２０１０年３月 光源与照明 ２０１０年第１期 非晶硅薄膜电池应用及前景分析 张旭鹏杨胜文张金玲皇明太阳能集团有限公司（德州２５３０００） 摘要通过详细阐述非晶硅薄膜电池的结构和优点，论证了非晶硅薄膜电池具有的广阔应用前景，尤其在遮阳、中空光伏组件 中的应用具有明显的优势，其对可再生能源的发展有着积极的推动作用。 关键词太阳能电池非晶硅薄膜电池光伏应用遮阳中空光伏组件 ０引言 后用ＥＶＡ（乙烯一醋酸乙烯共聚物）、底面玻璃封装， 衬底也可以是不锈钢片、塑料等作衬底。 随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会 非晶硅双结玻璃薄膜电池组件的结构如图１所示， 各界对能源消耗的可持续性发展日益重视，尤其引起 自上到下依次为顶面玻璃、ＳｎＯｚ导电膜、双结非晶硅 了各国对清洁的、可再生能源的关注和青睐，新 薄膜电池（非晶硅薄膜电池还可做成单结或三结非晶 型能源成为国际学术界和各国研究、开发的重点，而 硅薄膜电池）、背电极、ＥＶＡ（乙烯一醋酸乙烯共聚物）、 太阳能是新能源发展的主要方向之一” 。根据美国能 底面玻璃。 源信息管理局的预测，到２０１０年，世界煤炭、水力和 核能发电将有６．４％的电力供应缺口；到２０２０年，这 一缺口将增至１０．７％；这一供应缺口不得不用可再生 太阳光 能源去弥补，而利用太阳能发电将起着重要的作用。 太阳能光伏发电是太阳能利用的一个主要方面， 顶面玻璃 目前常用的太阳能电池有单晶硅电池、多晶硅电池和 Ｓｎ０２ 非晶硅薄膜电池。在欧美一些国家，因为的一些 Ｐ 优惠及单晶硅、多晶硅电池具有研发早、转化效 Ｉ 率高、生产工艺成熟等优点，得到了一定数量的推广。 Ｎ 但是单晶硅、多晶硅电池组件的硅料提纯、制取过程 Ｐ 中消耗大量的电能，发电成本远高于其他能源形式。 Ｉ Ｎ 经分析，单晶硅、多晶硅电池成本下降有两种途径： 背电极 提高转化率和降低硅片厚度。根据电池转化率和硅片 ＥＡＶ 厚度变化趋势可以测算多晶硅系统价格变化趋势，最 底面玻璃 高值分别是２２％和１５０ ｒｕｎ，这个数值接近晶硅的成本 极限；根据模型测算，按照年日照１ ０００ｈ测算，２０２０ 年多晶硅电池系统的发电成本为２．０２元／ｋＷ・ｈ；年日 图１非晶硅双结玻璃薄膜电池结构 照１ ３００ｈ的发电成本为１．５５元／ｋＷ・ｈ，这一数据接 近晶硅的成本底线，但仍不足以与煤炭等常规能源相 非晶硅玻璃薄膜电池发电原理与单晶硅、多晶硅 比翻，市场前景日益黯淡。单晶硅、多晶硅电池的这 电池相似，当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能 些缺点在客观上为非晶硅薄膜电池的发展提供了契机。 产生光生电子一空穴对，在电池内建电场的作用下， １非晶硅薄膜电池简介 光生电子和空穴被分离，空穴漂移到Ｐ侧，电子漂移 到Ｎ侧，形成光生电动势，外电路接通时，产生电流。 非晶硅（ａ－Ｓｉ）太阳电池是在玻璃（ｇｌａｓｓ）衬底上 ２非晶硅薄膜电池的特点 沉积透明导电膜（ＴＣＯ），然后依次用等离子体反应沉 积Ｐ型、ｉ型、ｎ型三层ａ－Ｓｉ（单结），接着再蒸镀金 （１）材料成本低。硅材料用量少 属电极铝（Ａ１），光从玻璃面人射，电池电流从透明导 衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。 电膜和铝引出，其结构可表示为ｇｌａｓｓ／ＴＣＯ／Ｉ￣ｉｎ／Ａ１，最 硅的厚度可以很薄，只有０．５ ｐｍ左右，这和非晶硅电 ．３９． ２０１０年３月 光源与照明 Ｏ． ０． ０． ２０１０年第１期 池光吸收系数大有很大关系，单晶硅电池需要充分吸 收太阳光，需要的厚度较厚，约为２００ ｍ。另外非晶 硅电池不需要像单晶硅那样切片，材料浪费极少。 （２）制造工艺简单。可连续、大面积、自动化批 量生产 鐾ｏ． ０． 圈 非晶硅产业化是利用化学气相沉积法制造的，硅 烷气体流入真空反应器，利用高频放电等方法分解硅 烷，使非晶硅沉积在基板上。硅烷中混入含有Ｐ或Ｂ 斟０． ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１１２ １３ １４１５１６ｌ７ ｌ８ｌ９２ｏ２ｌ 的ＰＨ，、ＢｚＨ 气体，可得到Ｎ型或Ｐ型非晶硅。无论 记录批次 是单结ＰＩＮ、双结ＰＩＮ／ＰＩＮ、还是三结ＰＩＮ／ＰＩＮ／ＰＩＮ 电池，也无论是０－３ ｍ２、Ｏ．７ ｍ２还是５．７ ｍ２，其核心 部分的ＰＩＮ结都可以在薄膜的生长过程中同时完成。 目前已经实现了可连续、大面积、自动化批量生产。 晶硅电池组件的制造需要经过太阳电池的筛选、焊接 等琐碎的工序，人力投人较多，制造过程中质量不容 易控制，实现自动化批量生产难度大。 （３）制造过程消耗电力少。能量偿还周期短 非晶硅薄膜电池是用气体分解法制备非晶硅，基 板温度仅２００～３００ ｃＣ，与单晶硅在１ ４１２ ｏＣ以上反复 多次熔解相比，所消耗的电力少得多。晶体硅太阳电 池能量偿还时间为２～３年，而非晶硅太阳电池只有 １～１．５年嘲。 （４）温度系数低 太阳能光谱分布比较宽，晶体硅电池只能吸收能 量比自己带隙高的光子，其它光子被吸收转换为热量 或将能量传递给材料分子，使材料发热，这些热效应 会使晶体硅电池的发电效率下降，而非晶硅带隙比晶 体硅宽，温度系数影响明显低于晶体硅。 （５）弱光性能强 由于非晶硅的价带电子能级低，在暗光下非晶硅 电池依然具有良好的光电效率。 （６）发电量高 在相同的测试条件下，与相同功率的晶体硅太阳 电池相比，非晶硅薄膜电池的年总发电量高１０％－１５％。 图２是非晶硅薄膜电池与单晶硅电池单位瞬时功 率对比图，其中： 瞬时功率Ｐ＝ＵＩ； 单位瞬时功率＝Ｐ／Ｐ瑚 ； 式中 、 为每天上午１０：００和下午１５：００分别 记录非晶硅薄膜电池组件和单晶硅电池组件工作时的 电压、电流所得到的数据，Ｐ为对应的瞬时功率，Ｐ脚 为组件的额定功率。 ・４０・ 图２ 非晶硅薄膜电池与单晶硅电池单位瞬时功率对比图 由图２可见，单位功率的非晶硅薄膜电池比单晶 硅电池发电量高，这和非晶硅薄膜电池的温度系数低、 弱光性能强等优点是分不开的。 （７）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， 更有魅力。 （８）热斑效应不明显 当太阳电池阵列面积较大时，难免会有部分组件 处于阴影之内，由于非晶硅太阳电池的电流密度较小， 热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便，可靠性 更好。 当然，非晶硅薄膜电池也有它无法掩饰的缺点： （１）由于非晶硅太阳电池出现较晚（比单晶硅电池 晚２２年），在工艺上没有单晶硅电池成熟，在８０年代 初，才实现产业化，曾经由于封装、引线等问题，出 现过电池组件过早失效现象。目前，其工艺已经提高 到了一个相当的水平，但是还有很多方面需要改进和 提高。 （２）由于非晶硅太阳电池光电转换效率偏低，不 太适合用于安装面积有限、发电功率要求较大的环境 中。 ３非晶硅薄膜电池应用 目前，非晶硅薄膜电池组件在遮阳、中空光伏组 件等方面得到大量的应用。 （１）非晶硅光电活动遮阳系统 非晶硅光电活动遮阳系统是安装在建筑立面的一 种新型户外高端遮阳产品，是利用非晶硅薄膜电池组 件作为遮阳板的一种具有发电、遮阳功能的新型节能 环保产品，外观效果如图３所示。主要由遮阳板、托 架、支杆、电动推杆等几部分组成。遮阳板可以选用 单晶硅、多晶硅电池组件或非晶硅薄膜电池组件，但 ２０１０年３月 光源与照明 ２０１０年第１期 是单晶硅、多晶硅电池组件中太阳电池之间存在间隙， 透光率过高，影响遮阳效果。使用不透光非晶硅薄膜 电池组件，透光率降到１０％左右，遮阳效果比较好。 另外非晶硅薄膜电池组件的颜色均匀，线条平直，与 建筑整体是协调的。 图３ 非晶硅薄膜电池组件遮阳系统 （２）非晶硅薄膜电池中空光伏组件 非晶硅薄膜电池中空光伏组件的结构如图４所示， 由上至下分别是顶面玻璃、薄膜电池、ＥＶＡ、底面玻 璃、中空层、ＬＯＷ—Ｅ膜以及中空玻璃。在底面玻璃和 镀膜玻璃之间设有铝间隔条，由铝间隔条围成一中空 腔，中空腔上下侧中的其中一侧镀有ＬＯＷ—Ｅ膜层；在 间隔条一边的外侧到相应玻璃边上装有带二极管的接 线盒；间隔条与底面玻璃、中空玻璃之间设有第一道 密封胶，玻璃与铝间隔条外围设有第二道密封胶。 顶面玻璃 薄膜电池 ＥＶＡ 底面玻璃 一中空层 ＬＯＷ—Ｅ膜 中空玻璃 图４非晶硅薄膜电池中空光伏组件结构 非晶硅薄膜电池的弱光性好，在暗光下依然具有 良好的光电效率。非晶硅薄膜电池做成幕墙、采光顶 （图５），中空玻璃内侧镀有ＬＯＷ—Ｅ膜，具有对可见光 高透过及对中远红外光高反射的特性，可达到为建筑 隔热、保温的效果。经中国建筑科学研究院测试，此 种产品的传热系数 值为１．６ ｗ／ｍ２Ｋ， 值越低，通 过玻璃的传热量也越低，国内很多企业制作的中空产 品都高于２ Ｗ／ｍ２Ｋ，这是其他建筑材料和普通玻璃幕 墙无法比拟的。另外组件的两个引出电极与接线盒采 取内电路连接。这使得接线盒隐藏在组件内，避免安 装到建筑上影响美观，同时安装也更加方便。 图５非晶硅薄膜电池用作采光顶 ４结论 在全球能源供应日趋紧张的情况下，各种太 阳能利用的新技术发展比较迅速，太阳能应用领域正 在逐渐拓宽，设计应用水平也在不断得到提高。专家 认为，未来５年内薄膜太阳能电池成本将会大幅降低， 届时这种薄膜太阳能电池将广泛应用于电子消费品、 远程监控／通讯、军事、野外／室内供电等领域。太阳 能电池相关研究人员已经在研究以薄膜取代晶硅制造 太阳能电池的技术，并取得巨大进展，在详细分析成 本和预测未来价格走势的基础上，对薄膜电池行业的 盈利前景进行了预测。龙头企业的稳定毛利率在 ３０％～５０％之间；考虑成本下降和售价变化，随着技 术进步，未来几年这一盈利水平是可以维持稳定在 ２０％～３０％之间，薄膜电池逐渐成为太阳能行业的新 的爆发点，因此需要提前布局，才能把握住这一历史 性机遇。相信随着人们节能环保意识的增强、思想观 念的转变，资源和能源节省等优势依然能确保非晶硅 薄膜电池有良好的应用前景，非晶硅薄膜电池的应用 领域将会更加广阔。 参考文献 【１】邱速希．非晶硅玻璃薄膜电池应用及热稳定性能和抗压性能测 试，玻璃【Ｍ】．２００９（４）：３５ 【２】国金证券一薄膜电池行业研究报告【Ｒ］．２００８ 【３】杨金焕，于化丛．太阳能光伏发电应用技术［Ｊ】．电子工业出版 社，２００９ ・４１・
