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摘 要 太阳能光伏发电具有的许多特征使其对未来能源非常重要，正在形成一门新兴的产业，但达到大规模地面应用需要解决提高光电转换效率和降低成本这两大难题。多晶硅薄膜太阳电池能在廉价衬底上制备，成本远低于晶体硅太阳电池，转换效率可接近晶体硅太阳电池，并且具有光电性能稳定的特点。国内外光伏界都投入了大量的人力物力研究开发多晶硅薄膜太阳电池，取得了可喜的进展。
关键词 太阳电池；多晶硅；薄膜
1 引言
爱迪生早在1932年就说过，人们迟早将不得不从太阳直接获取能量作为主要能源的供应。随着时间的推移，直接从太阳光转换为电力将会引起人们越来越多的重视，而最终得以解决。
人们最希望的未来能源是价格合理、丰富、可靠的清洁能源。随着全球经济和人口的增长、技术的发展、能源质量和可靠性问题、环境的挑战、功能的调整强调在未来年代里需要重新设置发电和输电系统。虽然目前光伏发电还不能完全解决这些挑战，但这种可再生能源的选择可以对世界能源作出重要贡献。太阳能光伏发电具有的许多特征使其对未来能源非常重要。光伏发电是一种通用的电力技术，可以用在许多或大或小的应用中；是一种标准模式的技术，使得发电系统可以逐步扩大以适应增长的需要；是一种方便的技术，易于安装、维护和使用，可用于任何有阳光的地方，安装在几乎任何表面上，也可以集成到建筑结构中，使美感和多功能价值最大化。光伏发电正在形成一门新兴的产业，年营业额已逾10亿美元。
太阳电池在我国有巨大的潜在市场，在西北5省等边远地区及河南、河北、山东、湖北的山区，能源严重缺乏，至今仍有6000万无电人口。发展太阳能光伏发电不仅可以逐步改变我国的能源结构和环境面貌，而且顺应我国发展西部的战略，解决缺能少电地区人民的迫切需求，大大改善无电地区广大人民的物质文化生活。
2 太阳电池的发展
1954年美国贝尔实验室制造出第一块实用的硅太阳电池(转换效率只有6%)，初期由于价格昂贵只能用于一些特殊的应用，如人造地球卫星上。到了20世纪60年代和70年代初期，太阳电池价格昂贵，每峰瓦价格以百美元计，只能应用在无电又特别需要电的特殊场合，如航标灯、通讯和照明等。通过半个世纪的努力，大规模生产的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到14%~15%，太阳电池的造价和发电成本己分别降至每峰瓦3美元和每度电25美分，世界太阳电池的年产量达到了540MW。即使如此，其主要应用范围仍然是边远无电地区，解决照明、电视、冰箱、录音机用电以及微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵等的用电。
目前，晶体硅太阳电池因丰富的原材料资源和成熟的生产工艺而成为太阳电池研发和产业化的主要方向，但走向大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。工艺成熟的晶体硅太阳电池具有相对较高的转换效率，但成本较高，硅晶体的尺寸也不能满足大面积的要求。由于制作晶体硅太阳电池的硅材料占太阳电池成本的45%以上，受晶体硅材料价格和晶体硅太阳电池制备过程的影响，若要再大幅度地降低晶体硅太阳电池成本是非常困难的。因此，要真正达到地面大规模利用太阳电池的目标，降低材料的成本就成为降低太阳电池成本的主要手段。高效低成本的薄膜太阳电池代表了未来太阳电池工业的发展方向。非晶硅薄膜太阳电池虽在成本上具有一定优势，但光疲劳效应严重制约了其发展空间，一些理论问题也有待进一步探索。因此，兼具两者优势的多晶硅薄膜太阳电池成为主攻方向。多晶硅薄膜电池的厚度随着结构的不同可以从几μm到几十μm，仅是晶体硅太阳电池厚度的1/100到1/10，省却了拉单晶(或铸多晶硅锭)、切、磨、抛等诸多繁琐，且硅材料储量丰富，无毒无污染，技术成熟，便于实现大面积、全自动化连续生产。多晶硅薄膜太阳电池能在廉价衬底上制备，成本远低于晶体硅太阳电池，实验室效率已达18%，远高于非晶硅薄膜太阳电池的效率。最新研究表明，多晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳电池，并且具有光电性能稳定的特点。
3 多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发现状
目前，多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发工作主要沿以下几个途径：
(1)低温生长
日本Kaneka公司制造的多晶硅薄膜太阳电池，由于生长温度低于600℃，采用玻璃为衬底，利用PECVD(等离子增强化学气相沉积)法生长多晶硅薄膜，太阳电池的转换效率已达到10.7%。但由于生长温度低，必须辅以某些晶化技术，薄膜沉积的生长速度也较低。太阳电池的厚度在2μm~10μm，必须采取陷光措施。这些都加大了技术的复杂性。
澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程，通过近4年的努力，已经进入了商业化最后阶段。加速老化试验证明多晶硅薄膜太阳电池性能没有衰减，取得了转换效率和制造成本的平衡，目前造价为1.95美元/峰瓦，是晶体硅太阳电池成本的2/3，到2005年预期电池成本可以降到1.25美元/峰瓦，采用这个价格的太阳电池发电的价格将比多数国家的民用电价还要低。
这种制作在面积为660cm2的钢化玻璃上的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到8%。其制作工艺为：在具有织构化结构的玻璃上先沉积一层氮化硅，再在其上制作总体厚度只有1.6μm的n+pp+非晶硅电池，再进行晶化和氢钝化，通过激光将整个电池划成多个单体电池，再通过内部连接将分开的单体电池串联起来构成组件。这种连接使整个硅薄膜面积的99%可用于光伏发电。当组件面积达到1.2m2时，其整体转换效率将不比现有的晶体硅太阳电池差。至今为止，在中试生产线上已经生产了2000多个组件。
(2)层转移技术
利用层转移技术，可以在晶硅衬底上生长硅薄膜并制作太阳电池。然后将电池剥离并附在低成本衬底上，从而实现晶硅衬底的反复使用。最先使用的层转移技术是VEST(Via hole Etching for the Separation of Thin films)工艺，其表面层是热氧化加上再晶化的硅晶种层。利用了多孔硅分离技术的有“PSI(Porous SI)工艺”、“SPS(Sintered Porous Si)工艺”和ELTRAN(Epitaxial Layer Transfer)工艺。ELTRAN工艺的重要改进是接近表面孔的退火步骤，使外延具有理想的起始点。PSI工艺使用了织构化的衬底，具有有效的陷光效应。EL(Epi Lift)工艺是首先利用液相外延的工艺，形成目状硅薄膜以陷光。以Sony公司的多孔硅分离技术为代表，制作的4cm2多晶硅薄膜太阳电池的最好转换效率达到12.5%。
(3)廉价耐高温衬底上的薄膜生长
目前所采用的耐高温衬底主要有：石墨、功能陶瓷、以及硅基材料等。目前所获得的较好结果主要有：日本三菱公司在SiO2衬底上制作的多晶硅薄膜太阳电池，其效率达16.5%；德国Fraunhofer研究所在石墨和SiC陶瓷材料衬底上的薄膜太阳电池，效率分别为11%和9.3%。值得注意的是，在这些较好结果的获得过程中大都采用了ZMR(区熔再结晶)技术。
在所有廉价衬底中，硅基材料导电性好，与多晶硅薄膜没有热匹配问题，孔隙度、粗糙度等问题也易于解决或控制，因而特别引人注目。近年来，德国Fraunhofer研究所利用冶金级或太阳级硅粉，经高温区熔控制而成的颗粒带硅Silicon sheet from powder异军突起。由于制造工艺简单、成本较低，适于产业化发展的要求，因而成为硅薄膜太阳电池领域研究的新热点。颗粒带硅材料可分为2类。一类由高纯硅粉拉制而成，杂质、缺陷含量很少，表面平坦；另一类由冶金级硅粉拉制，为避免拉制过程中形成炉渣样物质，在硅粉中加入了相当多的碳。Fraunhofer研究所利用RTCVD(快速热化学气相沉积)法在高纯硅粉区熔而得到的颗粒带硅衬底上制作了效率达10.4%的太阳电池，在纯度较低的颗粒带硅衬底上采用正面电极方法制作的薄膜太阳电池效率达6%。
4 国内多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发
北京市太阳能研究所从1995开始研究多晶硅薄膜太阳电池，其目标是跟踪该领域世界发展情况，为今后产业化和降低成本打下坚实的基础，进而赶超世界先进水平。该所在薄膜太阳电池研究方面主要进行RTCVD法，自行设计加工了RTCVD设备，开展了生长多晶硅薄膜的研究。在重掺单晶硅衬底上用RTCVD法外延生长得到20μm厚的硅薄膜，之后制作的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到15.12%。
在非硅底材上制作多晶硅薄膜太阳电池的研究方面，北京太阳能研究所主要研究在SiO2和Si3N4膜底材上生长多晶硅薄膜。SiO2膜与硅的晶格匹配较好，热膨胀系数也较相近，用SiO2作衬底较佳。先采用LPCVD(低压化学气相沉积)法在SiO2 膜上生长一层晶粒很小、很薄的多晶硅薄膜，再采用ZMR设备增大晶粒尽寸，再用RTCVD法沉积薄膜，得到晶粒尺寸为几十μm的多晶硅薄膜，通过制作电池工艺获得了转换效率为 10.74%的多晶硅薄膜太阳电池。
北京市太阳能研究所与中科院广州能源所合作，利用德国Fraunhofer研究所提供的高纯度颗粒带硅衬底制作出的多晶硅薄膜太阳电池的转换效率达到6.38%。在低纯度颗粒带硅衬底上(其Si含量不超过 90%)，利用RTCVD法生长多晶硅薄膜，并在此基础上制作的面积为1cm2薄膜太阳电池的转换效率达到2.42%。通过工艺调整，较高的生长速率也已实现。该类太阳电池具有强大的潜在竞争力，如果适当地增加隔离层工艺，转换效率可望达到10%，其产业化前景将十分明朗。
中国科学院广州能源所引进德国Fraunhofer研究所的SSP制作设备，采用冶金级硅粉(价格非常低廉，价格为10元/kg)制作颗粒硅带，同时正在开发适于批量生产的RTCVD设备，相信不久广州能源所将生产出廉价的颗粒带硅和开发出多晶硅薄膜太阳电池。
5 结语
虽然到目前为止只有澳大利亚太平洋太阳有限公司一家已经接近完成多晶硅薄膜太阳电池的产业化技术的开发，即将进入大规模生产，但或迟或早，为了达到地面大规模利用太阳能的目标，通过国内外光伏界的努力，多晶硅薄膜太阳电池将成为太阳能光伏发电的主流。正如爱迪生100多年前所说，人们迟早将不得不从太阳直接获取能量，作为主要能源的供应。
关键词 太阳电池；多晶硅；薄膜
1 引言
爱迪生早在1932年就说过，人们迟早将不得不从太阳直接获取能量作为主要能源的供应。随着时间的推移，直接从太阳光转换为电力将会引起人们越来越多的重视，而最终得以解决。
人们最希望的未来能源是价格合理、丰富、可靠的清洁能源。随着全球经济和人口的增长、技术的发展、能源质量和可靠性问题、环境的挑战、功能的调整强调在未来年代里需要重新设置发电和输电系统。虽然目前光伏发电还不能完全解决这些挑战，但这种可再生能源的选择可以对世界能源作出重要贡献。太阳能光伏发电具有的许多特征使其对未来能源非常重要。光伏发电是一种通用的电力技术，可以用在许多或大或小的应用中；是一种标准模式的技术，使得发电系统可以逐步扩大以适应增长的需要；是一种方便的技术，易于安装、维护和使用，可用于任何有阳光的地方，安装在几乎任何表面上，也可以集成到建筑结构中，使美感和多功能价值最大化。光伏发电正在形成一门新兴的产业，年营业额已逾10亿美元。
太阳电池在我国有巨大的潜在市场，在西北5省等边远地区及河南、河北、山东、湖北的山区，能源严重缺乏，至今仍有6000万无电人口。发展太阳能光伏发电不仅可以逐步改变我国的能源结构和环境面貌，而且顺应我国发展西部的战略，解决缺能少电地区人民的迫切需求，大大改善无电地区广大人民的物质文化生活。
2 太阳电池的发展
1954年美国贝尔实验室制造出第一块实用的硅太阳电池(转换效率只有6%)，初期由于价格昂贵只能用于一些特殊的应用，如人造地球卫星上。到了20世纪60年代和70年代初期，太阳电池价格昂贵，每峰瓦价格以百美元计，只能应用在无电又特别需要电的特殊场合，如航标灯、通讯和照明等。通过半个世纪的努力，大规模生产的晶体硅太阳电池的转换效率已经达到14%~15%，太阳电池的造价和发电成本己分别降至每峰瓦3美元和每度电25美分，世界太阳电池的年产量达到了540MW。即使如此，其主要应用范围仍然是边远无电地区，解决照明、电视、冰箱、录音机用电以及微波中继站、航空航海信号灯、气象监测、光伏水泵等的用电。
目前，晶体硅太阳电池因丰富的原材料资源和成熟的生产工艺而成为太阳电池研发和产业化的主要方向，但走向大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。工艺成熟的晶体硅太阳电池具有相对较高的转换效率，但成本较高，硅晶体的尺寸也不能满足大面积的要求。由于制作晶体硅太阳电池的硅材料占太阳电池成本的45%以上，受晶体硅材料价格和晶体硅太阳电池制备过程的影响，若要再大幅度地降低晶体硅太阳电池成本是非常困难的。因此，要真正达到地面大规模利用太阳电池的目标，降低材料的成本就成为降低太阳电池成本的主要手段。高效低成本的薄膜太阳电池代表了未来太阳电池工业的发展方向。非晶硅薄膜太阳电池虽在成本上具有一定优势，但光疲劳效应严重制约了其发展空间，一些理论问题也有待进一步探索。因此，兼具两者优势的多晶硅薄膜太阳电池成为主攻方向。多晶硅薄膜电池的厚度随着结构的不同可以从几μm到几十μm，仅是晶体硅太阳电池厚度的1/100到1/10，省却了拉单晶(或铸多晶硅锭)、切、磨、抛等诸多繁琐，且硅材料储量丰富，无毒无污染，技术成熟，便于实现大面积、全自动化连续生产。多晶硅薄膜太阳电池能在廉价衬底上制备，成本远低于晶体硅太阳电池，实验室效率已达18%，远高于非晶硅薄膜太阳电池的效率。最新研究表明，多晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳电池，并且具有光电性能稳定的特点。
3 多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发现状
目前，多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发工作主要沿以下几个途径：
(1)低温生长
日本Kaneka公司制造的多晶硅薄膜太阳电池，由于生长温度低于600℃，采用玻璃为衬底，利用PECVD(等离子增强化学气相沉积)法生长多晶硅薄膜，太阳电池的转换效率已达到10.7%。但由于生长温度低，必须辅以某些晶化技术，薄膜沉积的生长速度也较低。太阳电池的厚度在2μm~10μm，必须采取陷光措施。这些都加大了技术的复杂性。
澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程，通过近4年的努力，已经进入了商业化最后阶段。加速老化试验证明多晶硅薄膜太阳电池性能没有衰减，取得了转换效率和制造成本的平衡，目前造价为1.95美元/峰瓦，是晶体硅太阳电池成本的2/3，到2005年预期电池成本可以降到1.25美元/峰瓦，采用这个价格的太阳电池发电的价格将比多数国家的民用电价还要低。
这种制作在面积为660cm2的钢化玻璃上的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到8%。其制作工艺为：在具有织构化结构的玻璃上先沉积一层氮化硅，再在其上制作总体厚度只有1.6μm的n+pp+非晶硅电池，再进行晶化和氢钝化，通过激光将整个电池划成多个单体电池，再通过内部连接将分开的单体电池串联起来构成组件。这种连接使整个硅薄膜面积的99%可用于光伏发电。当组件面积达到1.2m2时，其整体转换效率将不比现有的晶体硅太阳电池差。至今为止，在中试生产线上已经生产了2000多个组件。
(2)层转移技术
利用层转移技术，可以在晶硅衬底上生长硅薄膜并制作太阳电池。然后将电池剥离并附在低成本衬底上，从而实现晶硅衬底的反复使用。最先使用的层转移技术是VEST(Via hole Etching for the Separation of Thin films)工艺，其表面层是热氧化加上再晶化的硅晶种层。利用了多孔硅分离技术的有“PSI(Porous SI)工艺”、“SPS(Sintered Porous Si)工艺”和ELTRAN(Epitaxial Layer Transfer)工艺。ELTRAN工艺的重要改进是接近表面孔的退火步骤，使外延具有理想的起始点。PSI工艺使用了织构化的衬底，具有有效的陷光效应。EL(Epi Lift)工艺是首先利用液相外延的工艺，形成目状硅薄膜以陷光。以Sony公司的多孔硅分离技术为代表，制作的4cm2多晶硅薄膜太阳电池的最好转换效率达到12.5%。
(3)廉价耐高温衬底上的薄膜生长
目前所采用的耐高温衬底主要有：石墨、功能陶瓷、以及硅基材料等。目前所获得的较好结果主要有：日本三菱公司在SiO2衬底上制作的多晶硅薄膜太阳电池，其效率达16.5%；德国Fraunhofer研究所在石墨和SiC陶瓷材料衬底上的薄膜太阳电池，效率分别为11%和9.3%。值得注意的是，在这些较好结果的获得过程中大都采用了ZMR(区熔再结晶)技术。
在所有廉价衬底中，硅基材料导电性好，与多晶硅薄膜没有热匹配问题，孔隙度、粗糙度等问题也易于解决或控制，因而特别引人注目。近年来，德国Fraunhofer研究所利用冶金级或太阳级硅粉，经高温区熔控制而成的颗粒带硅Silicon sheet from powder异军突起。由于制造工艺简单、成本较低，适于产业化发展的要求，因而成为硅薄膜太阳电池领域研究的新热点。颗粒带硅材料可分为2类。一类由高纯硅粉拉制而成，杂质、缺陷含量很少，表面平坦；另一类由冶金级硅粉拉制，为避免拉制过程中形成炉渣样物质，在硅粉中加入了相当多的碳。Fraunhofer研究所利用RTCVD(快速热化学气相沉积)法在高纯硅粉区熔而得到的颗粒带硅衬底上制作了效率达10.4%的太阳电池，在纯度较低的颗粒带硅衬底上采用正面电极方法制作的薄膜太阳电池效率达6%。
4 国内多晶硅薄膜太阳电池研究开发和产业化开发
北京市太阳能研究所从1995开始研究多晶硅薄膜太阳电池，其目标是跟踪该领域世界发展情况，为今后产业化和降低成本打下坚实的基础，进而赶超世界先进水平。该所在薄膜太阳电池研究方面主要进行RTCVD法，自行设计加工了RTCVD设备，开展了生长多晶硅薄膜的研究。在重掺单晶硅衬底上用RTCVD法外延生长得到20μm厚的硅薄膜，之后制作的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到15.12%。
在非硅底材上制作多晶硅薄膜太阳电池的研究方面，北京太阳能研究所主要研究在SiO2和Si3N4膜底材上生长多晶硅薄膜。SiO2膜与硅的晶格匹配较好，热膨胀系数也较相近，用SiO2作衬底较佳。先采用LPCVD(低压化学气相沉积)法在SiO2 膜上生长一层晶粒很小、很薄的多晶硅薄膜，再采用ZMR设备增大晶粒尽寸，再用RTCVD法沉积薄膜，得到晶粒尺寸为几十μm的多晶硅薄膜，通过制作电池工艺获得了转换效率为 10.74%的多晶硅薄膜太阳电池。
北京市太阳能研究所与中科院广州能源所合作，利用德国Fraunhofer研究所提供的高纯度颗粒带硅衬底制作出的多晶硅薄膜太阳电池的转换效率达到6.38%。在低纯度颗粒带硅衬底上(其Si含量不超过 90%)，利用RTCVD法生长多晶硅薄膜，并在此基础上制作的面积为1cm2薄膜太阳电池的转换效率达到2.42%。通过工艺调整，较高的生长速率也已实现。该类太阳电池具有强大的潜在竞争力，如果适当地增加隔离层工艺，转换效率可望达到10%，其产业化前景将十分明朗。
中国科学院广州能源所引进德国Fraunhofer研究所的SSP制作设备，采用冶金级硅粉(价格非常低廉，价格为10元/kg)制作颗粒硅带，同时正在开发适于批量生产的RTCVD设备，相信不久广州能源所将生产出廉价的颗粒带硅和开发出多晶硅薄膜太阳电池。
5 结语
虽然到目前为止只有澳大利亚太平洋太阳有限公司一家已经接近完成多晶硅薄膜太阳电池的产业化技术的开发，即将进入大规模生产，但或迟或早，为了达到地面大规模利用太阳能的目标，通过国内外光伏界的努力，多晶硅薄膜太阳电池将成为太阳能光伏发电的主流。正如爱迪生100多年前所说，人们迟早将不得不从太阳直接获取能量，作为主要能源的供应。