目錄
一、 非晶硅薄膜太陽電池基礎知識簡介
二、 非晶硅薄膜太陽電池生產線及制造流程簡介
三、 國產提供的非晶硅薄膜太陽電池生產線介紹
1976年美國RCA實驗室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n結工作的基礎上利用光生伏特(PV)效應制成世界上第一個a-Si太陽能電池，揭開了a-Si在光電子器件或PV組件中應用的幄幕。目前a-Si多結太陽能電池的最高光電轉換效率己達15% 。圖1為一般單結的非晶硅太陽能電池結構圖，圖2為非晶硅太陽能電池
圖1 非晶硅太陽能電池結構圖 圖2 非晶硅柔性太陽能電池
第一層，為普通玻璃,是電池載體。第二層為絨面的TCO。所謂TCO就是透明導電膜，一方面光從它穿過被電池吸收，所以要求它的透過率高；另一方面作為電池的一個電極，所以要求它導電。TCO制備成絨面起到減少反射光的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底生長的。太陽能電池的第一層為P層，即窗口層。下面是i層，即太陽能電池的本征層，光生載流子主要在這一層產生。再下面為n層，起到連接i和背電極的作用。最后是背電極和Al/Ag電極。 目前制備背電極通常采用摻鋁ZnO(A1),或簡稱AZO。
由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特點，a-Si的p-n結是不穩(wěn)定的，而且光照時光電導不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽能電池基本結構不是p-n結而是p-i-n結。摻硼形成P區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質或輕摻雜的本征層(因為非摻雜的a-Si是弱n型)。重摻雜的p、n區(qū)在電池內部形成內建勢，以收集電荷。同時兩者可與導電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導／暗電導比在105～106，此區(qū)中光生電子、空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結構的長程無序破壞了晶體硅電子躍遷的動量守恒選擇定則，相當于使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料。它對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0.5µm左右厚度的a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p-i-n結構的a-Si電池的厚度取0.5µm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。
a-Si太陽能電池即PV組件到80年代后期年產量已達世界光伏器件總產量的約30%，即1000MW以上。技術向生產力的高速轉化，說明非晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
(1) 材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1µm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝(100-300°C)，生產的耗電量小，能量回收時間短。
(2) 易于形成大規(guī)模生產能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結構缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)pn結以及相應的疊層結構；生產可全程自動化。
(3) 品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽能電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導很低，適合制作室內用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于a-Si膜的硅網結構力學性能結實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。
盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電轉換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n單結太陽能電池上再沉積一個或多個p-i-n子電池制得的。
疊層型非晶硅太陽能電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉變成熱能；而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效的電能。因此對于單結太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉換效率的理論極限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結構就是疊層電池，如圖4所示:
二、非晶硅薄膜太陽電池生產線及制造流程簡介
非晶硅薄膜太陽電池的生產線主要包括如下設備：導電玻璃磨邊設備，導電玻璃清洗設備，大型非晶硅薄膜PECVD生產設備（包括輔助設備），紅外激光、綠激光刻線設備，大型磁控濺射生產設備，組件測試設備。其工藝流程如圖5 所示，
圖5 非晶硅太陽電池的制備流程
從圖5可以知道，其制備工藝的流程為所有光伏電池中流程最短。但是對非晶硅半導體膜系的真空PECVD制備從膜系設計到工藝過程控制的要求是非常嚴格的。 當前小面積電池的實驗室制備已達到接近15%的光電轉換效率，而工藝生產的大面積組件在大多數(shù)生產線上還未達到認證效率6%。理論上大面積組件的極限是小面積器件的85-90%， 小面積器件與 組件的光電準換效率的差距體現(xiàn)了一條生產線的技術水平。 國際上少數(shù)非晶硅生產線已制備出認證效率8%以上的組件， 由于幾乎所有其他類型的光伏組件（包括當前熱議的微晶硅薄膜電池）在實際運行高溫情況與陰天低照度下性能不佳的問題而唯獨非晶硅組件在這些實際運行條件下表現(xiàn)優(yōu)秀的性能，所以其它類型的大面積薄膜電池的低成本規(guī)模制造出認證光電轉換效率超過12%的組件以前，即使在規(guī)模發(fā)電應用，非晶硅光伏組件以其最低的制造成本，適中的，并不像誤傳的那么差的光電轉換效率，是無法被淘汰的，且不說美麗的半透明組件以及可以彎曲，質量輕又不易破碎的柔性組件等只有非晶硅具備的優(yōu)越性能的應用了。
三、國產非晶硅薄膜太陽電池生產線介紹
思博露公司消化引進國外先進的光伏技術，利用本土資源的優(yōu)勢，在保證先進的技術前提下，思博露的主要技術人員，擁有在美國，英國，和中國等國從事大面積非晶硅薄膜光伏電池的研發(fā)和生產25年以上的技術經驗積累。2006年，思博露聯(lián)合北京北儀真空設備公司設計制造的國內非晶硅薄膜太陽電池生產線已經成功投產，整條生產線從設計、制造到調試、投產，歷時僅7個月。這在世界范圍內也屬罕見。同時，除此以外的其他客戶，也紛紛與思博露進行洽談，要求提供非晶硅薄膜太陽電池生產線。目前已有多家公司訂貨。
除了提供生產線及其核心設備和先進生產工藝以外，已經實現(xiàn)并優(yōu)化了生產線所有配套設備設施整機國產化。思博露也可以向客戶提供包括土建，凈化車間等基礎建設的總體設計技術服務。承擔完整非晶硅生產線的交鑰匙工程。
4年以來，思博露公司努力將生產線的價格大幅度的降低的同時，對核心PECVD與PVD設備的設計與制造水平不斷提高，以及器件設計與制備工藝的不斷精細化，兩者的結合正在使大面積組件的性能與小面積電池的性能的差距向理論極限9-10%靠近，同時良品率也在往理論極限95%靠近。 再加長度超過2.5米的半透明玻璃組件和質輕可彎曲的柔性組件的示范制造都在按計劃順利進行。再加上非晶硅光伏組件最優(yōu)秀的高溫性能與低光照性能，制造過程最優(yōu)秀的低耗能，低耗材，低排放，使得非晶硅光伏組件顯示出在在各種光伏技術中的核心競爭力。
思博露可以根據(jù)在業(yè)界多年的經驗積累，給客戶在建廠或立項初期，給予科學的指導，避免客戶在該領域走不必要的彎路。并且可以根據(jù)用戶的需求提供個性化生產線的設計。目前思博露提供的規(guī)模最小非晶硅太陽電池生產線的產能為2.5MW，便于剛起步的企業(yè)。 而大規(guī)模生產線則可根據(jù)用戶需要設計建造，單線產能最大可達36MW。這類國產生產線在保持世界最低價格同時，生產的非晶硅組件不但性能優(yōu)秀，而且合格率高，產能達標。
針對國內不少已建成或在建的非晶硅生產線存在組件性能與良品率上不去的實際情況，思博露的技術骨干認為大部分問題出在核心設備的設計制造存在嚴重缺陷，但大部分問題是可以通過設備技術改造與工藝優(yōu)化解決的。 思博露公司有能力和有意向承擔這些線的技術改造任務。
上海思博露生態(tài)能源科技有限公司
蘇州思博露光伏能源科技有限公司
共同提供
2009-10-6
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