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的。顯然，計算器中的太陽能電池不大也不笨重，大多數只有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者們開始減少吸光材料的層數，比如基體上的半導體、涂層玻璃等。用作半導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、耐用、簡單。

根據所用半導體的類型，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。

無硅薄膜光電技術的良好發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構

因為太陽能電池的功能和結構是密切相關的，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科學知識與傳統的硅晶電池還是相同的。

光電轉換電池需要依賴于半導體。半導體以純物質存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結合時便能夠導電。當半導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型半導體。當半導體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是p型半導體。

薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導體和p型半導體連接起來，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型半導體穿過連接面到達p型半導體，產生一個小電壓。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備供能，從白熾燈到手機充電器。

傳統的太陽能電池在p型半導體和N型半導體中加入硅，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公司已經開發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體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導體和p型半導體的角色，用于傳到電極之間產生的電流。

碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結構。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。所用的半導體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導體和p型半導體的角色。

那么薄膜太陽能電池的效率與傳統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換效率是50%，也就是有一半能量能夠轉換為電能。實際上，硅晶太陽能電池一般只能達到15%到25%的轉換效率。薄膜太陽能電池對傳統電池很有競爭力，因為碲化鎘電池的效率已經超過了15%，而銅銦鎵硒電池的轉換效率已經達到了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公司正在研制無鎘薄膜太陽能電池，這些無鎘技術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的技術做介紹：

（1）碲化鎘（CdTe）太陽能電池

碲化鎘太陽能電池的主要生產商是美國的FirstSolar公司。電池的典型結構如下圖所示：

從玻璃開始，SnO2CdSnO4是透明導電層（TCO）用濺射方法制備；CdS是緩沖層用化學浴沉積（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。電池結構如下圖：

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）共蒸發法（co-evaporaTIon）就是把幾種元素Cu、In、Ga、Se蒸發到基板上，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，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，Hondasoltec和昭和石油使用的是這一方法；接下來的CdS也是化學浴沉積（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，但由于穩定性和封裝的問題組件生產的還不是很多，比較有代表性的公司是英國的G24i，因為生產組件還比較少，具體的制備流程就不介紹了，電池結構是這樣的：

（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，電池結構常見是下面這樣的：

有機太陽電池也有正向和反向（inverted）兩種結構，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。

好多生產薄膜太陽能電池的公司最近都倒閉或者轉行了，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模推廣還是有難度。下面這張圖里有太陽能電池的效率發展歷史，如果對具體的制備流程感興趣可以查詢相關公司或者研究機構的信息。