摘要本文首先介紹了硅基薄膜太陽電池在光伏發電技術中的重姜地位；然后敘述了硅基薄膜電池初期的快速發展，前進中遇到的困難，國際范困的攻堅及技術上的突破；最后預言了硅基薄膜電池的發展趨勢和應用前景，并提出了我國發展硅基薄膜電池的策略與建議。
一、硅基薄膜太陽電池在光伏中的地位
隨著能源危機與環境污染的日趨嚴重，開發可再生清潔能源成為國際范圍內的重大戰略問題之一。太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此，開發利用太陽能成為世界各國可持續發展能源的戰略決策。陽光發電是大規模經濟地利用太陽能的重要手段。因此，對大陽電池的研究受到世界各國的普遍重視。無論是發達國家，還是發展中國家均制定了中長期發展計劃，把光伏發電作為人類未來能源的希望。
目前，光伏發電在航天、通訊及微功耗電子產品領域已成功地占據了不可替代的位置。但做為社會整體能源結構的組成部分，其所占比例尚不足1%.造成這種狀況的主要原因是燈日電池的成本較高。要使光伏發電真正成為能源體系的組成部分，必須要大幅度地降低成扒薄膜太陽電池在降低成本方面具有很大的優勢，其中，硅基薄膜電池的優勢更大，因為：①硅材料儲量豐富（硅是地球上儲量第二大元素），而且無毒、無污染，是人們研究最多，技術最成熟的材料，②耗材少、制造成本低。硅基薄膜電池的厚度小于1μm 幾不足晶體硅電池厚度的1/100，這便大大降低了材料成本；硅基薄膜電池采用低溫工藝技術（200℃），這不僅可節能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉價襯底；另外，硅基薄膜采用氣體的輝光效電分解沉積而成，通過改變反應氣體組分可方便地生長各種硅基薄。膜材料，實現pin和各種疊層結構的電池，節省了許多工序。③便于實現大面積、全自動化連續生產。
由于“基薄膜大”電池在降低成本方面具有獨特的優勢，使其自1976年一誕生，立即在全世界范國內掀起對硅基薄膜太陽電池的研究熱潮。至今二十幾年來在研究水平和開發應用方面均取得了長足的進步，使其在先伏領域占據了不可替代的重要位置。
二、硅基薄膜太陽電池的崛起
由于硅基薄膜太陽電池在降低成本方面的巨大潛力，所以，引起了研究單位、企業界及各國政府的普遍重視，從而促進了硅基薄膜太陽電池突飛猛進的發展，當前的硅基薄膜大陽電池是非晶硅電池，在初期階段的技術進步主要表現在：①用a-SiC或μC-SiC代替a-Si做窗口層，以改善電池的短波光譜響應。②采用梯度界面層，以改善異質結界面的輸運特性。③采用UC一S1做n層，己減少串聯電阻。④用絨面Sii0，代替平面IT0，并采用多層背反射電極，以減少先的反射和透射損失，提高短路電流。⑤采用激光切割技術，實現了電池的集成化。⑥采用疊層電池結構，以擴展電池的光譜響應范圍，提高轉換效率。⑦采用分室連續沉積技術，以消除反應氣體的交叉污染，提高電池的性能和重復性等等。所有這些新技術合，采用，使硅基薄膜電池的效率從2％提高到13．7%。
硅基薄膜電池發展迅速的另一個標志是產業化進程短。雖然個非晶硅太陽電池1976年才被研制出來，但1980年就實現了商品化．如日本三洋電氣公司1980年利用硅基薄膜太陽電池率先制成計算器，隨后便實現了工業化生產，并把產品打入世界市場。由于非晶硅材料優越的短波響應特性，使其在計算器、手表等熒光下工作的微功耗電子產品中占據很大優勢，不僅在80年代的10年中取得了數十憶美元的利潤，而且至今仍然具有很大的消費市場。
隨著硅基薄膜電池效率的不斷提高，其應用的領域也不斷擴大，從計算器手表等弱光下應用擴大到各種消費品及功率應用領域。如太陽能收音機、太陽帽、庭院燈、微波中繼站、航空航海信號燈、氣象監測、光伙水泵及戶用獨立電源等。隨著硅基薄膜太陽電池應用領域的不斷擴大，其產量亦迅速增加，世界上出現了若干MW級的生產線和許多生產硅基薄膜太陽電池的企業。到80年代中期，硅基薄膜太陽電池的年銷售量已超過世界光伏總銷量的U3，形成硅基薄膜、多晶硅、單晶硅三足鼎立的局面。
三、發展中的障礙與技術的進步
盡管硅基薄膜太陽電池具有如上許多優點，然而在發展進程中也顯示出一些明顯的缺點。主要的缺點是電池效率的光致衰退效應，這一效應成為硅基薄電池進一步發展應用的主要障礙。另外由于初期產品的效率較低（4-5%）再加上30%以上的衰退率，使硅基薄膜電池低成本的優勢被較低的效率所抵消。所有這些造成硅基薄膜電池的產量從80的代末至90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段。針對上述問題，自90年代起國際上提出要提高硅基薄膜電池穩定效率的口號，并成立了由研究機構和大公司組成的專門研究隊伍。
研究表明，硅基薄膜電池效率光致衰退的主要原因是本征非晶硅的S-W效應。因此，如何制備高穩定性的本征硅基薄膜材料成為研究的重點。為了克服材料的S-W效應，人們從理論上、工藝上和沉積方法上開展了全面的研究。為了揭示S-W效應的起因，在理論上人們提出有關S-W效應機制的各種微觀模型：如Si-Si弱鍵模型；電荷轉移模型；再雜化雙位模型；Si-H弱鍵模型以及橋鍵模型等。盡管目前國際學術界對S-W效應起因的解釋還不一致，但在大多數模型中都提到H在光誘導變化中可能起重要作用。為了減少材料中的H含量，在制備方法方面分別采用了電子回旋共振化學氣相沉積（ECR一CvD）、氫根化學氣相沉積（HR-CVD）、熱絲（HW）法沉積和二極管系統等。在制備工藝方面采用了用H等離子體化學退火法、H2釋法、He一稀釋法以及摻入氟等隋性氣體法等。均取得了一定效果。比如，用常規Mcvn技術制備的a一si：H膜中含有約10％的M，而用化學退火法制備的a一Si：H膜的合H量小于9％，用熱絲法制備的a一Si：H膜的含H量只有1一2％。
在上述這些技術中，最成熟的技術是在沉積膜的過程中用H2稀釋反應氣體法。由于這種方法，工藝簡單易行，并具有明顯的效果，因此是當前普遍采用的技術。研究表明，用H2稀釋法制備1層的電池，效率的衰退率可從25％以上降至20％以下。
除了通過克服非晶硅基材料的S-W效應改善電池的穩定性外，人們還從電池結構上采取措施，并取得了明顯的效果。其中最主要的措施就是采用了多帶隙疊層電池結構。因為采用疊層結構后可減薄每個子電池1層的厚度，結果使每個子電池的內電場增強，增加了各子電池的收集效率。再加上多帶隙結構可擴展光譜響應范圍，綜合如上兩方面的優勢，使電池的穩定效率得到提高。
經過近10年來的深入研究，在提高硅基薄膜電池的穩定效率方面取得很大的進步與突破。目前硅基薄膜電池效率的光致衰退率降互150A以下，小面積電池的穩定效率已達到13% 大面積電池的穩定效率超過10％，產品組件穩定效率達71％。技術上的進步與突破帶來了硅基薄膜太陽電池更大規模產業化的新高潮，在90年代中期，國際上先后建立了數條5Mwl0MW的高水平電池組件生產線，使硅基薄膜太陽電池的生產能力增加了25MW。生產流程實現全自動化，組件面積為平方米量級，采用新型封裝技術，產品組件壽命達到10年以上。預計到2000年，硅基薄膜電池的生產能力將擴展到45MW，與單晶硅、多晶硅生產能力增加量（分別為46MW和57Mw）才目當。
四、硅基薄膜太陽電池的發展行趨勢
現有的硅基薄膜電池一非晶硅電池效率的光致不穩定性是由非晶硅材料微結構的亞穩態屬性決定的，因此S-w效應是不易完全消除的，為了獲得高效率、高穩定性的硅基薄膜大陽 電池，近年來叉出現了微晶硅（μc-Si）、多晶硅（po1y-Si）薄膜電池。實驗證明，用μc-Si 和p01y-Si薄膜代替a-Si作電池的有源層制備的電池，在長期光照下沒有任何衰退現象。因此，發展晶化的硅基薄膜太陽電池是實現高穩定、高效、低成本最有前途的方法，因而成為國際同行研究的熱點。目前研究的焦點是如何利用低成本工藝技術，獲得大面積優質的晶化硅薄膜材料，以及新型硅基薄膜電池結構的優化設計。
當前，制備晶化硅薄膜材料的技術很多，但基本上可分成兩大類。一類是高溫生長技術，如快速熱CyD技術、等離子噴涂技術等。另一類是低溫晶化技術，如PECVD、 HW一CVD直接生長和a-Si膜固相晶化技術，其中包括爐熱退大、快速光熱退火和金屬誘導選擇晶化等。總的來說，高溫技術晶化的材料具有較大的晶粒尺寸，用這種材料制備的電池效率在10％以上。高溫晶化技術的缺點是能耗高、工藝復雜、襯底材料成本高。而低溫晶化技術制備的晶化材料的晶粒尺寸較小，但用該材料制備的電池效率也達到9．2人低溫晶化技術的優點是便于采用玻璃等廉價襯底，且工藝能耗較小。將來那種技術路線占優勢，要看其性能價格比。μC一Si材料可以用pECvD技術，通過加大氫稀釋率和微量摻硼獲得，具有與a一Si相同的低溫工藝、工藝簡單、便于大面積生產的優點，因而受到普遍重視。目前，用μC一Si材料制備的太陽電池已達到8．5們勺效率，制備μC一Si材料中存在的問題是其生長速率較低(<1A)不利于降低制造成本。當前提高μc一Si 長速率的方法主要是增加等離子體的激發頻率，如用超高頻技術（vIIF）可使μC一Si生長速率增加到10A/s．并可獲得效率7．2%的 μCli電池。在高沉積速率下如何提高pc一8i材料的光電特性是有待解決的問題。
盡管在微晶、多晶硅薄膜技術中還存在許多問題，但是其在未來的高穩定效率、低成本、長壽命薄膜光伏技術中具有很大的潛力，特別是用微晶、多晶硅薄膜做為窄帶隙材料與非晶硅組成疊層電池結構，可更充分地利用太陽光譜。因為μc一Si和p01y一Si比a一SIGe具有更窄的光學帶隙（1.12ev），用a一Si／μc一Si和a一Si／po1y一Si疊層結構代替a一Si／a-sIGe/a一SiGe三結疊層結構，可將電池光譜響應長波限從目前的0．9pm擴展到1．1pm，如此可把太陽能的利用率提高10％以上，加之po1y一Si和μc一S1比a一SIGe具有更好的穩定性將使電池的穩定效率有更大的提高，目前a-Si/Uc疊層太陽電池的穩定效率已達到12％，a一Si／poly一Si疊層太陽電池的穩定效率為11.5%。大面積優質多晶（微晶）硅薄膜的獲得及與非晶硅電池的匹配，將使硅基薄膜太陽電池性能產生突破性進展。
五，硅基薄膜太陽電池的應用前景
隨著太陽電池效率的不斷提高，生產規模的不斷擴大以及成本的大幅度下降，國際上時太陽電池的利用已由分散的消費品電源向戶用電源一獨立大型電源一并網發電的趨勢發展。目前世界上已經建成了10多座W級的太陽能光伏發電系統。特別是進入90年代以來，太陽能光代發電技術成為全球減排溫空氣體的重要技術手段。不少發達國家開始實施太陽能光伏發電屋頂計劃，如美國總統宣布的百萬光伏屋頂計劃，安裝規模達1000W一3000W．日本、歐洲也都有類似的計劃。預計到下世紀中葉，光伏發電將達到世界總發電量的20％，成為人類的基礎能源之一。
在光伏應用中，硅基薄膜太陽電池有許多特殊的優點，比如：①硅基薄膜電池可在任何形狀的襯底上制作，可直接做成屋瓦式太陽電池。這種太陽能屋頂，可極大地節省安裝空間，減少系統成本。特別是柔性襯底的硅基薄膜電池，輕而柔軟，容易安裝，在建筑集成市場中具有很大的競爭力。②可以做成透射部分可見光的硅基薄膜太陽電池，稱為Seethr0ugh型電池，這樣的電池可做為小汽車的太陽頂及房屋的窗玻璃。③可在很薄的不妨鋼（50Um 和塑料襯底上制備超輕量級的硅基薄膜太陽電池。這種電池具有很高的電功率／重量比（300W／kg），對于城市遙感用平流層氣球平臺和軍用無人駕駛尋航飛機的能源系統具有特殊的應用價值。④硅基薄膜太陽電池子組件可做成集成型，具有高的輸出電壓，便于組裝和聯接。⑤由于a一S1材料的先帶隙比c一S1和Doly一Si寬，因此a一Si太陽電池的功率輸出不明顯依賴子溫度。
由于硅基薄膜太陽電池的上述優點，再如上硅基薄膜電池在降低成本方面的巨大潛力，使其在光伏應用中占有不可輕視的地位。目前功率型應用主要集中在三個方面：傳統的商業化應用市場，如通信、交通信號和管網保護等；邊遠地區的供電系統和并網的光伏發電系統。僅從目前各國公布的已實施和正在實施的光伏應用計劃，就提供了十幾GW的市場機會，可夠目前全世界各種光伏電池廠生產100年。
隨著國際社會對氣候變化問題的日益重視，包括太陽能在內的可再生能源技術的發展將會起到越來越重要的作用。誰首先在這個領域里加強投入，誰就會在今后10年中占領這一市場，從而獲得巨大的市場利潤。
六、加快產業化步伐迎接國際挑戰
我國自70年代未開始研究硅基薄膜太陽電池。到80年代未，小面積電池效率達到11．2％，大面積電池效率超過8％，均達到國際同期先進水平。然而在高新技術產業化進程方面遠遠落后子國外，至今沒有一條具有我國知識產權的硅基薄膜電池生產廠，引進的2條MW級的生產線是美國Chronar公司80 年代初的技術裝備起來的設備，無論是從電池產品的數量，還是從質量上均不能與國際大企業財團競爭。目前世界上太陽 ：“光伏發電制造業基本被國際超級財團所壟斷，如目前硅基薄膜電池的生產廠，以及1997年至2000年擴產的商家主要是美國的聯合太陽公司，Solarex公司及日本的三洋、Sharp等公司。國際社會已把我國的光伏市場當作其市場開發的潛在地區之一，不少公司已在我國進行具有商業化目的的示范工程和合作項目。為此，我們必須加快產業化步伐，保護和占領我國自已的光伏市場。硅基薄膜太陽電池產業屬世界新能源高新技術領域，沒有國家的大力支持是不可能發展、壯大的。因此我們建議在第十個五年計劃中：確定優先發展低成本、硅基薄膜太陽電池的基本方向；重點扶植基礎較好的研究單位進行攻關；在硅基薄膜太陽電池產業化過程中，政府給與資金投入，并提供無息貸款；在太陽電池的銷售環節中，政府對用戶進行政策性補貼，以推動新能源的利用，并保護企業界生產新能源的積極性。
南開大學在硅基薄膜太陽電池的開發研究方面已有二十多年的知識積累，研究水平據國內領先、國際先進平，并具備協助實業界實現硅基薄膜太陽電池產業化的能力。現在，正與天津計委、新能源投資公司等單位合作，實施硅基薄膜電池的產業化工作。為加快產業化步伐，我們擬：①引進國外關鍵設備，利用國內科技成果，建立90年代國際先進水平的硅基薄膜電池生產線。②加強產品的二次開發，不斷拓寬應用領域，以有利于企業開拓市場，并帶動相關企業的發展。
硅基薄膜太陽電池產業屬高新技術產業，其發展和壯大需要堅持不懈的努力和政府強有力的政策支持。希望國家制定更加有效的措施和規劃，在政策導向、財政、稅收等方面給予高新技術產業更大的支持與保護，以促進我國硅基薄膜電池產業的發展與技術進步，迎接國際的挑戰。