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1、 毕业设计（论文）题目 非晶硅太阳能电池研究 学 院光伏工程学院专业 班 级 姓名 学号 指导教师 完成日期 目录摘要11.引言12.太阳能电池概述12.1.太阳能电池原理12.2 太阳能电池种类22.3 太阳能电池发展趋势23硅基太阳能电池 23.1 单晶硅太阳能电池2 3.2多晶硅薄膜太阳能电池 23.3 非晶硅薄膜太阳能电池33.4 三种太阳能电池性能分析和亟待解决的问题53.4.1 性能分析53.4.2 需要解决的问题53.5光伏系统的特殊应用53.5.1 空间应用 53.6发展中国家的光伏发电64.非晶硅太阳电池的发展历程64.1非晶硅太阳电池的诞生64.1.2理论上的突破 64.2
2、 非晶硅太阳电池的初期发展74.2.1初期的技术进步和繁荣74.2.2a-SI太阳电池的优势74.3非晶硅太阳电池技术完善与提高84.3.1 叠层电池技术84.3.2新材料探索 84.3.3新技术探索 84.3.4新制备技术探索94.4非晶硅太阳电池的未来发展94.4.1现有a-Si太阳电池产业的市场开发94.4.2技求进一步发展的方向 105.国内外非晶硅太阳能电池产业及市场分析 10 5.1 世界光伏产业总体发展趋势 105.2 非晶硅系列太阳能电池发展迅猛115.2.1 非晶硅材料转换效率约68%125.2.2 薄膜硅原料需求低且发电效率高125.3 国内太阳能电池产业发展现状及主要问题
3、126 结论137谢辞138参考文献14摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为 其中有 被地球截取，这部分能量约有 的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。目前太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通
4、过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光电转换器有两种：一种是光伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20的速度迅速发展。关键词: 光伏发电 太阳能电池 硅基太阳能电池 非晶硅太阳能电池1.引言1976年卡尔
5、松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为24。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一
6、步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。2.太阳能电池概述2.1.太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓
7、光生伏特效应就是当物体受到光照时，物.1.体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电
8、场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。2.2 太阳能电池种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。2.3 太阳能电池发展趋势市场发展的需求和发电成本降低的需要是太阳能光伏技术发展的“原动力”；同时，技术进步也是促进光伏产业发展的重要因素。几十年来，围绕
9、着降低成本的各种研究工作取得了辉煌成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续减薄、新材料应用、产业化技术改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性作用。3硅基太阳能电池3.1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快、应用最为广泛的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。其生产工艺流程如下：将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做
10、成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。3.2多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度200350m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜。多晶硅（Poly-Si）薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺
11、寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级。高质量的半导体多晶硅薄膜的许多性能参数，都可用单晶硅（c-Si）薄膜和非晶硅氢合金（a-Si：H）薄膜的参数来代替。多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，.2.又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜可在600以下的低温沉积，随后用激光加热晶化或固相结晶等方法形成。电池衬底可采用玻璃甚至塑料类的柔性材
12、料。也可以直接在高温下生长形成多晶硅薄膜，生长温度大于1000，硅的沉积速率约为5nmmin。生长温度高就需要选择耐高温衬底材料，目前通常采用低质量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高温下生长薄膜，获得的多晶硅薄膜具有较好的结晶性，晶粒尺寸较大。低温制备多晶硅薄膜电池，一般采用CVD方法。由低温沉积的薄膜，晶粒尺寸较小，获得的电池效率不高。要获得10%15%的效率，晶粒尺寸须大于l00nm。高温制备多晶硅薄膜电池，一般采用液相外延法（LPPE）、区熔再结晶（ZMR）及低压化学气相沉积（LPCVD），APCVD、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方法。先在耐高温衬底材料上生长厚度为1020nm 的
13、多晶硅薄膜，再利用晶体硅电池常规制备工艺进行p-n 结及电极制备。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4 或SiH4，为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几
14、乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astro Power 公司在耐高温衬底上制备的多晶硅薄膜电池效率己达16%，而且认为通过降低多层减反射膜中氧化层的厚度到100A，并增加基体材料的扩散长度，电池效率可达l8%。3.3 非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍
15、受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散
16、长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电.3.池设计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n 边，形成光生电流和光生电压。非晶硅光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的
17、途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，衬底可以为玻璃、不锈钢、特种塑料、陶瓷等（图3.2 为非晶硅薄膜电池结构的示意图）。玻璃衬底的非晶硅电池，光从玻璃面入射，电池的电流从透明导电膜（TCO）
18、和铝电极引出。不锈钢衬底的非晶硅电池与单晶硅电池类似，在透明导电膜上制备梳状银电极，电池的电流从银电极和不锈钢引出。双叠层的结构有两种：一种是两层结构使用相同的非晶硅材料；一种是上层使用非晶硅合金，下层使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收；上层使用宽能隙的非晶硅合金做本征层，以吸收蓝光光子；中间层用含锗约15%的中等带隙的非晶硅锗合金，以吸收红光。三叠层的结构与双叠层的结构类似。非晶硅材料由气相沉积法形成的。根据离解和沉积方法的不同，可分为辉光放电分解法（GD）、溅射法（SP）、真空蒸发法、光化学气相沉积法（CVD）和热丝法（HW）等多种。其中等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是已被普遍
19、采用的方法，在PECVD沉积非晶硅的方法中，PECVD的原料气一般采用SiH4，和H2，制备叠层电池时用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5可同时实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生aSi或aSiCe 薄膜。此法具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点，适合于大规模生产。 非晶硅电池具有如下优点：（1）制造成本低。这是因为：半导体层光吸收系数比晶体硅大一个数量级，电池厚度只需1m 左右，约为晶体硅电池的1/300，可节省大量硅材料。可直接沉积出薄膜，没有切片损失。可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，工艺过程简单。电池的pin 结是在20.0左右的温度下制造的，
20、比晶体硅电池的8001000的高温低得多，能源消耗小。电池的单片面积可大到0.71.0m2，组装方便，易于实现大规模生产。（2）能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅电池的生产能耗仅为l00kWh左右，能源回收期仅为l1.5a，比晶体硅低得多。（3）发电量多。据测试，在相同条件下，非晶硅电池的发电量较单晶硅电池高8%左右，较多晶硅电池高13%左右。（4）售价低。目前约比晶体硅电池的售价约低1/41/3。.4.3.4 三种太阳能电池性能分析和亟待解决的问题3.4.1 性能分析种类优势劣势转换效率单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂16%-20%多晶硅太阳能电池转化效
21、率较高多晶硅生产工艺复杂，供应受限制14%-16%非晶硅薄膜太阳能电池成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效率9%-13%3.4.2 需要解决的问题由以上对比可以看出，以后多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的生产成本，会越来越受到投资者的关注。但是它们也面临着一些需要解决的问题。多晶硅薄膜电池具有效率较高、性能稳定及成本低的优点，是降低太阳能电池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下问题：多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。多晶硅薄膜高温沉积，适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。因而今后应着重研发如下问题：大面积、大晶粒薄膜的生长技术；进
22、一步提高薄膜的生长速率；薄膜缺陷的控制技术；优质、价廉衬底材料的研发；电池优良设计、表面结构技术及背反射技术等的研究。非晶硅薄膜电池作为地面电源应用的最主要问题，是效率低、稳定性差。目前实验室效率己达15，但生产中电池组件的稳定效率仅为5.5%7.5。引起效率低、稳定性差的主要原因是光诱导衰变，即所谓的SW效应。用氢稀释硅烷方法生长的a-Si和a-SiGe 薄膜可以抑制光诱导衰变，提高效率。使用双叠层、三叠层或多叠层结构可以增加光谱响应，提高效率。但从工业化生产和地面电源应用的要求来看，问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多工作要做。关于非晶硅电池的衰降问题，许多科研人员已进行多年的研究实验，
23、并还在继续进行着，主要内容有：高质量本征非晶硅材料的研究（包括晶化技术），减少光生亚稳态密度，提高稳定性。质量n 型和p 型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高掺杂效率，增强内建电场，提高电池的稳定性。改善非晶硅电池内部界面，降低界面态，减小界面复合，提高输运效率、转换效率和电池的稳定性。优质a-Si：Ge 合金材料的研究，进一步完善双结、三结、多带隙非晶硅电池，提高效率和电池的稳定性。目前非晶硅太阳能电池的研究已取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效
24、率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13。3.5光伏系统的特殊应用光伏系统具有很多用途，它可以比一个硬币还小也可以比一个足球场那么大，可以为一个手表提供电力也可以为一个小城镇供电，而它所需要的能源仅仅是太阳光。光伏系统的这些优点，结合它的简洁的工作方式，使之成为适用于很多独立特殊应用的能源，前景尤为诱人。本章将着重讨论光伏系统的特殊应用。3.5.1 空间应用在应用的早期，由于光伏系统的成本高，它仅仅应用于空间领域。太阳能电.5.池不断地被用来为太空飞船、人造卫星、以及火星探测器进行供电。正如预期的，由于空间应用对可靠性的高要求，应用于空间技术上的产品都执行很高的标准以及非常严格的产品质
25、量控制。同时由于太空船对产品质量以及面积的限制，对太阳能电池的光电转换效率也有很高的要求。由于光伏太阳能板占人造卫星总重量的10%-20%，占总成本的10%-30%，所以太阳能电池的重量及成本的降低成为下一代空间用太阳能电池的研究方向。很多空间太阳能电池采用砷化镓以及相关的化合物制作，砷化镓电池与晶体硅太阳能电池相比具有更高的光电转换效率，但是需要更高的成本。3.6发展中国家的光伏发电尽管有一些小的电池供电电器在某些地区使用，消费者必须到电池充电中心进行充电，发展中国家仍有将近40%的人无法得到电力供应。在这些边远地区，燃料的供应以及柴油发电机的维护比较困难，这样对于光伏发电系统来说存在一个潜
26、在的并且巨大的市场，这样的应用有：(1) 家庭照明，包括太阳能电灯；(2) 家用电源；(3) 用于教育和娱乐的电视机或者收音机；(4) 无线电话和通信系统；(5) 饮用水净化系统；(6) 家庭用水或者灌溉用水的水泵系统；(7) 医用和疫苗用冷藏设备；(8) 社区共用设施；(9) 生产和生活用电.每一项这样的应用都可以设计成一个独立的光伏发电系统，与满足多种应用的村落电网连接。国际能源协会的光伏发电系统项目包含发展中国家计划，并已经开始运作，光伏发电由于可靠性高、寿命长、以及维护费用低而显得非常吸引人。但是，用户的持续支持、对用户相关知识的教育和培训是必须的，这样才可以避免系统的高失效率，如今这
27、方面的管理与以前相比要好得多。另外，光伏组件模块化的特性使得无论是小规模还是大规模的系统都能够安装在任何地方，并且可以随着需求后续可以增加系统的容量。然而由于光伏系统的成本很高，大多数发展中国家的村庄在使用这样的供电系统时需要财政上的支持。4.非晶硅太阳电池的发展历程4.1非晶硅太阳电池的诞生4.1.2理论上的突破1957年斯皮尔成功地测量了a一Se材料的漂移迁移率；1958年美国的安德松第一次在论文中提出，无定形体系中存在电子局域化效应：1960年，前苏联人约飞与热格尔提出了对非晶半导体理论有重要意义的论点，即决定固体的基本电子特性是属于金属还是半导体、绝缘体的主要因素是构成凝聚态的原子短程
28、结构，.6.即最近邻的原子配位情况，同年美国人欧夫辛斯基发现硫系无定形半导体材料具有电子开关存储作用。从1966年到1969年有关科学家深入开展了基础理论研究，解决了非晶半导体的能带理论，提出了电子能态分布的Mott一CFO模型和迁移边的思想4.2 非晶硅太阳电池的初期发展4.2.1初期的技术进步和繁荣半导体巨型电子器件太阳电池可用廉价的非晶硅材料和工艺制作，这就激发了科研人员、研究单位纷纷投入到这个领域的研究中，也引起了企业界的重视和许多国家政府的关注，从而推动了非晶硅太阳电他的大发展。世界上出现了许多以a-Si太阳电池为主要产品的企业或企业分支。例如，美国的CHRONAR、SOLAREX、
29、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太阳电池产业开发的急先锋，不仅自己有生产线，还向其它国家输出了6条MW级生产线。美、日各公司还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太阳电他的总销售量中非晶硅占有40，出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。4.2.2a-SI太阳电池的优势技术向生产力如此高速的转化，说明非晶硅太阳电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：（1）材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1µm，昂贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺
30、（100一300C），生产的耗电量小，能量回收时间短）（2）易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a一Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现n结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。（3）品种多，用途广。薄膜的aSi太阳电池易于实现集成化，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，晴电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于aSi膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池。灵活多样的制造方法，可以制造.7.建筑集成的电池，适合户用屋顶电站
31、的安装。4.3非晶硅太阳电池技术完善与提高由于发展势头遭到挫折，80年代末90年代初，非晶硅太阳电他的发展经历了一个调整、完善和提高的时期。人们一方面加强了探索和研究，一方面准备在更高技术水平上作更大规模的产业化开发，中心任务是提高电它的稳定化效率。为此探索了许多新器件结构、新材料、新工艺和新技术，其核心就是完美结技术和叠层电池技术。在成功探索的基础上，90年代中期出现了更大规模产业化的高潮，先后建立了多条数兆瓦至十兆瓦高水平电池组件生产线，组件面积为平方米量级，生产流程实现全自动。采用新的封装技术，产品组件寿命在10年以上。组件生产以完美结技术和叠层电池技术为基础，产品组件效率达到6-8；中
32、试组件（面积900cm2左右）效率达9-11；小面积电池最高效率达14.6。4.3.1 叠层电池技术减薄a-Si太阳电他的i层厚度可以增强内建电场，减少光生载流子通过带隙缺陷中心和或光生亚稳中心复合的几率，又可以增加载流子移动速率，同时增加电他的量子收集效率和稳定性。但是，如果i层大薄又会影响入射光的充分吸收，导致电池效率下降。为了扬长避短，人们采用了多薄层电池相叠的结构，从而提高了电池的转化效率，并降低了电池的衰减率。4.3.2新材料探索探索的宽带隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，这些材料主要用于窗口层。顶电池的i层主要是宽带隙非晶硅和非晶硅碳。最受重视的窄带隙材料是非晶
33、硅锗。改变硅锗合金中锗含量，材料的带隙在1.1eV到1.7eV范围可调。硅与锗的原子大小不一，成键键能不同，非晶硅锗膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅与锗原子并不是均匀混合分布的，氢化时，氢择优与硅键合，克服这些困难的关键是，采用氢稀释沉积法和掺氟。这些材料的光电子特性可以做得很好，但氢含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，叠层结构在一定程度上抑制了它对电池性能的影响。4.3.3新技术探索为了提高非晶硅太阳电他的初始效率和光照条件下的稳定性，人们探索了许多新.8.的材料制备工艺。比较重要的新工艺有：化学退火法、脉冲氖灯光照法、氢稀释法、交替淀积与氢处理法、掺氟、本征层掺痕量硼法等。此外，为了提高a
34、-Si薄膜材料的掺硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作掺杂源气。为了获得a一Si膜的高淀积速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源气。4.3.4新制备技术探索射频等离子体增强CVD是当今普遍采用的制备a-Si合金薄膜的方法。它的主要优点是：可以用较低的衬底温度（200C左右），重复制备大面积均匀的薄膜，制得的氢化a-Si合金薄膜无结构缺陷、台阶覆盖良好、隙态密度低、光电子特性符合大面积太阳电他的要求。此法的主要缺点也是致命的缺点是，制备的a-Si膜含氢量高，通常有10-15氢含量，光致衰退比较严重。因此，人们一方面运用这一方法实现了规模化生产，另一方面又不断努力探索新的制备技术。与RF-PECVD最相近的
35、技术有，超高真空PECVD技术，甚高频（VHF）PECVD技术和微波（包括 ECR）PECVD技术。激发等离子体的电磁波光子能量不同，则气体分解粒子的能量不同，粒子生存寿命不 同，薄膜的生成及对膜表面的处理机制不同，生成膜的结构、电子特性及稳定性就会有区别。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制备上有一定的优势。其它主要新技术还有，离子束淀积a-Si薄膜技术，HOMO-CVD技术和热丝CVD技术等。离子束淀积 a-Si合金薄膜时，包括硅烷在内的反应气体先在离化室离化分解，然后形成离子束，淀积到衬底上，形成结构 较稳定的a-Si合金薄膜。HOMO-CVD技术通过加热气体，使之热分解，分解粒子再淀积
36、在衬底上。成膜的先级粒子寿命较长，膜的电子性能良好，氢含量低，稳定性较好。这两种技术成膜质量虽好，但难以形成产业化技术。热丝CVD技术也是较有希望的优质薄膜硅的高速制备技术。4.4非晶硅太阳电池的未来发展4.4.1现有a-Si太阳电池产业的市场开发 非晶硅太阳电池无论在学术上还是在产业上都已取得巨大的成功。金世界的生产能力超过50兆瓦。处于高校术档次的约占一半。最大的生产线规模为年产10MW组件。这种大规模高档次生产线满负荷正常运转的生产成本已低达1.1美元峰.9.瓦左右。据预测，若太阳电池成本低于每峰瓦1美元，寿命20年以上，发电系统成本低于每峰瓦2美元，则光伏发电电力将可与常规电力竞争。与
37、其它品种太阳电池相比，非晶硅太阳电池更接近这一理想的目标。非晶硅大阳电池目前虽不能与常规电力竞争，但在许多特别的条件下，它不仅可以作为功率发电使用，而且具有比较明显的优势，比如说，依托于建筑物的屋顶电站，由于它不占地乱免除占地的开支，发电成本较低。作为联网电站，不需要储能装备，太阳电池在发电成本中有最大比重，太阳电池低成本就会带来电力低成本。4.4.2技求进一步发展的方向非晶硅太阳电池一方面面临高性能的晶体硅电池降低成本努力的挑战：一方面又面临廉价的其它薄膜太阳电池日益成熟的产业化技术的挑战。如欲获得更大的发展，以便在未来的光伏能源中占据突出的位置，除了应努力开拓市场，将现有技术档次的产品推向
38、大规模功率发电应用外，还应进一步发扬它对晶体硅电池在成本价格上的优势和对其它薄膜太阳电池技术更成熟的优势，在克服自身弱点上下功夫。进一步提高组件产品的稳定效率，延长产品使用寿命，比较具体的努力方向如下：（1）加强a-Si基础材料亚稳特性及其克服办法的研究，达到基本上消除薄膜硅太阳电池性能的光致衰退。（2）加强晶化薄膜硅材料制备技术探索和研究，使未来的薄膜硅太阳电池产品既具备a一Si薄膜太阳电池低成本的优势，又具备晶体硅太阳电池长寿、高效和高稳定的优势。（3）加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠层电他的研究，把aSi太阳电池的优点与其它太阳电池的优点嫁接起来。（4）选择最
39、佳的新技术途径，不失时机地进行产业化技术开发，在更高的技术水平上实现更大规模的太阳电池产业化和市场商品化。5.国内外非晶硅太阳能电池产业及市场分析 5.1 世界光伏产业总体发展趋势世界各国都对太阳能光伏发电给予大力支持。2005 年全世界太阳能电池的产量为1817.7 兆瓦，比2004 年增长52.2%，其中日本的产量达到824.3 兆瓦，比2004 年618 兆瓦增长33.4%，是全世界第一大生产国，占全世界45.3%；欧洲太阳能电池的生产量为515.3 兆瓦, 比2004 年308 兆瓦增长67.3%；美国太阳能电池的生产量为154.8 兆瓦, 比2004 年139 兆瓦增长11.4%；其
40、他国家地.10.区太阳能电池的生产量为323.3 兆瓦, 比2004 年140.1 兆瓦增长151%，大幅增长，中国、台湾增长很快。2005年，世界光伏市场安装量1460MW，比2004 年增长34，其中德国安装最多，为837MW，比2004 年增长53，占世界总安装量的57；欧洲为920MW，占总世界安装量的63，日本安装量292MW，增幅为14，占世界总安装量的20；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7，其他安装量为146MW，占世界总安装量的10。至2005 年，全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005 年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10 亿美元。根据光伏市场需求预测
41、，到2010 年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G 到3.9GW 之间，而光伏工业年收入将达到186亿 美元到231 亿美元。日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV 发展路线图。按日本的PV 路线图（TV Roadmap 2030），到2030 年PV 电力将达到居民电力消耗的50（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表5.1 和表5.2。表5.1到2030年的日本PV研发目标项目现状2010-2030年目标PV组件生产成本140日元/W100日元/W (2010年)75日元/W（2020年）20年（2020年）表5.2到2030年的日本PV组件/电池的转换效率目标太阳能电池类型现
42、状效率（%）目标转换效率（实验室效率）（%）2010年2020年2030年晶体硅电池13-14.8（18.4）16（20）19（25）22（25）薄膜电池10（14.7）12（15）待添加的隐藏文字内容214（18）18（20）CIS电池10-12（18.9）13（19）18（25）22（25）III-V电池聚光（38.9）28（40）35（45）40（50）染料敏化电池（10.5）6（10）10（15）15（18）5.2 非晶硅系列太阳能电池发展迅猛目前，晶体硅太阳能电池因较高的转化效率和成熟的生产工艺是太阳能电池研发和产业化的主要方向，而化合物薄膜等新技术太阳能电池虽然具有相对较低的成本，
43、但生产工艺还不成熟，且目前商业化的薄膜型太阳光电模块效率相比主流的结晶硅型效率(1517%)仍然较低，一般多在10%以下。以2004 年数据分析，各种太阳能电池中晶体硅平板太阳能电池占总产量的84.6，非晶硅电池产量占3.9，其他为薄膜或带硅太阳能电池。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2008年全世界硅原材料供应增长了12，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25。持续的硅材料紧缺将对2008 年太阳能电池生产产生较大的影响，预计.11.2008年世界太阳能电池产量的增幅将被限制在10左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5 年以上的时间。由于硅材的供不应求，预期
44、将限制2009年硅基太阳电池产业的成长速度，然而这恰好也为第二代太阳电池技术，薄膜太阳电池等非晶硅系产品提供了良好的发挥舞台。5.2.1 非晶硅材料转换效率约68%在八十年代，非晶硅是当时唯一的薄膜型太阳电池材料，但由于它的光电转换效率较低且具有光劣化的不稳定性，因此早期始终无法打入主流的发电用市场，而多应用于小功率的消费性电子产品市场。但近年随着两层或多层接合太阳电池（Multijunction Cell）技术的发展，使得单层厚度可以降低而减缓照光后衰退的现象，且可吸收不同波段的太阳光谱，因此光电转换效率获得提升。预计短期内市面上的非晶硅太阳电池模块效率约为68%，并很快就可见到装置容量达数百万瓦级的非晶硅太阳光电板设施。目前主要非晶硅太阳电池厂商包括：Kaneka、United Solar、三洋（Sanyo）、富士电机（Fuji Electric）、BP
