如果你使用過太陽能計算器，你就知道太陽能電池是基于薄膜技術(shù)的。顯然，計算器中的太陽能電池不大也不笨重，大多數(shù)只有2.5厘米長，0.6厘米寬，厚度很薄。薄膜太陽能電池這個名字就是根據(jù)其厚度特征定義出來的。硅晶太陽能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽能電池的吸光層只有1微米厚。1微米也就是1米的百萬分之一。

薄膜太陽能電池的生產(chǎn)者們開始減少吸光材料的層數(shù)，比如基體上的半導(dǎo)體、涂層玻璃等。用作半導(dǎo)體的材料不需要很厚，因為它們吸收太陽能非常高效。所以，薄膜太陽能電池輕質(zhì)、耐用、簡單。

根據(jù)所用半導(dǎo)體的類型，薄膜太陽能電池主要有以下三類：非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒。非晶硅是傳統(tǒng)硅晶太陽能電池的改進版，那么非晶硅的概念就很好理解了，它們被廣泛應(yīng)用于太陽能電子器件中，但是非晶硅也存在著一些缺點和不足。

非晶硅太陽能電池最大的問題之一就是其半導(dǎo)體所用的材料，硅在市場上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不夠高。因此，這種電池正經(jīng)歷著顯著的沒落。更薄的非晶硅電池克服了這一缺點，但是厚度減小后的電池吸收光能的效率更低了。綜上所述，硅的特性使得非晶硅電池適用于小尺寸器件，比如說計算器，但不適用于大尺寸器件，比如靠太陽能供電的建筑物。

無硅薄膜光電技術(shù)的良好發(fā)展開始克服非晶硅存在的問題。接下來，我們將探討碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。

薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)

因為太陽能電池的功能和結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，所以我們還是有必要回顧一下它的工作原理。薄膜太陽能電池背后的基礎(chǔ)科學(xué)知識與傳統(tǒng)的硅晶電池還是相同的。

光電轉(zhuǎn)換電池需要依賴于半導(dǎo)體。半導(dǎo)體以純物質(zhì)存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結(jié)合時便能夠?qū)щ姟．敯雽?dǎo)體材料被混合或摻雜磷后，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導(dǎo)體。當半導(dǎo)體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是p型半導(dǎo)體。

薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體連接起來，這就是連接面。即使在沒有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導(dǎo)體穿過連接面到達p型半導(dǎo)體，產(chǎn)生一個小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過連接面形成電流。此電流能夠為用電設(shè)備供能，從白熾燈到手機充電器。

傳統(tǒng)的太陽能電池在p型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中加入硅，而最新一代的薄膜太陽能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代硅。Nanosolar公司已經(jīng)開發(fā)出了一種新工藝將銅銦鎵硒材料制成含油墨的納米粒。一個納米粒是指至少在一維上的尺寸小于1納米的粒子。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統(tǒng)中進行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠是正確的。

下面將對組成兩種非硅薄膜太陽能電池的膜層進行說明。值得注意的是，銅銦鎵硒太陽能電池有兩種基本的外形。玻璃態(tài)的電池需要用鉬制造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因為箔條可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負電極之間插入的是半導(dǎo)體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的角色，用于傳到電極之間產(chǎn)生的電流。

碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結(jié)構(gòu)。它的一個電極由一層滲了銅的碳膠制成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘制成。所用的半導(dǎo)體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的角色。

那么薄膜太陽能電池的效率與傳統(tǒng)太陽能電池相比如何呢？從理論上而言，硅晶太陽能電池的最大轉(zhuǎn)換效率是50%，也就是有一半能量能夠轉(zhuǎn)換為電能。實際上，硅晶太陽能電池一般只能達到15%到25%的轉(zhuǎn)換效率。薄膜太陽能電池對傳統(tǒng)電池很有競爭力，因為碲化鎘電池的效率已經(jīng)超過了15%，而銅銦鎵硒電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了20%。

由于在薄膜太陽能電池中使用了鎘，所以人們擔心這會不會引起健康問題。鎘是一種劇毒成分，像汞一樣，也可以沿食物鏈積累，這是任何一項技術(shù)想成為綠色革命所不可避免的缺陷。國家可再生能源實驗室和一些其他的機構(gòu)公司正在研制無鎘薄膜太陽能電池，這些無鎘技術(shù)都想要證明它們與含鎘電池一樣高效。

薄膜太陽能電池組件的制備流程

首先需要明確薄膜太陽能電池的范圍，第一代太陽能電池是單晶和多晶硅電池，第二代太陽能電池采用了吸光系數(shù)大的材料，電池厚度不用太厚也足夠吸收太陽光，因此稱為薄膜太陽能電池。根據(jù)吸光材料的不同，常見的薄膜太陽能電池分類有：碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）、染料敏化（DSSC）和有機聚合物（OpV）太陽能電池等。各個種類的電池目前還在研究降低成本的制備工藝，因此每類電池的制備方法也不是唯一的，下面選擇一些有組件生產(chǎn)的技術(shù)做介紹：

（1）碲化鎘（CdTe）太陽能電池

碲化鎘太陽能電池的主要生產(chǎn)商是美國的FirstSolar公司。電池的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

從玻璃開始，SnO2CdSnO4是透明導(dǎo)電層（TCO）用濺射方法制備；CdS是緩沖層用化學(xué)浴沉積（CBD）；主要部分CdTe吸光層用近空間升華（closespacedsublimaTIon-CSS）方法沉積的，也就是加熱升華然后沉積到基板上；最后的碳電極是刷上去的。此外電池還需要經(jīng)過一些熱處理。

（2）銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池

采用銅銦鎵硒太陽能電池技術(shù)代表性的公司有美國的GlobalSolarEnergy，日本的HondaSoltec和昭和石油ShowaShell等等。電池結(jié)構(gòu)如下圖：

從玻璃開始，Mo是磁控濺射的；CIGS是吸光層有幾種制備工藝，常見的有a）共蒸發(fā)法（co-evaporaTIon）就是把幾種元素Cu、In、Ga、Se蒸發(fā)到基板上，德國公司和NREL用這種方法較多，b）油墨法，利用化學(xué)法制備CIGS的納米晶然后分散在溶劑里像油墨一樣印刷在基板上，美國的NanoSolar用的就是這個技術(shù)，c）金屬硒化法，將銅銦鎵金屬濺射或電鍍成金屬膜，然后和Se蒸汽或H2Se反應(yīng)，Hondasoltec和昭和石油使用的是這一方法；接下來的CdS也是化學(xué)浴沉積（CBD）；ZnO和Ag都可以用濺射的方法制備。

（3）染料敏化太陽能電池（DSSC）

這種電池在實驗室研究的很多，但由于穩(wěn)定性和封裝的問題組件生產(chǎn)的還不是很多，比較有代表性的公司是英國的G24i，因為生產(chǎn)組件還比較少，具體的制備流程就不介紹了，電池結(jié)構(gòu)是這樣的：

（4）有機聚合物太陽能電池（OpV）

聚合物太陽能電池也是實驗室研究的多，商業(yè)組件比較少的一類薄膜太陽能電池，有組件的公司好像有一個美國公司Konarka，電池結(jié)構(gòu)常見是下面這樣的：

有機太陽電池也有正向和反向（inverted）兩種結(jié)構(gòu)，上圖就是反向的，這里面的每一層都可以用溶液印刷的方法來做，因此OpV是制備技術(shù)成本較低的，只需要像印刷報紙一樣卷對卷（rolltoroll）印刷就可以了。但是由于OpV效率較低，材料的穩(wěn)定性差，封裝材料昂貴，暫時還沒有獲得太大的市場份額。

好多生產(chǎn)薄膜太陽能電池的公司最近都倒閉或者轉(zhuǎn)行了，主要是近些年天朝的硅電池價格下降擠壓了他們的生存空間，薄膜太陽能電池在組件上大規(guī)模推廣還是有難度。下面這張圖里有太陽能電池的效率發(fā)展歷史，如果對具體的制備流程感興趣可以查詢相關(guān)公司或者研究機構(gòu)的信息。