薄膜太陽能電池的研究現狀與發展趨勢

太陽能是各種可再生能源中最緊要的基本能源，生物質能、風能、水能等都來源于太陽能。太陽能電池是是一種通過光伏效應將太陽能轉變為電能的一種裝置，是利用太陽能的一種緊要形式。

目前，人們依據所選用的半導體材料將太陽能電池使用技術分為晶硅和薄膜兩大類。晶硅太陽能電池在現階段的大規模使用和工業加工中占據主導地位，但由于其成本過高，限制了其發展。相比晶硅等其它太陽能電池，薄膜太陽能電池具有加工成本低、原材料消耗少、弱光性能優良等優點。隨著世界能源緊缺，薄膜太陽能電池作為一種光電功能薄膜，可以有效地處理能源短缺問題，而且無污染，還可以實現光伏建筑一體化，易于大面積推廣。

非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅薄膜太陽能電池轉換效率較低，試驗室轉換效率惟有13％，但工藝成熟、成本較晶硅低廉、制備方便，適于大規模加工。

非晶硅薄膜太陽能電池通常為疊層結構，玻璃基板上沉積了透亮導電膜（transparentconductiveoxide，TCO）層、非晶硅層（a—Si層）和背電極層（Al／ZnO層）3層薄膜，其中非晶硅層通過磁控濺射法沉積。

相關于單晶硅太陽能電池，非晶硅薄膜是一種極有希望大幅度降低太陽電池成本的材料。非晶硅薄膜太陽能電池具有諸多優勢使之成為一種優良的光電薄膜光伏器件。（1）非晶硅的光吸收系數大，因而作為太陽能電池時，薄膜所需厚度相對其他材料如砷化鎵時，要小得多；（2）相關于單晶硅，非晶硅薄膜太陽能電池制造工藝簡單，制造過程能量消耗少；（3）可實現大面積化及繼續的加工；（4）可以采用玻璃或不銹鋼等材料作為襯底，因而容易降低成本；（5）可以做成疊層結構，提高效率。

但同時非晶硅薄膜太陽能電池仍存在一些要處理的問題。（1）由于Staebler-Wronski效應的存在，使得非晶硅薄膜太陽能電池在太陽光下長時間照射會出現效率的衰減，從而導致整個電池效率的降低；（2）沉積速率低，影響非晶硅薄膜太陽能電池的大規模加工；（3）后續出產困難，如Ag電極的解決問題；（4）在薄膜沉積過程中存在大量的雜質，如O2、N2、C等，影響薄膜的質量和電池的穩定性。

非晶硅薄膜太陽能電池的下一步研究緊要有以下幾個方向：其一是采用優質的底電池i層材料；其二朝疊層結構電池發展；第三是在保證效率的條件下，開發加工疊層型非晶硅太陽電池模塊技術；最后使用便宜封裝材料以降低成本。

多晶硅薄膜太陽能電池

poly-Si薄膜電池既具有晶體硅電池的高效、穩定、無毒、材料資源豐富，又具有薄膜電池的材料省、成本低的優勢，它在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，且具有與晶體硅相同的光照穩定性，同時材料制備工藝相對簡單，poly-Si薄膜電池技術有望使太陽電池包件的成本得到更大程度的降低，從而使得光伏發電的成本能夠與常規能源相競爭。

限制太陽能電池轉換效率的因素很多，提高吸光率和減少載流子復合是提高轉換效率最緊要的2種辦法。

眾所周知，吸光率越大，電池轉換效率越高，短路電流密度．，筻也越大。si對可見光的光學吸收長度約為150um。由此可見，傳統單晶與非晶硅太陽能電池的厚度為200um左右，有利于充足吸收太陽光能量。按照國際認定的標準，新一代薄膜太陽能電池的厚度應在50um以下。這意味著非得使較長波段的光在薄膜的上下表面間來回反射，以新增其光程，達到提高吸光率的目的。要使吸光率A（λ）在寬譜帶范圍內達到高值，可以采取以下2種辦法。

第一種辦法是使薄膜電池上表面反射系數Rf接近于0。為此，通常采用由ZnS、MgF、TiO2和Si構成的單層或多層減反膜。第二種辦法是使薄膜電池背面的反射系數Rb接近理想的100％，通常用在基片上蒸鍍金屬膜作為反射層的辦法新增電池背面的反射系數。

無論體晶硅還是薄膜硅太陽能電池，其內部的載流子復合都是不可戒備的。在si薄膜太陽能電池中，大量的載流子復合發生在雜質中心、表面、界面和晶界處L2J在多晶硅薄膜和微晶硅薄膜中，晶界處會有晶界復合。為了減少這些復合。應盡可能減少薄膜中不要的雜質，增大多晶硅和微晶硅薄膜中的晶粒尺寸等。

CIGS薄膜太陽能電池

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池的首選，并且是單位重量輸出功率最高的太陽能電池。所謂第三代太陽能電池就是高效/低成本/可大規模工業化加工的銅銦鎵硒（CIGS）等化合物薄膜太陽能電池。

CIGS具有非常優良的抗干擾、耐輻射能力，因而沒有光輻射引致性能衰退效應，使用壽命長。CIGS是筆直帶隙的半導體材料，因此電池中所需的CIGS薄膜厚度很小（一般在2um左右）。它的吸收系數非常高達10-5cm-1，同時還具有很好的非常大范圍的太陽光譜的應和特性。通過調節Ga/（In+Ga）可以改變CIGS的帶隙，調節范圍為1.04eV~1.72eV。CIGS系電池可以很方便地做成多結系統，在四個結的情況下，從光線入射方向按禁帶寬度由大到小順序排列，太陽能電池的理論轉換效率極限可以超過50%。

CIGS薄膜在高于500℃的溫度下沉積在涂有Mo的玻璃襯底上，并且與通過化學沉積形成的CdS層，組成CdS／CIGS異質結太陽能電池。以摻鎵的CIS（CIGS）和以CdS為緩沖層制成的太陽能電池效率已高達21．5％。

目前大多數CIGS電池包件都含有CdS緩沖層，但使用CdS緩沖層也存在一些缺點。從恢復短波光生電流的觀點來看，應當使用禁帶寬度更寬的緩沖層，從環境的觀點來看，鎘的毒性將對環境出現負面影響。因此近年來研究使用的緩沖層材料有ZnS、In2S3、ZnSe、ZnO、SnO2、ZnIn2Se等，以取代CdS作為緩沖層，實現制備綠色無鎘高效CIGS薄膜太陽電池，同時為了節約原材料和能源，還應當考慮盡可能地減小薄膜厚度。

有機薄膜太陽能電池

有機薄膜太陽能電池緊要有：單層結構的肖特基電池、雙層p-n異質結電池以及p型和n型半導體網絡互穿結構的體相異質結電池。目前認為有機薄膜太陽能電池的用途過程分為3個步驟：光激發出現激子、激子在給體／受體（D／A）界面的分裂、電子和空穴的漂移及其在各自電極的收集。有機薄膜太陽能電池具有材料潛在的低價格、出產容易、可大面積成膜、分子及薄膜性質可設計性、質輕、柔性等顯著優勢，但目前有機薄膜太陽能電池光電轉換效率很低、穩定性差，惟有將光電轉換效率提高到5％以上才可能大規模使用。

綜上所述，薄膜太陽能電池因為低成本、低材料消耗、不斷提高的轉換效率，在將來光伏電池技術發展中占有越來越緊要的位置，很多研究人員都在致力于薄膜太陽能的研究和開發。不同類型的薄膜太陽能電池具備各自的優缺點。a-Si薄膜太陽能電池成本較單晶Si太陽能電池低，但由于存在光致衰退效應，目前很難發展為具有穩定高效率的太陽能電池。而poly-Si薄膜太陽能電池兼具單晶Si和a-Si的優勢，制備工藝相對簡單，適合產業化大面積加工。CIGS薄膜太陽能電池效率較高，性能優越，提議科研工作者給予更多的關注。有機薄膜太陽能電池關于實現低能耗、低成本、無污染具有緊要的意義，但轉換效率低、長期穩定性差，想實現商用要較長的研究過程。可以設想在不久的未來，隨著科研工作的不斷深入，薄膜太陽能電池目前面對的問題將逐一得到處理，性能將不斷得到改善和提高，從而滿足將來消費者關于能源的急切需求。

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