與光伏電池性能要求相匹配的三種TCO玻璃

TCO（Transparentconductingoxide）玻璃，即透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃，是在平板玻璃表面通過物理或者化學(xué)鍍膜的方法均勻鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜，主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料。

    TCO玻璃首先被應(yīng)用于平板顯示器中，現(xiàn)在ITO類型的導(dǎo)電玻璃仍是平板顯示器行業(yè)的主流玻璃電極產(chǎn)品。近幾年，晶體硅價格的上漲極大地推動了薄膜太陽能電池的發(fā)展，目前薄膜太陽能電池占世界光伏市場份額已超過10％，光伏用TCO玻璃作為電池前電極的必要構(gòu)件，市場需求迅速增長，成為了一個炙手可熱的高科技鍍膜玻璃產(chǎn)品。

    TCO鍍膜玻璃的特性及種類

    在太陽能電池中，晶體硅片類電池的電極是焊接在硅片表面的導(dǎo)線，前蓋板玻璃僅需達(dá)到高透光率就可以了。薄膜太陽能電池是在玻璃表面的導(dǎo)電薄膜上鍍制p-i-n半導(dǎo)體膜，再鍍制背電極。

    透明導(dǎo)電氧化物的鍍膜原料和工藝很多，通過科學(xué)研究進(jìn)行不斷的篩選，目前主要有以下三種TCO玻璃與光伏電池的性能要求相匹配。

    ITO鍍膜玻璃是一種非常成熟的產(chǎn)品，具有透過率高，膜層牢固，導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，初期曾應(yīng)用于光伏電池的前電極。但隨著光吸收性能要求的提高，TCO玻璃必須具備提高光散射的能力，而ITO鍍膜很難做到這一點(diǎn)，并且激光刻蝕性能也較差。銦為稀有元素，在自然界中貯存量少，價格較高。ITO應(yīng)用于太陽能電池時在等離子體中不夠穩(wěn)定，因此目前ITO鍍膜已非光伏電池主流的電極玻璃。

    SnO2鍍膜也簡稱FTO，目前主要是用于生產(chǎn)建筑用Low-E玻璃。其導(dǎo)電性能比ITO略差，但具有成本相對較低，激光刻蝕容易，光學(xué)性能適宜等優(yōu)點(diǎn)。通過對普通Low-E的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行升級改進(jìn)，制造出了導(dǎo)電性比普通Low-E好，并且?guī)в徐F度的產(chǎn)品。利用這一技術(shù)生產(chǎn)的TCO玻璃已經(jīng)成為薄膜光伏電池的主流產(chǎn)品。

    氧化鋅基薄膜的研究進(jìn)展迅速，材料性能已可與ITO相比擬，結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦型。其中鋁摻雜的氧化鋅薄膜研究較為廣泛，它的突出優(yōu)勢是原料易得，制造成本低廉，無毒，易于實(shí)現(xiàn)摻雜，且在等離子體中穩(wěn)定性好。預(yù)計(jì)會很快成為新型的光伏TCO產(chǎn)品。目前主要存在的問題是工業(yè)化大面積鍍膜時的技術(shù)問題。

    光伏電池對TCO鍍膜玻璃的性能要求

    1.光譜透過率

    為了能夠充分地利用太陽光，TCO鍍膜玻璃一定要保持相對較高的透過率。目前，產(chǎn)量最多的薄膜電池是雙結(jié)非晶硅電池，并且已經(jīng)開始向非晶/微晶復(fù)合電池轉(zhuǎn)化。因此，非晶/微晶復(fù)合疊層能夠吸收利用更多的太陽光，提高轉(zhuǎn)換效率，即將成為薄膜電池的主流產(chǎn)品。

    2.導(dǎo)電性能

    TCO導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電原理是在原本導(dǎo)電能力很弱的本征半導(dǎo)體中摻入微量的其他元素，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。這些微量元素被稱為雜質(zhì)，摻雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電玻璃就是將錫元素?fù)饺氲窖趸熤?，提高?dǎo)電率，它的導(dǎo)電性能在目前是最好的，最低電阻率達(dá)10-5Ωcm量級。

    3.霧度

    為了增加薄膜電池半導(dǎo)體層吸收光的能力，光伏用TCO玻璃需要提高對透射光的散射能力，這一能力用霧度（Haze）來表示。霧度即為透明或半透明材料的內(nèi)部或表面由于光漫射造成的云霧狀或混濁的外觀。以漫射的光通量與透過材料的光通量之比的百分率表示。

    一般情況下，普通鍍膜玻璃要求膜層表面越光滑越好，霧度越小越好，但光伏用TCO玻璃則要求有一定的光散射能力。目前，霧度控制比較好的商業(yè)化TCO玻璃是AFG的PV-TCO玻璃，霧度值一般為11％～15％。其不包含散射時的直接透過率曲線。

    4.激光刻蝕性能

    薄膜電池在制作過程中，需要將表面劃分成多個長條狀的電池組，這些電池組被串聯(lián)起來用以提高輸出能效。因此，TCO玻璃在鍍半導(dǎo)體膜之前，必須要對表面的導(dǎo)電膜進(jìn)行刻劃，被刻蝕掉的部分必須完全除去氧化物導(dǎo)電膜層，以保持絕緣。刻蝕方法目前有化學(xué)刻蝕和激光刻蝕兩種，但由于刻蝕的線條要求很細(xì)，一般為幾十微米的寬度，而激光刻蝕具有溝槽均勻，剔除干凈，生產(chǎn)效率快的特點(diǎn)。

    5.耐候性與耐久性

    TCO鍍膜一般都使用“硬膜”鍍制工藝，膜層具有良好的耐磨性、耐酸堿性。光伏電池在安裝上以后，尤其是光伏一體化建筑安裝在房頂和幕墻上時，不適宜進(jìn)行經(jīng)常性的維修與更換，這就要求光伏電池具有良好的耐久性，目前，行業(yè)內(nèi)通用的保質(zhì)期是二十年以上。因此，TCO玻璃的保質(zhì)期也必須達(dá)到二十年以上。

    光伏用TCO玻璃的發(fā)展前景

    當(dāng)光伏產(chǎn)業(yè)以連續(xù)五年近40％的速度向前發(fā)展時，主流產(chǎn)品晶體硅太陽能電池的上游原材料多晶硅的供給出現(xiàn)了空前的緊缺。多晶硅價格從2003年的24美元/公斤上漲到目前現(xiàn)貨價格超過300美元/公斤。與晶體硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池具有弱光應(yīng)用性強(qiáng)及形狀可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，晶體硅價格的上漲無形中推動了薄膜太陽能電池的發(fā)展，目前薄膜太陽能電池占世界光伏市場份額已超過10％，伴隨著多晶硅價格的走高，薄膜太陽能電池的發(fā)展有望進(jìn)一步加速。

    2006年世界薄膜太陽能電池的統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)量為190兆瓦左右，2007年在多晶硅原料價格上漲導(dǎo)致生產(chǎn)量不足的情況下，薄膜電池的產(chǎn)能得到了迅速擴(kuò)張，產(chǎn)量達(dá)到了350兆瓦。我國的薄膜電池主要為非晶硅薄膜電池，2007年的產(chǎn)量約為29兆瓦。

    由于薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率各不相同，我們以主流的非晶硅為計(jì)算依據(jù)，折合每平方米的電池標(biāo)稱功率為50瓦，也就是說，每50瓦的電池將使用1平方米的TCO玻璃。據(jù)此可以計(jì)算出，2007年世界上光伏產(chǎn)業(yè)對TCO玻璃的需求為700萬平方米。這一數(shù)字看似不大，但正是由于TCO玻璃生產(chǎn)技術(shù)的高端性，導(dǎo)致目前世界上的主要供應(yīng)商僅有兩家。隨著太陽能電池產(chǎn)業(yè)超過50％的年增長率，產(chǎn)品已經(jīng)開始供不應(yīng)求。每平方米售價達(dá)到了20美元以上。

    根據(jù)權(quán)威預(yù)測，薄膜太陽能電池將繼續(xù)保持高速增長，到2010年將達(dá)到每年4000萬平方米的需用量。目前，多家廠商和研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行TCO玻璃產(chǎn)業(yè)化的過程，產(chǎn)量將會不斷擴(kuò)大，高性能的新型產(chǎn)品也將不斷推出。

    可以看出，正是由于薄膜太陽能電池的飛速發(fā)展，使目前光伏用TCO玻璃市場變得非常緊俏。在導(dǎo)電玻璃的領(lǐng)域中，光伏TCO玻璃有著獨(dú)特的性能要求，這些特性指標(biāo)與太陽能電池的輸出特性密切相關(guān)?？梢哉f，薄膜太陽能電池的發(fā)展將在一定程度上依賴于光伏TCO的改進(jìn)程度。能源的緊缺促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也必將推動光伏TCO玻璃產(chǎn)品成為玻璃行業(yè)中一顆璀璨的新星。