第2章 全球太阳能光伏发电技术、产业发展现状与趋势

2.1 全球太阳能光伏发电技术发展现状与趋势

太阳能光伏发电产业链从上游到下游包括多晶硅原料生产、硅棒/硅锭生产及硅片制造、太阳电池制造、组件生产，如图2-1所示。下面主要介绍多晶硅制备技术与太阳电池制备技术的发展情况。

2.1.1 多晶硅制备技术

目前，多晶硅的制备方法已发展出多种经典工艺，主要包括西门子法、硅烷法、改良西门子法、流化床法、Komatsu法，以及后期开发的冶金法、气液沉积法、区域熔炼提纯法、碳热还原反应法和铝热还原法等。但在工业应用中，却只有改良西门子法、硅烷法、流化床法获得了商业应用，它们统称为化学法，尤以改良西门子法为甚。目前，世界上75%以上的多晶硅生产均采用改良西门子法，主要厂家有国外的海姆洛克（Hemlock）、瓦克化学（Wacker）、德山（Tokuya-ma）、REC、MEMC以及国内的四川新光硅业科技有限责任公司、洛阳中硅高科技有限公司、重庆大全新能源有限公司等。多晶硅纯度一般使用几个9来衡量，如半导体行业用电子级多晶硅纯度一般要求在99.9999999%（9N，即9个9）以上。光伏所需的太阳能级多晶硅虽然远不及半导体行业需要的纯度高，但其纯度一般要达到99.9999%（6N，即6个9）以上。

1．改良西门子法

改良西门子法主要包括五个环节：SiHCl3的合成、精馏提纯SiHCl3、SiHCl3的氢还原、尾气回收和SiCl4的氢化分离，如图2-2所示。SiHCl3的合成在沸腾炉中进行，生成的SiHCl3含量在85%左右，同时产物中还伴随有SiCl4及杂质氯化物，利用各种氯化物挥发性的差别，精馏制得高纯SiHCl3。最后将高纯SiHCl3和高纯H2按一定的比例导入钟罩型还原炉内，在硅芯发热体上还原沉积得硅多晶棒。生产过程中的副产物通过循环系统回收利用。多晶硅生产比较关注的问题有：还原能耗、综合能耗、回收利用率和产品质量等。目前世界上80%以上的多晶硅生产使用改良西门子法。

改良西门子法除了较为标准的主流程外，近年来在一些工序上又演变了一些新的技术，如瓦克化学公司将高纯多晶硅粉置于加热的流化床，通入中间化合物SiHCl3和高纯H2，使生成的多晶硅沉积在硅粉上，生产太阳电池用颗粒多晶硅。又如德山公司，在加热的垂直高纯石墨管中通入SiHCl3和高纯H2，形成硅液滴，凝固成高纯多晶硅，即所谓的气液沉积技术。

现在一些新建的采用改良西门子法的多晶硅工厂，均在工艺技术、生产设备、设计资源等方面进行了创新，使之形成更有效、更优化的系统集成技术。

系统集成程度、提纯能力、还原炉、副产物的综合回收以及能源等技术问题决定了多晶硅产品的质量和工厂作业成本。

2．硅烷法

硅烷（SiH4）法是先以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅直接氢化法等制取硅烷，然后将制得的硅烷提纯后再热分解以制得高纯硅。其主要由三个基本步骤组成：硅烷的制备、硅烷的提纯和硅烷热分解。在硅烷法中，因硅烷制备方法不同，又可分为日本Komatsu发明的硅化镁法、美国Union Carbide发明的歧化法、美国MEMC采用的NaAlH4与SiF4反应方法等。目前，世界上有一些公司（如MEMC）的多晶硅生产使用该方法。

硅烷热分解法有如下优点：

1）分解过程不加还原剂，可以得到超高纯太阳能级多晶硅。

2）在硅烷合成过程中，就已有效地去除了金属和非金属杂质。

3）硅烷分解温度一般为800～900℃，由高温挥发或扩散引入的杂质远低于其他方法。

4）硅烷分解转化率高达99%，副产物少，没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐蚀。

硅烷法最大的问题是烷气易燃易爆，整个吸附系统以及分解室都必须高度密封，若操作不当就会引发重大事故。

3．冶金法

冶金法由于是利用材料的物理特性不同来去除冶金硅中的杂质，不需要复杂的化学反应，所以装备相对比较简单，杂质纯度大概在5N～6N的水平，基本满足太阳能级多晶硅的需求。冶金法主要有分凝法、真空高温蒸发法、真空氧化除杂法、造渣除杂法、酸浸除杂法、电解高纯二氧化硅和高纯试剂二氧化硅法等。物理冶金法具有投资少、能耗小、生产成本低等优点，目前主要还在试验生产阶段，量产的企业还比较少。

物理法提纯的太阳能级多晶硅中B和P的含量分别小于0.3×10-6和10× 10-6，其他杂质的含量低于0.1×10-6，只能满足太阳能级多晶硅的制备。若采用化学法，提纯后的太阳能级多晶硅中B和P的含量减小到低于0.05×10-9和0.15×10-9，其他杂质的含量可以小于1.0×10-9，可以满足电子级、太阳能级多晶硅制备的要求。

2.1.2 太阳电池制备技术

太阳电池是太阳能光伏发电技术的核心器件，提高太阳电池的光电转换效率和降低其生产成本是现阶段实现光伏发电向替代能源甚至主力能源过渡的主要途径和主攻目标，太阳能光伏发电的发展历史就是太阳电池的发展史。1839年，Becquerel把两个涂敷卤化银的金属电极浸在稀酸溶液中，发现当光照电极时会产生额外的电动势，此现象被他称为“光生伏打效应”。1877年，W.G.Adams研究了硒的光伏效应，并制作第一片硒太阳电池。1940年，Russel Ohl发现了硅材料的光伏效应。1954年，Chapin、Fuller和Pearson首次制成了实用的单晶硅太阳电池，当时的效率为6%，成为光伏发展史上的一个里程碑，标志着光伏发电的实际应用真正开始迈步。同年，韦克尔发现了GaAs也有光伏效应，并在玻璃上沉积CdS薄膜，制成第一块薄膜太阳电池。1957年，硅太阳电池的光电转换效率达到8%，1958年太阳电池首次在空间应用，装备在美国先锋1号卫星上。1995年，太阳电池的转换效率实现奇迹般飞跃，高效聚光GaAs太阳电池效率达到32%，高于以往任何水平。1996年以来，世界光伏发电高速发展，应用范围越来越广，尤其是各国有关太阳能光伏屋顶计划的提出，为光伏发电展现了无限光明的未来。按照材料的不同，可以把太阳电池分为三类，如图2-3所示。各类太阳电池的光电转换效率变化情况如图2-4所示。

1．晶硅太阳电池

晶硅太阳电池是以硅为基底材料，并有一定厚度的太阳电池。晶硅太阳电池是最常用和成熟的技术，目前的市场份额为80%，其电池片转换效率一般为14%～22%。晶硅太阳电池组件的效率约比电池片效率低2个百分点，目前其效率约12%～19%。单块太阳电池片边长为1～15cm，但是最常用的电池规格为125mm×125mm或者156mm×156mm，发电功率约3～4.5W，标准的晶硅组件是由60～72个太阳电池制成的，根据其效率和大小的不同，发电量为120～300W。而典型的组件面积为1.96～2.89m2，6.25m2的大型组件也能制造。这些组件一般用于光伏建筑一体化（BIPV）。

晶硅太阳电池分为常规电池与特殊结构电池。而常规电池又分为单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。

（1）单晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池是采用单晶硅片来制造的太阳电池，这类太阳电池发展最早，技术也最为成熟。与其他种类的电池相比，单晶硅太阳电池的性能稳定，转换效率高，目前规模化生产的商品电池效率已达17%～19%。由于技术的进步，价格也从最初的每瓦1000多美元不断下降。到2010年已经降到平均3 .7美元/W，曾经长时期占领最大的市场份额。由于生产成本比较高，年产量在1998年后已被多晶硅电池超过。不过在以后的若干年内，单晶硅太阳电池仍会继续发展，通过大规模生产和向超薄、高效发展，有望进一步降低成本，保持较高的市场份额。图2-5所示为单晶硅太阳电池组件。

（2）多晶硅太阳电池 在制作多晶硅太阳电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成的，因而多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池低，规模化生产的商品多晶硅电池转换效率已达到15%～17%。图2-6所示为多晶硅太阳电池组件。

近年来，新推出了一种“准单晶”技术，通过铸锭的方法，铸锭中的多晶晶粒取向控制在垂直方向上，并将晶粒尺寸做大，这样多晶硅电池的效率可以接近单晶硅电池。例如，德国ScottSolar公司在2011年推出的准单晶组件效率超过18%，德国Q-Cells公司推出的多晶硅电池片效率达到18.8%，我国晶澳太阳能有限公司（以下简称晶澳）等多家电池企业也有报道其多晶硅电池转换效率在18%以上，小批量生产的准单晶电池效率已经在17.5%以上。总体而言，由于多晶硅电池所需的硅片铸锭工艺简单、能耗少、价格便宜，但转化效率并未比单晶硅电池低多少，因此多晶硅电池近些年来得到了大规模应用，目前在国际光伏市场上占有的份额已经超过了单晶硅太阳电池。据德国Wacker公司统计，2010年多晶硅电池产量已经占据全部电池的58%，占据晶硅电池的68%。

（3）晶硅太阳电池制造工艺 晶硅电池制造是目前最成熟的光伏工艺，具有原材料资源丰富、电池转换效率高、光电性能的稳定性和可靠性好、技术工艺成熟、不含有毒元素、不会对环境造成污染、市场接受程度高等优点。目前全球80%以上的太阳电池为晶硅电池。制造晶硅电池包括绒面制备、扩散制结、制备减反射膜和制作电极等主要工序，如图2-7所示。

1）硅片表面处理。硅片在切割过程中会产生大量的表面缺陷，导致表面的质量较差和电池制造过程碎片增多，还会导致电池工作时表面复合概率增大，因此在电池制备前必须将切割损伤层去除，一般采用酸或碱腐蚀，腐蚀的厚度一般约为10μm。

2）绒面制备。制绒就是把相对光滑的硅片表面通过酸或碱腐蚀，使硅片表面变得凹凸不平，增加受光面积并对光产生漫反射，这样可以减少直射损失，提高太阳光的利用效率。计算表明，金字塔形角锥体的受光面积比光滑平板增加1.732倍。

单晶硅具有各向异性的碱腐蚀特性，可以采用氢氧化钠和乙醇的混合碱溶液腐蚀单晶硅表面，形成无数的金字塔结构，利用制绒工艺通常能够将单晶硅表面的反射比降到10%以下，典型的单晶硅绒面形貌如图2-8所示。对于多晶硅来说，由于材料缺乏各向异性，因此表面制绒比较复杂，目前有机械刻槽法、反应离子刻蚀法、酸腐蚀法等。多晶硅的制绒工艺仍是国内外研究的热点。

3）扩散制结。扩散的目的在于形成PN结。由于硅基太阳电池的原料硅片采用P型硅，扩散制结一般采取三氯氧磷气体携带源方式用磷做N型掺杂，采用磷扩散可以实现高浓度掺杂，有利于降低电池的串联电阻，从而提高其填充因子。这个工艺的特点是生产效率高，有利于降低成本。大型的生产厂家一般用20.32cm（8in）扩散炉进行硅片的扩散，采用大口径石英管，恒温区长，可以提高扩散薄层电阻均匀性。目前，扩散炉的石英管口径达270mm。除了均匀扩散制结工艺外，选择性扩散制结工艺也是一种重要的产业化生产技术，这种技术采用在栅线下进行扩散的方式，不仅能保证低的接触电阻和好的填充因子，而且能够减小接触造成的前表面复合损失。

4）去除背结。在扩散制结过程中硅片的周边表面也会形成扩散层，这种扩散层将导致上下电极短路，由于任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，因此必须干净地除去硅片周边表面的扩散层，目前工业化生产常用等离子刻蚀去除硅片周边表面的扩散层。

5）制备减反射膜。为了使硅基太阳电池更有效地获得太阳光辐射，表面都要制备一层减反射膜，减少表面的反射损失。目前常用的减反射膜有TiO2、SiO2和SiN及其组合。在商业化生产中，SiN减反射膜一般都采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术制作，这种方法利用SiH4与NH3反应在硅片表面沉积一层厚约75nm的SiN，反射比可以降低到3%以下。由于沉积中生成的原子氢可以很好地钝化硅表面悬挂键，因此PECVD还能起到很好的钝化效果，从而可以提高载流子迁移率，而且SiN层具有良好的绝缘性和致密性，可以阻止杂质原子，特别是Na原子渗透进入电池基体。PECVD沉积减反射膜技术的采用大大提高了多晶硅电池的光电转换效率，是多晶硅电池商业化生产的关键性技术。

6）制作电极。电极的制作不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积，因此是硅基太阳电池生产过程中的一个重要步骤。目前，硅基太阳电池的电极制作普遍采用丝网印刷法，所用的丝网细栅线为110～150μm，主栅为1.5～2.0mm，由于电极的存在有遮光的效果，导致太阳电池效率降低的损失在8%左右，因此如何进一步减小电极宽度是当前研究的热点。

（4）晶硅太阳电池技术趋势 目前晶硅太阳电池发展以提高效率和降低成本为主，主要体现在以下几个方面：

硅片厚度持续降低。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30多年来，太阳电池硅片厚度从20世纪70年代的450～500μm降低到2010年的150～180μm，降低了一半以上。硅材料用量大大减少，对太阳电池成本降低起到了重要作用，是技术进步促进成本降低的重要范例之一。硅片厚度的变化见表2-1。

生产规模不断扩大。生产规模不断扩大和自动化程度持续提高是太阳电池生产成本降低的另一重要因素。太阳电池单厂生产规模已经从20世纪80年代的1～5MW/a发展到90年代的5～30MW/a和21世纪的50～1000MW/a。生产规模与成本降低的关系体现在学习曲线率LR（Learning Curve Rate）上，即生产规模扩大1倍，生产成本降低的百分比。对于太阳电池来说，30年统计的结果，LR=20%（含技术进步在内），是所有可再生能源发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现之一。

成本不断降低。1976—2000年，光伏组件成本降低了2个数量级，如图2-9所示。2003年世界重要厂商的成本为2～2.3美元/W，售价为2.5～3美元/W，2004年以后因材料紧缺价格有所回升。2008年年末，由于金融危机影响，硅片供应价和电池售价大幅下滑。当供求关系越过平衡点后，成本会比前一个供求关系对应点更低，这也是30年来经验曲线中曾经出现过的现象。

采用特殊结构。晶硅电池在过去的20多年里有了很大发展，许多新技术、新工艺的引入使太阳电池效率有了较大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，如背表面场、浅结、绒面、氧化膜钝化、Ti/Pd金属化电极和减反射膜等，由此发展出很多特殊结构的太阳电池。例如，新南威尔士大学的钝化发射极背局部扩散（PERL）电池，斯坦福大学的背面点接触（PCC）电池以及弗朗霍夫研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等都是单晶硅高效电池的典型代表，还有日本三洋公司的HIT电池。

1）PERL电池。PESC、PERC、PERL电池是新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列，前两个字母PE（Passivated Emitter）代表前表面的钝化（选择性扩散），后两个字母代表后表面的扩散和接触情况。其中，PERL衍生了中电电气（南京）光伏有限公司（以下简称南京中电）的SE电池与无锡尚德太阳能电力有限公司（以下简称尚德）的PLUTO电池。PESC（钝化发射极背接触）电池于1985年问世，可以做到大于83%的填充因子和20.8%（AM1.5）的效率。PERC电池用背面点接触来代替PESC电池的整个背面铝合金接触，这种电池达到了约700mV的开路电压和22.3%的效率。PERL电池在背面接触点下增加一个浓硼扩散层，以减小金属接触电阻。典型的PERL电池结构如图2-10所示。在1.02μm波长的单色光下，PERL电池的转换效率达到45.1%。这种电池在AM0下效率也达到了20.8%。尚德的Pluto技术就是以PERL技术为基础，不仅降低了电池单元表面的光反射，而且在阳光不直接照射的时段也能集光。此外，通过使电池单元表面的布线图案微细化，从而扩大了受光面积。

2）HIT电池。HIT太阳电池主要由日本三洋公司生产，HIT（Hetero-junc-tion with Intrinsic Thin-layer）结构就是在P型氢化非晶硅和N型氢化非晶硅与N型硅衬底之间增加一层非掺杂（本征）氢化非晶硅薄膜。采取该工艺措施后，改变了PN结的性能，如图2-11所示。2009年5月三洋电机（Sanyo Electric）发表研发阶段中的HIT太阳电池，转换效率可达23%。同时，该公司于2009年推出了HIT-N230组件，其转换效率高达20.7%，开路电压达到719mV，并且全部工艺可以在200℃以下实现，是目前效率最高的电池组件之一。

HIT电池融合了晶体硅和薄膜沉积技术，但是由于不是纯粹的薄膜电池，中间采用了200μm数量级的N型晶体硅，硅料成本方面并没有明显下降。

3）PCC电池。美国SunPower公司利用点接触（Point-contact cell，PCC）及丝网印刷技术，研制出背面点接触太阳电池，效率为20%，并通过进一步改进，使效率达到了21.5%。该电池采用N型的PV-FZ硅材料作为衬底，要求的载流子寿命在1ms以上（一般P型硅片的少子寿命在10μs数量级）。电池正表面呈黑色没有任何电极遮挡，并通过光刻制成的随机金字塔（绒面）结构及减反射膜的设计来提高电池的陷光效应，可以高达93%，即降到7% 的反射比（AM1.5）。典型的背接触电池结构如图2-12所示。较为出色的陷光、钝化效果，以及采用了可批量生产的丝印技术代替了昂贵的光刻，使SunPower的背接触电池成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。

2010年，该电池又取得了新的进展，经NREL证实，SunPower公司在其菲律宾工厂生产的太阳电池转换效率已达24.2%。SunPower公司于2010年与台湾友达光电（AUO）签订了联合制造伙伴关系，在马来西亚建设新的工厂，以降低其下一代电池生产成本，预计新的公司产能将于2013年扩大至1.4GW。

2．薄膜太阳电池

薄膜太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可大大节省电池材料，降低生产成本。

薄膜太阳电池的主要特点如下：

1）生产成本低，制造工艺简单，可连续大面积生产。薄膜太阳能电池的主要原材料（如玻璃等）价格低廉，多采用溅射制备技术，所需的薄膜材料损耗量很少，其生产成本仅为晶硅电池的1/3。另外，薄膜电池与液晶面板工艺相类似，可充分利用液晶面板成熟的工艺技术，实现可连续、大面积、自动化批量生产。

2）弱光性好，发电量高，能量偿还周期短。薄膜电池弱光响应和温度系数优于晶硅电池，相同额度功率下薄膜电池实际输出功率高于晶硅电池的10%～15%。由于制造薄膜电池能耗低，且电池发电量大，其能量偿还时间约为1～1.5年，而晶硅太阳电池则需2～3年。

3）美观、大方，便于与建筑集成。当电池组件作屋面和墙面时，电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化了室内外环境，加上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方。同时，柔性衬底的电池，可直接应用于具有曲面等不平坦的建筑表面上，这是晶硅电池所不能比拟的。

从图2-3看出，已经产业化的薄膜太阳电池主要是硅基薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳电池。化合物薄膜太阳电池以CdTe、CuIn1-xGaxSe2（CIGS，铜铟镓硒）为代表。

由于制造工艺简单、成本低、不需要高温过程、衬底选择余地大、适于大面积生产等特点，在20世纪80年代中后期，非晶硅太阳电池所占市场份额曾达到20%。但由于其受本征及非本征衰减大等问题困扰，加之市场规模小，多晶硅原材料价格急剧下滑，发展受到限制。科学家们从20世纪80年代开始研究开发效率转换率高的化合物薄膜电池，其效率一般在10%以上，甚至达到20%，但因成本高，部分元素有污染等问题，使推广受到限制。

薄膜太阳电池的种类如下：

（1）硅薄膜太阳电池 硅薄膜太阳电池是由气相沉积形成的，目前已被普遍采用的方法是等离子增强型化学气相沉积（PECVD）法。此种制作工艺可以连续在多个真空沉积室完成，从而实现大批量生产。由于硅薄膜材料的光吸收能力大于晶硅材料，电池可以采用厚度只有几百纳米到微米量级的硅薄膜作为吸收区，在节省材料方面具有明显优势。最早的硅薄膜太阳电池是非晶硅太阳电池，存在的主要问题是材料结构较差，效率偏低并具有明显的光致衰退效应。为提高电池的效率和稳定性，叠层电池技术已成为硅薄膜太阳电池的技术热点。叠层技术将具有不同带隙吸收区的太阳电池自上而下按带隙由大到小的顺序排列，分别吸收不同波段的太阳光，构成在电学上串联运作的多结电池。理论上，叠层电池结构由于提高了开路电压而能获得更高的转换效率。通过改变硅薄膜材料的组分或内部结晶状态，可以调节带隙，从而改善与太阳辐射光谱间的匹配度，提高转换效率，但也受到电流匹配和界面损耗的限制。目前，叠层硅薄膜太阳电池包括非晶硅/非晶硅叠层、非晶硅/微晶硅叠层以及非晶硅/非晶硅锗叠层。叠层电池技术虽然提高了硅薄膜太阳电池的性能，但也增加了生产工艺的复杂性，成本相对较高（包括设备成本和工艺成本）。从产业化的观点来看，其未来的发展仍然取决于性价比。

硅基薄膜太阳电池的结构如图2-13所示。图2-13a所示为柔性衬底材料的单结薄膜电池，图2-13b所示为刚性玻璃上的薄膜电池结构，图2-13c和图2-13d所示为双结和三结电池结构。硅基薄膜电池的制备工艺主要是化学气相沉积技术，分为射频等离子体增强的化学气相沉积、甚高频等离子体增强的化学气相沉积、热丝化学气相沉积、热丝催化等离子体化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、脉冲等离子体化学气相沉积，电池生产工艺分为单室多片、多室单片和连续卷对卷技术。设备供应商主要有Oerlikon、Applied Material、Ulvac、Evatech、Leyhold optics、EPV、Energosolar、BudaSolar、Nano PV、华基光电能源控股有限公司、北京北仪创新真空技术有限责任公司、蚌埠市普乐新能源有限公司和苏州思博露光伏能源科技有限公司等。这意味着硅基薄膜太阳电池从设备到工艺技术已经相对成熟。

在研发方面，2009年，美国United Solar公司创造了柔性硅基薄膜太阳电池的最高效率，该公司采用a-Si/nc-Si/nc-Si三叠层结构在0.27cm2面积上得到的转换效率达到12.5%。产业化硅基薄膜太阳电池有单结、双结和三结结构，光电转换效率分别为5%～7%、6%～9%和7%～12%，主要生产企业有美国的United Solar公司，日本的Kaneka、Sharp、Sanyo、三菱公司等，中国的汉能控股集团有限公司、创益太阳能控股有限公司和保定天威薄膜光伏有限公司等。

（2）CIGS薄膜太阳电池CIGS是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。这类半导体材料与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料一样，可以通过调整化合物的组分来调整带隙，并且是直接带隙的，光吸收系数大。更主要的，CIGS的电活性对晶界不敏感，多晶材料就具有很好的光伏性能，因此非常适合采用低成本的薄膜化技术制备，而无需昂贵的外延设备。事实上，由于与太阳光谱的匹配可调整优化，CIGS太阳电池是目前薄膜太阳电池中转换效率最高的。典型的CIGS电池结构如图2-14所示。2010年10月，德国太阳能和氢能研究中心（ZSW）在0.5cm2的面积上创造了20.3%的世界效率。这个效率也是薄膜类太阳电池中最高的。但是，CIGS四元相图比较复杂，具有优异光伏性能的材料的稳定区间窄，大面积薄膜沉积的均匀性很难控制，因此CIGS太阳电池的制备难度较大，产业化效率只有12%～13%。而且，电池结构中采用CdS层，Cd元素毒性大，控制不好对环境有毒化影响，In、Ga均为稀有元素，In为战略储备物资。与硅基薄膜电池不同，CIGS电池专业的设备供应商还很少，而且到目前为止还没有成功量产化的案例，这需要生产者的团队具备较强的工艺技术实力，以及设备开发与整合能力。被认为是发展最好的日本Solar Frontier公司的设备和工艺都是自主开发的，设备不在市场销售。我国的企业基本是花大价钱购买国外制造设备，但设备不代表工艺技术，也就意味着不一定能成功量产。然而CIGS太阳电池弱光特性好、抗辐射能力强，技术成熟后，制造成本和能量偿还期将远低于晶硅太阳电池。因此CIGS太阳电池仍不失为一种有很大发展潜力的薄膜电池。目前，我国从事CIGS电池的主要企业是山东孚日光伏科技有限公司，目前已经有30MW的生产线。并且有多家企业准备进入该领域。

（3）CdTe薄膜太阳电池 碲化镉也是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，具有与太阳光谱最匹配的直接光学带隙和高吸收系数，能够在2μm的厚度内实现对能量大于带隙的光子的充分吸收。这使得CdTe成为薄膜太阳电池引人注目的吸收层材料。同CIGS一样，CdTe的电活性对晶界也不敏感，薄膜结构稳定，可靠性好，并且采用常规多晶薄膜淀积技术就可以方便地淀积在玻璃衬底上，工艺简单，能耗和材料消耗都比较低，并且易于实现大面积集成化的电池组件。CdTe电池结构如图2-15所示。NREL在2001年创造了CdTe太阳电池的世界效率，转换效率在1cm2面积上达到16.7%。CdTe太阳电池的主要优势体现在成本方面，美国First Solar公司采用其独有技术，已将CdTe太阳电池做成了目前各类产业化电池中成本最低的一种。所以，CdTe太阳电池有望在实现低成本光伏发电的目标方面作出贡献。尽管CdTe化合物本身具有较好的稳定性，但Cd是剧毒元素，Te的储量有限，在生产过程中需要严格控制，避免对环境造成污染。在CdTe太阳电池应用方面，也需要对可能产生的环境污染问题作深入的防患考虑。生产企业主要有美国的First Solar、BPsolar、EPIR Tecieshnolog，德国的Antech和Siemens，日本的matsushita battery，中国的四川阿波罗太阳能科技有限责任公司和龙焱能源科技（杭州）有限公司等。由于制造技术主要集中在美国和德国，市场上没有专业的设备供应商，限制了其全球范围的大规模生产。可见如果没有自主开发的核心技术，短时间内很难成功实现CdTe薄膜电池的规模化生产。

美国First Solar公司成立于1987年，最初只生产非晶硅薄膜电池，1990年开始转移到CdTe电池，1992年制造出了第一个120cm×60cm的光伏组件，随后发展建立10MW的生产线。2004年年底产能达到了25MW。最早供应到市场的组件效率为6.2%～6.9%，面积约为0.72m2。产品良率逐年上升，从2003年的70%到2007年的90%，预计到2015年产品良率将提升到95%。与此同时，随着技术的进步，美国First Solar公司每条生产线的产能已经增加到60MW，效率提高到了11%，成本降低到了0.7美元/W左右。预计到2013年每条生产线的产能将达到69MW，CdTe薄膜厚度减薄到1.8μm，效率达到11.7%，制造成本锐减到0.66美元/W，稀有元素Te的用量从2007年的260t/GW将下降到120t/GW。在2011年5月欧洲大型光伏展览中，FirstSolar公司宣布随着在德国新工厂的建立，其产能达到里程碑式的4GW。

3．聚光太阳电池

聚光太阳电池是[聚光太阳电池（Concentrator Photovoltaic）]+[高聚光镜面菲涅耳透镜（Fresnel Lenes）]+[太阳光追踪器（Sun Tracker）]的组合，其太阳能能量转换效率可达31%～41.6%。虽然转换效率高，但是由于向阳时间长，过去用于太空产业，现在搭配太阳光追踪器可用于发电产业，不适用于一般家庭。按聚光模块聚光强度的不同，可以分为低倍率、中倍率、高倍率聚光器，见表2-2。

聚光太阳电池是以GaAs为基础发展起来的高效电池。通过调整Ⅲ-Ⅴ族化合物的组分可以调整带隙。而通过可以精确控制外延层平整度及厚度的金属有机化学气相淀积（MOCVD）技术可以将这些不同带隙的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料外延生长在Ge衬底上，从而开发出效率很高的叠层电池。目前，GaInP/GaInAs/Ge三结叠层电池是研究最广泛的一种，其最高效率为32%，由美国光谱实验室（Spectrolab）2003年在大约4cm2的面积上创造。而2009年日本夏普（Sharp）公司开发的GaInP/GaAs/GaInAs三叠层太阳电池在0.88cm2的面积上获得了35.8%的转换效率。Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的高效率来源于这些化合物材料具有直接带隙，光吸收系数大，而且通过叠层结构拓宽了与太阳光谱的匹配度。但是，Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏材料本身价格很高，太阳电池生产需要的MOCVD外延设备也相当昂贵，作为常规化石能源的替代者会受到性价比的限制。尽管如此，Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池却具有高效率、耐高温、抗辐射损伤等不可替代的优势，这使其在空天和军事应用领域备受重视。在地面应用中为降低成本，若采用聚光方式，也可以减小大面积电池片的消耗，适度提高性价比，有潜力在高日照度的边远缺电地区获得应用。2009年，美国Spire公司开发的GaInP/GaInAs/Ge三叠层电池在0.3cm2的面积上364倍聚光条件下创造了41.6%的转换效率的世界纪录。

4．其他太阳电池技术

（1）染料敏化太阳电池（DSSC）DSSC是一种新型的基于氧化还原反应的化学电池，主要是模仿植物的光合作用，由纳米多孔半导体薄膜负极（TiO2、SnO2、ZnO等）、染料敏化剂、氧化还原电解质、镀铂正极和导电衬底等几部分组成。染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态，将电子注入纳米多孔半导体的导带中，然后扩散至导电基底流入外电路，处于氧化态的染料被电解质还原再生，电解质变成氧化态，氧化态的电解质再在正极处接受电子被还原，完成一个循环。DSSC的主要优势是：原材料丰富、成本较低、工艺技术相对简单，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）的M.Grätzel教授领导的研究小组在DSSC上取得7.9%的突破性效率以来，欧、美、日等发达国家和地区投入了大量资金进行研发。日本夏普公司2005年在1cm2的面积上获得了10.4%的转换效率。限制DSSC效率的主要因素在于，染料的光吸收具有选择性，并且单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又会阻碍电子的传输；DSSC目前在大面积均匀性和稳定性方面也还存在问题。提高稳定性需要将电解质从传统的液态转换成固态，高性能固态电解质还有待开发。

（2）下一代超高效太阳电池 在20世纪60年代初，W.Shockley和H.J.Queisser就分析了基于单PN结的常规太阳电池的理论最高转换效率大约为30%，这被称为Shockley-Queisser极限，其余70%的太阳光能量要么没有被吸收，要么被吸收后转变成了热量。为了突破Shockley-Queisser极限，国际上很多研究机构都在致力于下一代超高效太阳电池的研究。这类超高效太阳电池基于纳米技术、量子技术、能带工程、掺杂工程等，与常规电池相比具有不同的太阳电池概念和结构，能够实现对太阳光谱的宽（全）光谱吸收，同时减小载流子的热弛豫损失。这方面的研究热点包括热载流子太阳电池、多激子太阳电池、杂质中间带太阳电池、波长上下转换太阳电池等。例如，热载流子太阳电池，理论上其转换效率可以接近86.8%的卡诺极限。到目前为止，这方面的研究仍处于活跃的基础研究阶段。这类太阳电池一旦实现应用，光伏发电成本将大大降低，光伏能源的大规模利用将很快到来。