柔性襯底太陽電池可采用單結(jié)或多結(jié)結(jié)構(gòu)。單結(jié)結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性差、效率低已較少采用,而穩(wěn)定性好、效率高的多結(jié)、疊層太陽電池是柔性襯底太陽電池的發(fā)展方向,目前多采用三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)。三結(jié)太陽電池中,每一個電池都是由三個半導(dǎo)體結(jié)相互疊加而成:底電池吸收紅光;中間電池吸收綠光;頂電池吸收藍(lán)光;對陽光光譜的寬范圍響應(yīng)是提高電池效率的關(guān)鍵。美國Uni-Solar公司的不銹鋼襯底、三結(jié)非晶硅鍺太陽電池結(jié)構(gòu)如圖3所示,其小面積電池效率目前達(dá)到14.6%。
三柔性襯底薄膜太陽電池的國內(nèi)外現(xiàn)狀
當(dāng)前商業(yè)化非晶硅電池的穩(wěn)定效率,單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)分別為4%~5%,6%~7%,7%~8%。世界上從事柔性襯底薄膜太陽能電池的研制生產(chǎn)的主要單位是美國的聯(lián)合太陽能公司(United Solar),歐洲的VHF-technologies公司,和日本的Sharp公司,Sanyo公司。
美國光伏計(jì)劃的重點(diǎn)是"Thin Film Partnership Program",著重研究廉價高效薄膜太陽電池,預(yù)計(jì)到2020年左右,光伏發(fā)電的成本可望同燃油發(fā)電相競爭(相當(dāng)于電池效率15%,每平方米成本≤50美元)。
美國United Solar Systems公司是Energy Conversion Devices,Inc.(ECD)和N.V.Bekaert S.A(BESS Europe)合資經(jīng)營,2003年建立了一條同時沉積6卷不銹鋼卷帶三結(jié)疊層非晶硅電池生產(chǎn)線,年產(chǎn)30MW,初始效率和穩(wěn)定效率分別達(dá)到14.6%和12.6%。2006年為50MW,2007年達(dá)100MW,2010年的目標(biāo)是300MW。
美國Toledo大學(xué)在柔性襯底非晶硅太陽電池領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位,其單結(jié)非晶硅鍺電池實(shí)驗(yàn)室初始效率達(dá)到了13%,他們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)參與組建了MWOE和Xunlight公司,并在積極籌劃更大的產(chǎn)能。
日本在柔性襯底太陽電池的研究方面也走在世界前列。在日本,Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力從事柔性襯底非晶硅太陽電池的研制,已經(jīng)建成了多條兆瓦量級的聚酯膜柔性電池生產(chǎn)線。Sanyo公司最早在無人駕駛的太陽能飛機(jī)上采用了柔性襯底非晶太陽電池作為能源,完成了橫跨美洲大陸的飛行,顯示了柔性非晶薄膜太陽電池作為飛行器能源的巨大潛力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制備的非晶硅太陽電池目前已能生產(chǎn)面積為286cm2的組件,效率已達(dá)8.1%,小面積電池的效率已達(dá)11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe疊層電池穩(wěn)定效率達(dá)到9%,在日本Kumamoto建立了工廠,塑料襯底非晶硅電池的產(chǎn)量2006年達(dá)15MW。
歐盟則聯(lián)合其成員國的多個研究機(jī)構(gòu)組織包括Neuchatel大學(xué)、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等開展了聚酯膜襯底柔性電池的聯(lián)合攻關(guān),目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)線。歐盟于2005年10月1日啟動了"FLEXCELLENCE"項(xiàng)目,為期3年,目標(biāo)是開發(fā)出高效率薄膜電池組件卷對卷生產(chǎn)的設(shè)備和工藝,建成50兆瓦以上的柔性電池生產(chǎn)線,并希望將生產(chǎn)成本控制在每瓦0.5歐元。據(jù)2007年的報道,目前Neuchatel大學(xué)的聚酯膜襯底非晶硅疊層電池實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10.8%,VHF-technologies公司的年產(chǎn)能為25MW。
我國的柔性襯底薄膜電池的研究進(jìn)展較慢。哈爾濱Chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亞胺襯底上的非晶硅單結(jié)薄膜電池,電池初始效率為4.63%,功率重量比為231.5W/kg,但此后進(jìn)展不大。近年來南開大學(xué)在柔性襯底非晶硅薄膜電池方面的研究取得了一定的進(jìn)展,他們在0.115cm2的聚酰亞胺襯底上獲得單結(jié)薄膜電池的初始效率為4.84%,功率重量比為341W/kg。
柔性襯底電池的產(chǎn)業(yè)化方面,目前天津津能電池有限公司在建6MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線,30MW生產(chǎn)線已經(jīng)開始了項(xiàng)目論證,新疆天富光伏光顯有限公司在建1MW非晶硅柔性電池生產(chǎn)線,未來準(zhǔn)備建立8MW。這兩家公司都由于設(shè)備及技術(shù)由國外進(jìn)口,預(yù)計(jì)電池成本偏高??偟膩碚f,國內(nèi)目前具備了非晶硅薄膜電池研制的技術(shù)基礎(chǔ),但是在柔性襯底上的研究還處于剛剛起步的階段,和國外的差距較大。
四柔性襯底薄膜太陽電池的制備
下面以美國Uni-Solar公司的不銹鋼柔性襯底三結(jié)非晶硅太陽電池為例簡單介紹卷對卷(roll to roll)生產(chǎn)過程。
將成卷不銹鋼帶(帶磁性)裝入專用清洗機(jī)中,采用卷對卷方式進(jìn)行鋼帶傳送,對鋼帶兩個表面同時進(jìn)行清洗、干燥。首先磁控濺射沉積金屬和金屬氧化層,以增強(qiáng)襯底的反射率。然后采用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積非晶硅層,以形成疊層太陽電池結(jié)構(gòu),這是整個制造過程中最關(guān)鍵的工藝步驟。對于三結(jié)非晶硅太陽電池來說,需要在已經(jīng)做好的背反射器的表面連續(xù)沉積9層硅基薄膜,包括3個P-I-N結(jié)子電池,各分離的反應(yīng)室之間需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的氣氛隔離室以防止相鄰反應(yīng)室間的氣體交叉污染。硅基薄膜沉積完成之后,需在電池頂部沉積銦錫氧化物(ITO),即透明導(dǎo)電氧化層作為入射光的減反射層。然后需要在光入射一面布置柵線,并根據(jù)最后電池的尺寸和形狀,進(jìn)行切割、電極接合、電池切割和電池互聯(lián),從而構(gòu)成具有一定參數(shù)的電池組件。該生產(chǎn)線的年產(chǎn)量為30MW,造價為6000萬美元,90米長,3米高,以厚度127μm的不銹鋼(長2.6km,寬36cm)為襯底.
采用roll to roll技術(shù)來制備大面積柔性襯底非晶硅太陽電池,有以下關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決:非晶硅薄膜的高速沉積;大面積薄膜生長時的均勻性;各反應(yīng)室間氣體隔離裝置的開發(fā);實(shí)時監(jiān)控與診斷等等。整個roll to roll生產(chǎn)線的開發(fā)是一個國家綜合工業(yè)實(shí)力和基礎(chǔ)的體現(xiàn)。
五上海太陽能工程技術(shù)研究中心的工作
上海市太陽能工程技術(shù)研究中心目前擁有整套的柔性非晶薄膜電池研制線,太陽模擬器、QE測試設(shè)備等測試裝置,目前所研制的不銹鋼襯底非晶硅電池,電池效率達(dá)到8.4%(AM0,25℃);聚酰亞胺襯底非晶硅電池,電池效率達(dá)到6.4%(AM0,25℃)。