2008-透明导电氧化物镀膜玻璃在光伏电池中的应用

透明导电氧化物镀膜玻璃在光伏电池中的应用

鲁大学

（中国耀华玻璃集团公司　秦皇岛市　066002）

摘　要　详细阐述了透明导电氧化物（TCO）镀膜玻璃的技术特点和性能特性，研究了镀膜玻璃各指标参数对于光伏电池模块的影响及变化程度，对比分析了不同生产方式和种类的TCO镀膜玻璃在光伏应用上的优劣特性和改进方向。为开发新型TCO镀膜玻璃和不断提高光伏电池性能打下了一定的理论基础。关键词　TCO镀膜　导电玻璃　薄膜电池

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 　文章编号：1003－1987（2008）09－0033－05

1　前　言

自然界中往往透明的物质不导电，如玻璃、水晶、水等；导电的或者说导电性好的物质往往又不透明，如金属材料、石墨等。但是在平板显示器和太阳能电池板中的电极材料就需要既导电又透明的物质。透明导电薄膜（TCO）正好符合了这样的要求,是功能薄膜中比较有特色的一类。

TCO（Transparent conducting oxide）玻璃，即透明导电氧化物镀膜玻璃，是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜。其膜材料主要包括In、Sn、Zn 和Cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。透明导电氧化物薄膜最早出现在20 世纪初,1907年Badeker 首次制备出CdO 透明导电膜,从此引发了透明导电膜的开发与应用。1950 年前后出现了SnO2 基和In2O3 基薄膜。ZnO 基薄膜的研究始于20 世纪80 年代。

TCO玻璃首先被应用于平板显示器中，现在ITO类型的导电玻璃仍是平板显示器行业的主流玻璃电极产品。近几年，晶体硅价格的上涨极大地推动了薄膜太阳能电池的发展，目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10%，光伏用TCO玻璃作为电池前电极的必要构件，其市场需求迅速增长，成为了一个炙手可热的高科技镀膜玻璃产品。

率就可以了。薄膜太阳能电池是在玻璃表面的导电薄膜上镀制p-i-n半导体膜，再镀制背电极。如图1所示，TCO玻璃承担着透光和导电的双重作用，这就为镀膜玻璃本身提出了更高的要求。

图1　非晶硅薄膜太阳能电池构造示意图透明导电氧化物的镀膜原料和工艺很多，通过科学研究进行不断的筛选，目前主要有以下三种TCO玻璃与光伏电池的性能要求相匹配：

ITO镀膜玻璃是一种非常成熟的产品，具有透过率高，膜层牢固，导电性好等特点。初期曾应用于光伏电池的前电极。但随着光吸收性能要求的提高，TCO玻璃必须具备提高光散射的能力，而ITO镀膜很难做到这一点，并且激光刻蚀性能也较差。铟为稀有元素，在自然界中贮存量少，价格较高。ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定，因此目前ITO镀膜已非光伏电池主流的电极玻璃。

SnO2:F镀膜也简称FTO膜，目前主要是用于生产建筑用Low-E玻璃。其导电性能比ITO略差，但具有成本相对较低，激光刻蚀容易，光学性能适宜等优点。通过对普通Low-E的生产技术进行升级改

2　TCO镀膜玻璃的特性及种类

在太阳能电池中，晶体硅片类电池的电极是焊接在硅片表面的导线，前盖板玻璃仅需达到高透光

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进，制造出了导电性比普通Low-E好，并且带有雾度的产品。利用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜光伏电池的主流产品。

氧化锌基薄膜的研究进展迅速，材料性能已可与 ITO 相比拟，结构为六方纤锌矿型。其中铝掺杂的氧化锌（AZO）薄膜研究较为广泛，它的突出优势是原料易得，制造成本低廉，无毒，易于实现掺杂，且在等离子体中稳定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO产品。目前主要存在的问题是工业化大面积镀膜时的技术问题。

当前，研究高性能、低成本的光伏用TCO玻璃已经成为一个热门领域，多家科研机构正在不遗余力地进行试验与研究，新的成果不断涌现，相信会有更好的TCO玻璃被用来提高电池性能，降低生产成本。

的光线透过性能。同时TCO导电薄膜需要用增加膜层厚度的办法来提高导电性能，而膜层增厚，势必会导致透过率下降。因此，好的TCO玻璃的对光学性能要求是很高的。图4中的光谱曲线显示出该种玻璃的光谱曲线在可见和近红外都有较高的透过率，非常适用于薄膜电池的前电极。3.2　导电性能

TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素，使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素被称为杂质，掺杂后的半导体称为杂质半导体。氧化铟锡（ITO）透明导电玻璃就是将锡元素掺入到氧化铟中，提高导电率，它的导电性能在目前是最好的,最低电阻率达10-5Ωcm 量级。在ZnO 中掺入Ga 、Al 、In或F 离子能改善ZnO 膜的光学和电学性能，其中ZnO∶Al薄膜的研究最广泛和最深入,目前已经在薄膜太阳能电池中得到了应用。膜的电阻率降能低至2×10-4Ωcm 。对于SnO2 来说,五价元素（如Sb、As或F元素） 的掺杂均能在其禁带中形成浅施主能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前研究最多、应用最广的是掺氟二氧化锡（SnO2∶F） 薄膜。Asahi公司生产的光伏用TCO玻璃的方块电阻可以达到10Ω/□左右。3.3　雾度

为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力，光伏用TCO玻璃需要提高对透射光的散射能力，这一能力用雾度（Haze）来表示。雾度即为透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊的外观，以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。若用T代表薄膜总的透过率，D代表散射透过率，则雾度计算公式可表示为：Haze=D/T×100%。实际光学透过率测试过程中，散射光需要采用积分球进行收集测试。TCO薄膜的Haze主要影响a-Si薄膜电池Jsc和FF，优质的TCO一定程度上有助于提升电池Voc。这种光学散射能力

图2　非晶/微晶硅半导体层光谱响应范围为了适应非晶/微晶硅层的光谱吸收范围，TCO玻璃必须在可见和近红外波段上都保持着良好

与薄膜的晶粒尺寸大小、形状、粗糙度有关，具体特征可通过薄膜制备过程中的工艺参数加以调整控制。图3为典型光伏用TCO玻璃的膜层粗糙表面形状和由此产生光散射示意图。

3　光伏电池对TCO镀膜玻璃的性能要求

3.1　光谱透过率

为了能够充分地利用太阳光，TCO镀膜玻璃一定要保持相对较高的透过率。目前，产量最多的薄膜电池是双结非晶硅电池，并且已经开始向非晶/微晶复合电池转化。通过图2可以看出，非晶硅半导体层的吸收范围主要在400～700 nm波段上，集中在可见光。而微晶硅半导体的吸收主要在600～1 000 nm范围，扩展到了近红外波段。因此，非晶/微晶复合叠层能够吸收利用更多的太阳光，提高转换效率，即将成为薄膜电池的主流产品。

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玻璃深加工

有化学刻蚀和激光刻蚀两种，但由于刻蚀的线条要很细，一般为几十微米的宽度，而激光刻蚀具有沟槽均匀，剔除干净，生产效率快的特点（见图5），所以光伏TCO玻璃的刻蚀目前都使用激光刻蚀。

图3　AsahiU型TCO镀膜表面形状及引起

光散射示意图一般情况下，普通镀膜玻璃要求膜层表面越光滑越好，雾度越小越好，但光伏用TCO玻璃则要求有一定的光散射能力。目前，雾度控制的比较好商业化TCO玻璃是AFG的PV-TCO玻璃，雾度值一般为11%~15%。其不包含散射时的直接透过率曲线，与包含散射时的总透过率曲线对比见图4。

图5　TCO玻璃激光刻蚀以及不同刻蚀程度的比较

TCO膜层的材料和结构必须适应激光刻蚀的过程，处于激光束焦点区域的膜层能够迅速气化，不留杂质，并且气化反映不会扩散到焦点区域以外。留下的沟槽边缘整齐，沟槽宽度保持一致。从已有的TCO玻璃来看，ITO镀膜的激光刻蚀比较困难；SnO2:F膜层红外激光刻划效果很好；ZnO薄膜的激光刻蚀还处在大量的实验验证阶段，已有数据表明较容易刻蚀。3.5　耐候性与耐久性

太阳能电池在实际使用中完全处于露天的环境中，尤其是光伏电站大都建设在偏僻的野外，必须

图4　AFG公司的TCO玻璃含散射与不含

散射时的光谱曲线3.4　激光刻蚀性能

薄膜电池在制作过程中，需要将表面化分成多个长条状的电池组，这些电池组被串联起来用以提高输出能效。因此，TCO玻璃在镀半导体膜之前，必须要对表面的导电膜进行刻划，被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层，以保持绝缘。刻蚀方法目前

能经受夏季的高温暴晒和冬季的风雪严寒。要求TCO玻璃必须能保证在严酷的环境条件下不发生或极少发生膜层脱落以及氧化变质等现象，否则光伏模块的输出功率会严重下降甚至失效。因此，TCO镀膜一般都使用“硬膜”镀制工艺，膜层具有良好的耐磨性、耐酸碱性。光伏电池在安装上以后，尤其是光伏一体化建筑安装在房顶和幕墙上时，不适宜进行经常性的维修与更换，这就要求光伏电池具有良

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好的耐久性，目前，行业内通用的保质期是20年以上。因此，TCO玻璃的保质期也必须达到20年以上。

流的非晶硅为计算依据，折合每平方米的电池标称功率为50 Wp，也就是说，每50 Wp的电池将使用1m2的TCO玻璃。据此可以计算出，2007年世界上光伏产业对TCO玻璃的需求为700万m2。这一数字看似不大，但正是由于TCO玻璃生产技术的高端性，导致目前世界上的主要供应商仅有Asahi和Pilkington两家。随着太阳能电池产业超过50%的年增长率，产品已经开始供不应求。每平方米售价达到了20美元以上。

根据权威预测，薄膜太阳能电池将继续保持高速增长，到2010年将达到2 GWp，以此推算，届时将达到每年4000万m2的需用量。目前，多家厂商和研究机构正在进行TCO玻璃产业化的过程，产量将会不断扩大，高性能的新型产品也将不断推出。

4　光伏用TCO玻璃的发展前景

当光伏产业以连续5年近40%的速度向前发展时，主流产品晶体硅太阳能电池的上游原材料多晶硅的供给出现了空前的紧缺，多晶硅价格从2003年的$24/kg上涨到目前现货价格超过$300/kg。与晶体硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有弱光应用性强及形状可塑性强等特点，晶体硅价格的上涨无形中推动了薄膜太阳能电池的发展，目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10%，伴随着多晶硅价格的走高，薄膜太阳能电池的发展有望进一步加速。

2006年世界薄膜太阳能电池的统计生产量为190 MWp左右， 2007年在多晶硅原料价格上涨导致生产量不足的情况下，薄膜电池的产能得到了迅速扩张，产量达到了350 MWp。我国的薄膜电池主要为非晶硅薄膜电池，2007年的产量约为29 MWp。

2001～2007年各类薄膜电池产量的增长情况见图6、7。

5　结　论

可以看出，正是由于薄膜太阳能电池的飞速发展，使目前光伏用TCO玻璃市场变得非常紧俏。在导电玻璃的领域中，光伏TCO玻璃有着独特的性能要求，这些特性指标与太阳能电池的输出特性密切相关。可以说，薄膜太阳能电池的发展将在一定程度上依赖于光伏TCO的改进程度。能源的紧缺促进了光伏产业的发展，也必将推动光伏TCO玻璃产品成为玻璃行业中的一颗璀璨的新星。

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图7　太阳能电池产量增长情况预测由于薄膜电池的转化效率各不相同，我们以主

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玻璃深加工

我国深加工玻璃发展现状

徐美君

（中国建材国际工程有限公司 蚌埠玻璃工业设计研究院　蚌埠市　233018）

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 　文章编号：1003－1987（2008）10－0037－03

1　我国已成为当前世界上最大的玻璃原片

和深加工玻璃生产国

深加工玻璃是玻璃大家族中的重要成员。近几年我国玻璃行业发展很快，特别是玻璃深加工产业出现了前所未有的繁荣景象，我国已成为当前世界上最大的玻璃原片和深加工玻璃生产国。2007年，深加工玻璃增长明显，重要深加工玻璃产业的年产量中，中空玻璃1.5亿m2，安全玻璃1.9亿m，镀膜玻璃8 000万m2，夹层玻璃4 000万m2，玻璃深加工率已从2001年的16%增加到了2007年的近30%。我国目前已形成了品种繁多、种类齐全的深加工玻璃体系，玻璃加工企业有4 000多家。玻璃深加工工业的发展为国民经济建设做出了应有的贡献，满足了人们日益提高的生活水平的需要。

玻璃深加工产业的快速发展，主要得益于国家良好的宏观经济环境，近年来，我国固定资产投资高速增长，工业化、城镇化进程加快，特别是房地产业快速的发展，拉动了对玻璃的需求。

2

我国深加工玻璃主要有钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃、制镜玻璃、装饰玻璃、ITO导电膜玻璃等7大类，几乎涵盖了玻璃深加工产业的主要内容。

（2）我国深加工玻璃能广泛满足国民经济发展的需要

各类深加工玻璃的基本情况如下：

钢化玻璃：钢化玻璃因其强度大、抗冲击、耐急冷急热而具有安全性，是安全玻璃的重要品种，主要用于交通业、建筑业和轻工业。

夹层玻璃：夹层玻璃因其良好的抗冲击特点而具有安全性，也是安全玻璃的一种，主要用于交通业和建筑业。中空玻璃：中空玻璃具有很好的隔热和隔音性能，主要用于建筑业、交通业和轻工业。

镀膜玻璃：镀膜玻璃作为新一代加工玻璃，由于其良好的隔热性能和装饰效果，近年来发展十分迅猛。

（3）深加工玻璃产业推动了我国玻璃产业的结构优化

从20世纪末开始，隔热性能更好、防眩光的低辐射Low-E玻璃开始投放中国市场，随着2008年奥运会及2010年世博会在中国相继举办，大量场馆及相关建筑的建设对Low-E玻璃的需求将渐增，在近Application of Coated Glass with

Transparent Conductive Oxide to Photovoltaic Cell

Lu Daxue

( China Yao-hua glass group , Qinhuangdao , 066002）Abstract : The technical and performance characteristics of the coated glass with transparent conductive oxide were described in detail . The effect of properties of the coated glass on photovoltaic module was investigated . The order of excellence and direction of improvement in application of coated glass with transparent conductive oxide to photovoltaic module were contrastively analyzed .

Key words : TCO coating , conductive glass , thin film cell

2　我国深加工玻璃产业的发展呈现出四个

突出的特点

（1）我国深加工玻璃产业规模大、体系全

［7］Michael Berginski, The effect of front ZnO:Al surface texture

and optical transparency on efficient light trapping in silicon thin_film solar cells[J]，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 101, 074903,2007.

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