，這也在客觀上為薄膜太陽能電池的迅速發(fā)展提供了契機。

　　薄膜太陽電池不僅價格低廉，還可以作為大型建筑的透明鑲嵌板，安置在摩天大樓和房頂?shù)年柮?，比太陽能電池板更持久耐用，并且更美觀。

　　綜上所述，由于材料消耗少、成本低、性能穩(wěn)定、光電轉換效率可達到10%以上，薄膜太陽電池受到世界各國越來越多的關注。目前薄膜太陽能電池發(fā)展的速度已經(jīng)遠遠超過多晶硅電池，很多業(yè)內專家認為薄膜太陽能電池取代多晶硅電池是必然趨勢，世界上至少有40個國家正在開展對下一代低成本、高效率的薄膜太陽能電池實用化的研究開發(fā)。

　　薄膜太陽電池的體系包括硅基、銅銦鎵硒（CuIn1-XGaXSe2，簡寫為CIGS）、碲化鎘（CdTe）以及摻雜聚合物材料等（如表1所示），這3種薄膜太陽電池的光電轉換效率有很大區(qū)別，其中多晶薄膜太陽電池CdTe和CIGS具有較大的優(yōu)勢，通過詳細的成本計算（如表2所示），實現(xiàn)規(guī)模化生產時，這2種電池在成本方面也非常有競爭力（如表3所示）。

注：1是指玻璃襯底的CIGS薄膜太陽電池；2是指不銹鋼襯底的CIGS薄膜太陽電池。

　　薄膜太陽電池組件完全適用于“并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”、“離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”和“光伏與建筑物集成”3大太陽電池市場，如圖1所示。

圖1  薄膜太陽電池組件的應用

　　為了更好地了解CIS和CdTe太陽電池和組件技術，首先來了解一下目前世界最高水平的太陽電池和組件，表4列出了CIGS薄膜太陽電池的最好結果，表5列出了世界上各太陽電池組織和公司性能最好的組件，其中很多測試數(shù)據(jù)由美國國家再生能源實驗室（NREL）提供。

注：1.*代表美國可再生能源實驗室(NREL)測試結果

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2.CIGSS=Cu(In,Ga)(Se,S)2。

一、技術基礎

　　了解太陽電池的工作原理有利于商業(yè)化生產中組件性能的提高、成品率和工藝穩(wěn)定性，得到高性能CIGS和CdTe薄膜太陽電池及組件的關鍵在于其制備研究，在一些科技報道中已公開論述了高性能太陽電池的制備過程甚至包括一些細節(jié)。但是這些對于商業(yè)化生產還是遠遠不夠的，這可能是由于電池制備過程和電池性能的相關聯(lián)系及其機理并不十分清楚。很多研究者正在研究制備過程和材料表征對電池性能的影響，很多報道關注CIGS和CdTe吸收層材料的微觀和納米結構表征，詳細分析了PN結的形成等。

　　1.CIGS技術

　　CIGS薄膜太陽電池的典型結構為MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/玻璃，并以襯底支撐，通常以低廉的鈉鈣玻璃為襯底進行組件制作，另外，聚合物、金屬箔、不銹鋼等也可用作襯底。目前，CIGS薄膜太陽電池的世界最高記錄由NREL保持，轉換效率為19.9%（AM1.5）。當緩沖層以單一的ZnS（O,OH）或CdZnS（O,OH）替代傳統(tǒng)的CdS緩沖層，則最高轉換效率超過18%；吸收層厚度為1.1mm的CIGS薄膜太陽電池的轉換效率為17.1%（全面積），這些數(shù)據(jù)都列于表4中。CIGS吸收層薄膜采用物理氣相沉積法，緩沖層CdS或CdZnS(O,OH)采用化學浴法（CBD），ZnO薄膜采用化學氣相沉積法或濺射法制備。

　　新的技術進展是采用真空沉積法制備緩沖層薄膜以替代傳統(tǒng)的化學浴法。在吸收層制備中，除了傳統(tǒng)的蒸發(fā)法外，又開發(fā)了另2條技術路線，其中之一是真空沉積法（如濺射法）制備Cu－In－Ga金屬預制膜，而后用H2Se氣體硒化制得CIGS薄膜；另一技術途徑是以納米“墨水”采用印刷的方法制備。然而之后的研究表明以印刷法制備的CIGS薄膜太陽電池器轉換效率未能超過13％；另一缺點是濕法制備的CIGS吸收層需用氫化物腐蝕才能得到好的性能。德國的Sulfurcell公司采用該項濕法技術開始規(guī)?；a并已有首批商業(yè)化產品。有些研究工作以CuGaSe2和CuInSe2為吸收層，其中佛羅里達太陽能中心以CuInSe2為吸收層，制得的太陽電池最高轉換效率為11.99%（CIS世界記錄）。研究表明，CIGS薄膜太陽電池的發(fā)展關鍵技術是將吸收層厚度降至1mm或更薄，這將減少稀有金屬的用量，有助于降低成本、提高生產力；吸收層厚度可減薄至0.7mm，若繼續(xù)減薄將影響太陽電池的開路電壓、影響因子和短路電流，從而影響性能。

　　2.CdTe技術

　　CdTe薄膜太陽電池的典型結構為玻璃/SnO2/CdS/CdTe/電極，目前，CdTe薄膜太陽電池的世界最高記錄由NREL保持，轉換效率為16.5%。SnO2前電極被Cd2SnO4取代，同時采用半透明底電極，CdTe的最高光電轉換效率為13.9%。NREL和第一太陽能公司（First Solar）所生產性能良好的CdTe薄膜太陽電池均是在高溫（>500°C）下真空升華沉積制得，另外，其他技術如電鍍法也曾被用于制備CdTe薄膜太陽電池。很多研究工作集中于CdTe薄膜的微觀納米結構、CdTe吸收層、CdS/CdTe界面的相互擴散（尤其是S往CdTe薄膜中的擴散）、CdCl2氣體的加熱方式、Cu的摻入等對薄膜太陽電池性能所產生的影響。其中有意思的是，CdTe的開路電壓可以在不影響影響因子和短路電流的情況下得到提高，由850mV提高至900mV。在規(guī)模化生產中，2007年First Solar將其60cm×120cm的組件性能由50～55W提升至55～65W。

　　3.組件可靠性

　　目前廣泛認為CIGS和CdTe比晶體硅或非晶硅對潮氣更敏感，要求更好的組件封裝。如果沒有這些措施，CIGS和CdTe組件通過“濕—熱”測試（暴露在85°C，85％相對濕度的環(huán)境下1000h）是很困難的。NREL的研究表明，在不同的天氣條件下暴露在65～100°C下，光照對未封裝太陽電池的性能將產生影響；而對于組件來說，太陽電池的連接也將對其長期性能產生影響。對于CdTe太陽電池而言，完整太陽電池制備（包括底電極）的詳細過程對于得到高性能、高可靠的組件是非常必要的。在佛羅里達太陽能中心和德克薩斯州的A&M大學開展了一項真實環(huán)境測試，將薄膜光伏組件暴露在又熱又潮濕的天氣下，測試組件的長期性能，實驗表明，當CIGS和CdTe組件具有良好封裝時可通過“濕—熱”測試。

二、薄膜光伏的商業(yè)化

　　在過去的幾年，世界光伏市場以每年45％的增幅在快速發(fā)展，不斷有新的公司進入市場，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市場化也取得了進展，并在很多領域廣泛應用（包括屋頂計劃和建筑物等）。2006年，整個世界范圍內薄膜光伏的市場份額小于6％，然而在美國薄膜光伏的市場份額高達44％，這主要得益于位于奧爾良的First Solar和密歇根的United Solar，這2個公司在2006年取得長足進展。

　　世界上很多薄膜光伏公司從事a-Si、CIGS和CdTe的商業(yè)化發(fā)展，美國也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的進展和技術進步足以支持其往兆瓦級的生產轉化。在美國有16家公司從事非晶硅和薄硅的商業(yè)化進程，很顯然，其中的領跑者為密歇根的Uni-Solar，其在2006年產能為60MW，而2007年的產能達到120MW。美國薄膜光伏的快速發(fā)展得益于美國國家再生能源實驗室（NREL）在多結太陽電池技術上的成就；Applied Material則可提供單結非晶硅和納米硅疊層太陽電池“交鑰匙”工程，迄今為止，已在包括中國、印度、德國、西班牙等世界各地裝機超過200MW。目前美國有15家公司采用不同的吸收層沉積技術開展CIGS業(yè)務，機會和挑戰(zhàn)在這兒并存；同時有8個公司從事CdTe薄膜光伏的市場化運作。

　　First Solar在薄膜光伏技術領域是世界上的佼佼者，已在奧爾良建立了產能90MW的CdTe薄膜太陽電池組件的生產線（如圖2所示），最近打算在德國新建年產120MW的生產線；同時，將于2009年在馬來西亞建立年產240MW的生產線；因此，F(xiàn)irst Solar在2009年的產能將達到450MW，成為世界上最大的太陽電池生產廠商。NREL早在1991年便首次授權給奧爾良的Solar Cells Inc.來發(fā)展CdTe薄膜太陽電池及其組件技術，并且從技術上支持Solar Cells Inc.和First Solar開展商業(yè)化生產。圖3列出了First Solar的CdTe組件的生產成本，生產規(guī)模擴大后，成本從2004年的2.94美元/W（6MW）降至1.25美元/W（90MW）。預計在2012年生產規(guī)模再擴大、成品率和組件效率提高后成本可降至0.60美元/W。

注：圖中 “Q4’06”是指2006年第4季度。