CdTe薄膜电池组件的基本发展、性能优化及几点思考
2012-03-30 15:28:00《Photovoltaics International》6944
摘要:
如今，越来越多的薄膜电池生产商要么在电池成本上极力追赶行业领先者，要么在组件设计上争取独树一帜。而Calyxo公司则致力于双管齐下的发展，即在将电池成本降至0.50美元/Wp水平的同时，引入新一代电池组件设计，以为客户带来更多的效益。通过研究各个工艺步骤之间的相互作用，同时提高首条生产线的产能并降低生产成本，我们尝试改善这些工艺知识体系的构建方法和途径。虽然研制一台适合常压高温(大约1000℃)工艺条件的沉积设备需要耗费一定时间，但是该技术却使得Calyxo公司在降低投资资金和运营成本上受益匪浅，这与人们熟知的真空沉积技术形成了鲜明对比。除了能持续降低生产成本外，即使是在早期组建生产线的时候，通过按照顾客的需求来自行设计产品的能力也被证明是保证企业竞争力的决定性因素。本文将着重阐述新一代电池组件的基本设计特点，同时探讨名为CX3的新型组件是如何通过提升性能来产生更多电能的，包括：减小输出电压以降低BOS(系统平衡)成本，给顾客带来更多效益；以及通过优化封装设计来进一步提高组件的耐用性。
前言
要详细叙述把科研成果转化成生产产品并提高薄膜电池生产线产能的各种事项是非常庞大的工程。本文将主要就这些方面进行整体探讨：对电池组件的设计准则作整体分析，包括电池制备工艺和特殊封装设计，以及它将如何影响工艺转化，或者利用新技术提升产能。本文将引述Calyxo公司所使用的工艺作为实例。
Calyxo公司成立于2005年，基于SolarFields公司(美国佩利斯堡)所研发的技术，Calyxo开发出了一种用于CdTe薄膜电池的独特的沉积方法--常压物理气相沉积法(APPVD)。由于关于各个单独工艺步骤以及它们之间相互作用的知识体系仍需不断完善，同时也为了能在以后进一步提高产能，该方法为各个工艺步骤设定了一些特定的边界条件。
本文将向读者具体展示这一独特的沉积方法，并列举薄膜电池组件工艺发展中的几个主要方面，同时详细讨论薄膜电池的封装设计和器件设计的特点。在这里要格外强调的一点就是，本文的CdTe电池组件采用的是顶衬(superstrate)结构，这能给电池组件设计带来诸多好处。此外，我们还列举出了一些薄膜电池发展的共同特点并着重叙述了CdTe电池技术的独特之处。
用于CdTe半导体沉积的APPVD工艺
对于CdS/CdTe薄膜电池的制备而言，不论是哪一项沉积工艺步骤，都存在许多不同的沉积技术与其竞争。
这些技术包括：溅射技术[1]、近距离升华制备技术(CSS)[2]、真空输运沉积技术[3]以及APPVD技术[4]，即常压物理气相沉积法(atmosphericpressurephysicalvapourdeposition)等等，不一而足。在如此众多的技术中，APPVD获得了格外的关注，因为人们看到该技术拥有降低企业初期投资成本和大幅提高材料利用率的潜能[6]，尽管通常很难在"构建可靠的工艺水平"和"实现大规模生产"两者上做到完美统一[7]。
常压工艺与使用更广泛的薄膜真空工艺在许多方面都存在差别。例如，常压环境下，与各个表面相碰撞的粒子的平均自由程比真空时小很多。这对常压工艺来说是一个挑战，因为平均自由程太小可能导致沉积时出现成核(nucleation)现象，而在气固两相系统状态中时，这种现象反过来可能会导致薄膜表面呈现粉尘状。然而，从另一方面来看，它却有助于提高动态沉积速率，而且比真空工艺的速率还高。几乎在所有常压技术工艺里，都存在着这两种现象的此消彼长。在设计工艺和设备时需要遵循这样一条准则，即衬底上的薄膜形成物的稳定态必须有利于成核反应的发生。为此，要求能准确调控温度、气流量和混合物等参数。
因为动态沉积速率决定了薄膜组件通过一系列沉积设备所需的时间，所以它(常压工艺)最终可降低在薄膜沉积设备上所花费的成本。这就是Calyxo公司通常选择常压工艺作为CdS/CdTe沉积时的核心工艺[4]的原因。
图一给出了一台定制APPVD炉的实物图，它主要用于CdS/CdTe半导体
薄膜的商业制造。从图中可以看出，该炉由六台蒸发器组成，它们既可以并联的形式同时运行以获得较高的生产率，还可交替使用以获得最大的设备平均维护间隔时间(mean-timebetween-maintenance简称MTBM)。实验证明，如果按照后者的使用方式，在生产线满负荷生产，且动态沉积速率为1μm/s时，MTBM值能达到最大1200小时。该沉积速率(1μm/s)是在一块非常小的沉积区域上实现的。图一右边部分给出了APPVD的原理示意图。
此外，这种沉积工艺还带来了有益的"副作用"：即因为沉积时所需的温度只在沉积区域获取，所以它能有效地减小各个沉积反应装置间的相互作用所带来的各种寄生效应。
接下来本文将讨论影响工艺优化的几个基本因素。
提升新薄膜生产线的产能
虽然人们在很久以前就发明了薄膜工艺并对其进行了相当长时间的研究开发，并且薄膜技术也被应用到了从汽车制造到纳米电子等许多行业领域当中，但是要把薄膜技术从实验室研究转化到试验性生产再到大规模全面生产仍需克服许多困难。这些困难大多是源于转化过程中的各个环节都需要设置许多参数，例如工艺极限、产能需求等等。我们无法在一篇文章中列举出详细的转化工艺和需要考虑的各个细节，因此，这显然超出了一篇技术论文的功能范畴。然而，介绍几个所有转化工艺都存在的普遍特性还是有必要的。为了以后能提升工艺水平或者引入新技术甚至是颠覆性的技术，人们需要学习许多东西，需要以更广阔的视角去观察和分析那些能推动技术发展的重要因素。
图二给出了产能提升期的各个不同生产批次的平均电池效率。这些数据是在对相当长时间内生产的产品(共有几十万块电池组件)进行检测后得出的，能很好地体现产能提升计划的实施效果。从图二的数据可以看出，当主要的输出变量--组件效率被作为测量标准时，新型薄膜组件生产线的产能提升的效果就可以按几个不同时间段进行划分。在最初阶段，组件效率提升得很快。这些提升主要源于机械化生产代替了人工生产。此时，不仅需要重新设置实验室研究期间的各种工艺参数，而且还要调整生产设备的实际尺寸和相互作用。机械化的引入减小了产品质量的波动，参数也能得到更地好控制，因此有效提高了电池效率。一些错误和缺陷(例如工艺参数转化率的错误计算)也因此变得更加明显、容易察觉，这对保证电池的质量非常关键。
然而，从图二可以清楚发现在这一阶段的效率浮动依然相对较大。
接下来是第二阶段。该阶段的生产引入了新的原材料。尽管在早期实验中就发现它能有效提升电池的性能，但是由于该阶段产品的净输出浮动较大，所以在图二的数据里体现得并不明显。这个问题也引出了企业在提升产能时面临的最需急迫化解的风险之一：即在引入新技术的同时必须马上进行系统地分析，因为在批量生产时人们很难直观地看出试验结果。在引入新工艺步骤和(或)新原材料时经常发生这种情况，这是人们应该小心避免的"陷阱"。为了避免掉入"陷阱"，我们对从13个独立工艺步骤中采集的2500个数据集不断地进行监测，监测内容包括设备参数、工艺设置、薄膜特性以及组件性能等等。在对这些数据集进行监测的过程中得知，只有对工艺的基本技术原理和物理原理有非常深刻的了解才能避免这些参数出现严重的次级效应。要对这些数据集或者工艺步骤进行逐个讨论几乎是不可能完成的任务，所以在这里只列举一个实例来讨论工艺参数的改变所产生的影响。这个实例显示出，优化器件的最高效率和减少质量浮动这两者是可以同时实现的。
由图二可知，接下来一个阶段是减小产出电池组件效率的浮动。减小浮动的方法有很多，其中包括：
o引入基于SPC(统计过程控制-statistialprocesscontrol)的生产系统，特别是以自动MES(执行制造系统-manufacturingexecutionsystem)为基础的系统为最佳选择。
o引入高反馈频率的线上控制系统。尽管反馈频率可以自动设置，但是在产能提升时期，应该首先确保能正确地建立各种关联性，所以必要时需要人工手动设置。
o引入专门的反应矩阵以随时随地正确处理产生的误差。
o尽量减小各个单独工艺步骤的浮动。
似乎是被排在尾部的原因，最后一个方法经常被人们忽略。图三给出了提高某个单独工艺步骤的实例。我们对某个工艺参数进行研究。可以看到，在某个特殊点的浮动非常大。在与图三相对应的实验里，生产流程上的工艺参数在产能提升期间进行了调整。其实验结果可以与小规模基础工艺电池(产能提升期之前)所得到的最高效率进行比较。从图三可以看出，当工艺参数水平很低时，总的结果也很低，但是浮动却很大。调整工艺参数之后，总的结果和浮动都有相当大的改进。
正如图二显示的那样，在引入一系列测量系统和提高各主要工艺步骤的性能后，电池组件效率的稳定性有了明显的提高。接着，便进入最后一个阶段--引入新的工艺步骤。尽管在实验室研究期间引入新工艺步骤产生的影响比先前引入新材料产生的影响要小许多，但是在产能提升期它的影响却更为明显。
由综上所述，我们可以得出结论，为了使组件的性能最优化，不管是在规划提升产能时还是在规划某个重要的生产线改建时，都要把生产线输出的产品的稳定性(包括数量稳定性和效率稳定性)摆在首要位置。
薄膜电池组件的设计
在设计光伏发电系统时，需要考虑许多因素。其中一个便是：标准逆变器的最高DC(直流)电压为600-1000V之间。这个限制是出于技术和安全的考虑而设定的，美国UL1703(美国平板型太阳电池组件安全认证标准)规定在建筑表面或建筑顶部安装的电池直流电压不能超过600V。逆变器的最大DC电压反过来也决定了一个光伏阵列最大能安装多少块串联组件。如果知道了电池的开路电压Voc，串联阵列最大组件数目也可以轻易计算出来。表一演示了一个计算例子，以供读者参考。
从表一的计算中可以看出，一组串联电池的数目主要由电池的开路电压Voc决定：电池的开路电压Voc越低，串联电池的数目就越大。按照这种方式，把组件安装到光伏阵列中就变得容易了许多，所需的材料也更少(包括电缆、保护二极管和辅助设备)。因此，建造一个光伏发电站的BOS(光伏系统平衡部件-balanceofsystem)成本减少了4%。由于BOS成本是影响光伏发电价格的重要因素，所以市场将推动电池电压走向低压化。
对于薄膜电池组件，还存在另外一个促使电池开路电压Voc走向低压化的因素。一块薄膜组件通常是由许多单个电池串联而成的(如图四)。因此，对于大多数薄膜技术来说，调整组件开路电压的最简单的方法(有时候是唯一的方法)就是改变单个电池的形状结构。
改变单个电池的宽度还能提高薄膜电池组件的发电效率，这是该方法带来的额外好处。单个电池宽度的大小是对各种因素进行权衡后得出的；它既要尽量减小单个电池之间的串联电阻值，又要尽量减小单个电池间的空隙面积，此外还要尽量减小组件的面积。空隙区域主要被电极划线所占据，不产生电能，所以被称为"无用区域"。单个电池的宽度越大，被损耗的能量就越小。换句话说就是电池越宽产生的电流就越大，引起的串联电阻损耗为：
P=R×I2(1)
其中I为电池的电流，可由以下公式给出：
I=j×l×z(2)
其中j为电流密度(主要由光生载流子的数目决定)；l为由组件外围尺寸决定的电池宽度；而z为两条划线之间的距离，如图五所示。由以上几个条件可知，当使用材料的参数(TCO、n-p型二极管、背电极)为已知时，便可以计算出薄膜组件的最优电池宽度，如图六所示。
图六给出了某一特定薄膜组件的计算结果。可以看到宽度的尺寸相当大，所以当电池宽度波动很小时，产生的损失也是可以忽略的。有一点必须指出的是当薄膜电池的材料不同时，最优电池宽度也不相同。因为单个电池越小意味着使用的技术越先进，所以在进行电池的激光蚀刻和选择材料时，都要先考虑生产稳定性的影响。通常在设计电池宽度时要比最优宽度大一些。
图七对传统薄膜组件与新型薄膜组件(优化了电池宽度)进行了比较。经电池宽度优化后的新型组件的外表更加平整一致。如果使用全黑密封材料进行封装，这种效果将更加显著。图七所对比的是特殊封装设计的一个例子。作为一项相对新兴的产业，封装设计还未被列为光伏技术发展蓝图的一部分。在文章的最后一节，我们将指出这一远未成熟的领域可以怎样依靠CdTe薄膜电池产业获得拓展和开发。
大体上，薄膜电池组件是按照电池各层材料的沉积顺序来分类的。对于底衬结构(substrate)，背电极被首先沉积在第一层，然后分别是沉积半导体层和前端电极层。这种方法的优点是即可以根据工艺需要又可以根据电池组件系统的规则来确定衬底材料的种类。如今，常用的衬底材料包括塑料薄片和用于大面积卷对卷沉积工艺金属薄片。采用底衬结构时的最后一步工艺是对薄膜电池进行封装，即封装材料是组件中直接面对阳光照射的一部分。因此，谨慎选择封装材料，如其对于紫外线UV的辐射的忍受能力是非常必要的。
与上述底衬结构相反，顶衬结构(superstrate)首先在衬底上沉积透明前端电极，接着分别是沉积半导体层和背电极层。这种顶衬结构经常运用在CdS/CdTe薄膜组件中。早期，顶衬结构是出于某种历史原因才开始被使用的(大多数CdTe电池组件生产商都与玻璃制造业有着深远的关系)，此外还有部分原因是因为沉积背电极金属层时要求的温度非常高。采用顶衬结构时必须特别注意衬底玻璃的选择。顶衬结构技术允许玻璃生产商采用成熟的低成本沉积工艺来制造大量的薄膜电池。除此之外，它还有另外几个优势。例如，封装材料无须直接暴露在紫外线UV的照射下，因此现今普遍使用的封装材料如EVA的光致衰退效应将减弱。生产商在设计封装时可以把更多注意力放在扩散阻挡层的性能、电池外观以及膨胀系数的匹配上。由于组件朝向太阳的一面少了一层材料，减少了光射到电池表面前的衰退量[8]，因此电池组件的总转换效率也得到了提高。
图七给出的采用新封装设计的CX3就是这种结构的其中一个例子。这种设计优化了耐辐射能力以尽量延长组件的寿命。
总结
本文概述了设计现代薄膜电池组件的一些要点以及它们相应的制造技术。文章指出，从一开始就要把组件设计的各个方面(从电性能准则到机械性能准则再到光性能准则)都考虑进去。为了阐明这一点，我们以提升CdS/CdTe薄膜电池生产线的产能为例，采用了全新的沉积技术并结合新的组件和封装设计。制造工艺在追求高效率的同时应该保证设备的高利用率。提升薄膜组件产能时需要遵循不同的模式，这在规划时应该标明清楚。为了制定整个生产系统的准则，在产能提升的开始就要将电池组件的所有准则都纳入规划中。这样才能生产出效率高、耐用性好、价格低以及外表美观的电池组件。这种方法的成效在CX3组件上得到了印证，其发电成本已降到了0.5美元/WP。
参考文献
[1]Compaan, A.etal. 2009,"Fabrication and physics of CdTe devices by sputtering", NREL/SR-520-45398.
[2]Maack,S.2006,"Herstellung und Charakterisierung von CSS CdTe Dünnschichtsolarzellen",Dissertation,Jena,Germany.
[3]R.Powelletal.1998,"Apparatus and method for depositing a semiconductor material",US Patent 6037241.
[4]Johnston, N. Wetal. 1978,"Atmospheric pressure CVD",USPatent7674713.
[5]Vossen, J.L.&Kern,W.1978,"Thin film processes",Academic Press, NewYork.
[6]Woods, L.&Meyers, P.2002, "Atmospheric pressure CVD and Jetvapor deposition of CdTe for high efficiency thin film PV devices", NREL/SR-520-32761.
[7]Gessert, T.A.2008," Review of photovoltaic energy production using CdTe thin film modules", Workshopon physics and chemistry of II-VImaterials, LasVegas, US.
[8]Huld, T.H.etal. 2010," Mapping the performance of PV modules, effect of module type and dataaveraging, Solar Energy", Vol.84, pp.324-338.
如今，越来越多的薄膜电池生产商要么在电池成本上极力追赶行业领先者，要么在组件设计上争取独树一帜。而Calyxo公司则致力于双管齐下的发展，即在将电池成本降至0.50美元/Wp水平的同时，引入新一代电池组件设计，以为客户带来更多的效益。通过研究各个工艺步骤之间的相互作用，同时提高首条生产线的产能并降低生产成本，我们尝试改善这些工艺知识体系的构建方法和途径。虽然研制一台适合常压高温(大约1000℃)工艺条件的沉积设备需要耗费一定时间，但是该技术却使得Calyxo公司在降低投资资金和运营成本上受益匪浅，这与人们熟知的真空沉积技术形成了鲜明对比。除了能持续降低生产成本外，即使是在早期组建生产线的时候，通过按照顾客的需求来自行设计产品的能力也被证明是保证企业竞争力的决定性因素。本文将着重阐述新一代电池组件的基本设计特点，同时探讨名为CX3的新型组件是如何通过提升性能来产生更多电能的，包括：减小输出电压以降低BOS(系统平衡)成本，给顾客带来更多效益；以及通过优化封装设计来进一步提高组件的耐用性。
前言
要详细叙述把科研成果转化成生产产品并提高薄膜电池生产线产能的各种事项是非常庞大的工程。本文将主要就这些方面进行整体探讨：对电池组件的设计准则作整体分析，包括电池制备工艺和特殊封装设计，以及它将如何影响工艺转化，或者利用新技术提升产能。本文将引述Calyxo公司所使用的工艺作为实例。
Calyxo公司成立于2005年，基于SolarFields公司(美国佩利斯堡)所研发的技术，Calyxo开发出了一种用于CdTe薄膜电池的独特的沉积方法--常压物理气相沉积法(APPVD)。由于关于各个单独工艺步骤以及它们之间相互作用的知识体系仍需不断完善，同时也为了能在以后进一步提高产能，该方法为各个工艺步骤设定了一些特定的边界条件。
本文将向读者具体展示这一独特的沉积方法，并列举薄膜电池组件工艺发展中的几个主要方面，同时详细讨论薄膜电池的封装设计和器件设计的特点。在这里要格外强调的一点就是，本文的CdTe电池组件采用的是顶衬(superstrate)结构，这能给电池组件设计带来诸多好处。此外，我们还列举出了一些薄膜电池发展的共同特点并着重叙述了CdTe电池技术的独特之处。
用于CdTe半导体沉积的APPVD工艺
对于CdS/CdTe薄膜电池的制备而言，不论是哪一项沉积工艺步骤，都存在许多不同的沉积技术与其竞争。
这些技术包括：溅射技术[1]、近距离升华制备技术(CSS)[2]、真空输运沉积技术[3]以及APPVD技术[4]，即常压物理气相沉积法(atmosphericpressurephysicalvapourdeposition)等等，不一而足。在如此众多的技术中，APPVD获得了格外的关注，因为人们看到该技术拥有降低企业初期投资成本和大幅提高材料利用率的潜能[6]，尽管通常很难在"构建可靠的工艺水平"和"实现大规模生产"两者上做到完美统一[7]。
常压工艺与使用更广泛的薄膜真空工艺在许多方面都存在差别。例如，常压环境下，与各个表面相碰撞的粒子的平均自由程比真空时小很多。这对常压工艺来说是一个挑战，因为平均自由程太小可能导致沉积时出现成核(nucleation)现象，而在气固两相系统状态中时，这种现象反过来可能会导致薄膜表面呈现粉尘状。然而，从另一方面来看，它却有助于提高动态沉积速率，而且比真空工艺的速率还高。几乎在所有常压技术工艺里，都存在着这两种现象的此消彼长。在设计工艺和设备时需要遵循这样一条准则，即衬底上的薄膜形成物的稳定态必须有利于成核反应的发生。为此，要求能准确调控温度、气流量和混合物等参数。
因为动态沉积速率决定了薄膜组件通过一系列沉积设备所需的时间，所以它(常压工艺)最终可降低在薄膜沉积设备上所花费的成本。这就是Calyxo公司通常选择常压工艺作为CdS/CdTe沉积时的核心工艺[4]的原因。
图一给出了一台定制APPVD炉的实物图，它主要用于CdS/CdTe半导体
薄膜的商业制造。从图中可以看出，该炉由六台蒸发器组成，它们既可以并联的形式同时运行以获得较高的生产率，还可交替使用以获得最大的设备平均维护间隔时间(mean-timebetween-maintenance简称MTBM)。实验证明，如果按照后者的使用方式，在生产线满负荷生产，且动态沉积速率为1μm/s时，MTBM值能达到最大1200小时。该沉积速率(1μm/s)是在一块非常小的沉积区域上实现的。图一右边部分给出了APPVD的原理示意图。
此外，这种沉积工艺还带来了有益的"副作用"：即因为沉积时所需的温度只在沉积区域获取，所以它能有效地减小各个沉积反应装置间的相互作用所带来的各种寄生效应。
接下来本文将讨论影响工艺优化的几个基本因素。
提升新薄膜生产线的产能
虽然人们在很久以前就发明了薄膜工艺并对其进行了相当长时间的研究开发，并且薄膜技术也被应用到了从汽车制造到纳米电子等许多行业领域当中，但是要把薄膜技术从实验室研究转化到试验性生产再到大规模全面生产仍需克服许多困难。这些困难大多是源于转化过程中的各个环节都需要设置许多参数，例如工艺极限、产能需求等等。我们无法在一篇文章中列举出详细的转化工艺和需要考虑的各个细节，因此，这显然超出了一篇技术论文的功能范畴。然而，介绍几个所有转化工艺都存在的普遍特性还是有必要的。为了以后能提升工艺水平或者引入新技术甚至是颠覆性的技术，人们需要学习许多东西，需要以更广阔的视角去观察和分析那些能推动技术发展的重要因素。
图二给出了产能提升期的各个不同生产批次的平均电池效率。这些数据是在对相当长时间内生产的产品(共有几十万块电池组件)进行检测后得出的，能很好地体现产能提升计划的实施效果。从图二的数据可以看出，当主要的输出变量--组件效率被作为测量标准时，新型薄膜组件生产线的产能提升的效果就可以按几个不同时间段进行划分。在最初阶段，组件效率提升得很快。这些提升主要源于机械化生产代替了人工生产。此时，不仅需要重新设置实验室研究期间的各种工艺参数，而且还要调整生产设备的实际尺寸和相互作用。机械化的引入减小了产品质量的波动，参数也能得到更地好控制，因此有效提高了电池效率。一些错误和缺陷(例如工艺参数转化率的错误计算)也因此变得更加明显、容易察觉，这对保证电池的质量非常关键。
然而，从图二可以清楚发现在这一阶段的效率浮动依然相对较大。
接下来是第二阶段。该阶段的生产引入了新的原材料。尽管在早期实验中就发现它能有效提升电池的性能，但是由于该阶段产品的净输出浮动较大，所以在图二的数据里体现得并不明显。这个问题也引出了企业在提升产能时面临的最需急迫化解的风险之一：即在引入新技术的同时必须马上进行系统地分析，因为在批量生产时人们很难直观地看出试验结果。在引入新工艺步骤和(或)新原材料时经常发生这种情况，这是人们应该小心避免的"陷阱"。为了避免掉入"陷阱"，我们对从13个独立工艺步骤中采集的2500个数据集不断地进行监测，监测内容包括设备参数、工艺设置、薄膜特性以及组件性能等等。在对这些数据集进行监测的过程中得知，只有对工艺的基本技术原理和物理原理有非常深刻的了解才能避免这些参数出现严重的次级效应。要对这些数据集或者工艺步骤进行逐个讨论几乎是不可能完成的任务，所以在这里只列举一个实例来讨论工艺参数的改变所产生的影响。这个实例显示出，优化器件的最高效率和减少质量浮动这两者是可以同时实现的。
由图二可知，接下来一个阶段是减小产出电池组件效率的浮动。减小浮动的方法有很多，其中包括：
o引入基于SPC(统计过程控制-statistialprocesscontrol)的生产系统，特别是以自动MES(执行制造系统-manufacturingexecutionsystem)为基础的系统为最佳选择。
o引入高反馈频率的线上控制系统。尽管反馈频率可以自动设置，但是在产能提升时期，应该首先确保能正确地建立各种关联性，所以必要时需要人工手动设置。
o引入专门的反应矩阵以随时随地正确处理产生的误差。
o尽量减小各个单独工艺步骤的浮动。
似乎是被排在尾部的原因，最后一个方法经常被人们忽略。图三给出了提高某个单独工艺步骤的实例。我们对某个工艺参数进行研究。可以看到，在某个特殊点的浮动非常大。在与图三相对应的实验里，生产流程上的工艺参数在产能提升期间进行了调整。其实验结果可以与小规模基础工艺电池(产能提升期之前)所得到的最高效率进行比较。从图三可以看出，当工艺参数水平很低时，总的结果也很低，但是浮动却很大。调整工艺参数之后，总的结果和浮动都有相当大的改进。
正如图二显示的那样，在引入一系列测量系统和提高各主要工艺步骤的性能后，电池组件效率的稳定性有了明显的提高。接着，便进入最后一个阶段--引入新的工艺步骤。尽管在实验室研究期间引入新工艺步骤产生的影响比先前引入新材料产生的影响要小许多，但是在产能提升期它的影响却更为明显。
由综上所述，我们可以得出结论，为了使组件的性能最优化，不管是在规划提升产能时还是在规划某个重要的生产线改建时，都要把生产线输出的产品的稳定性(包括数量稳定性和效率稳定性)摆在首要位置。
薄膜电池组件的设计
在设计光伏发电系统时，需要考虑许多因素。其中一个便是：标准逆变器的最高DC(直流)电压为600-1000V之间。这个限制是出于技术和安全的考虑而设定的，美国UL1703(美国平板型太阳电池组件安全认证标准)规定在建筑表面或建筑顶部安装的电池直流电压不能超过600V。逆变器的最大DC电压反过来也决定了一个光伏阵列最大能安装多少块串联组件。如果知道了电池的开路电压Voc，串联阵列最大组件数目也可以轻易计算出来。表一演示了一个计算例子，以供读者参考。
从表一的计算中可以看出，一组串联电池的数目主要由电池的开路电压Voc决定：电池的开路电压Voc越低，串联电池的数目就越大。按照这种方式，把组件安装到光伏阵列中就变得容易了许多，所需的材料也更少(包括电缆、保护二极管和辅助设备)。因此，建造一个光伏发电站的BOS(光伏系统平衡部件-balanceofsystem)成本减少了4%。由于BOS成本是影响光伏发电价格的重要因素，所以市场将推动电池电压走向低压化。
对于薄膜电池组件，还存在另外一个促使电池开路电压Voc走向低压化的因素。一块薄膜组件通常是由许多单个电池串联而成的(如图四)。因此，对于大多数薄膜技术来说，调整组件开路电压的最简单的方法(有时候是唯一的方法)就是改变单个电池的形状结构。
改变单个电池的宽度还能提高薄膜电池组件的发电效率，这是该方法带来的额外好处。单个电池宽度的大小是对各种因素进行权衡后得出的；它既要尽量减小单个电池之间的串联电阻值，又要尽量减小单个电池间的空隙面积，此外还要尽量减小组件的面积。空隙区域主要被电极划线所占据，不产生电能，所以被称为"无用区域"。单个电池的宽度越大，被损耗的能量就越小。换句话说就是电池越宽产生的电流就越大，引起的串联电阻损耗为：
P=R×I2(1)
其中I为电池的电流，可由以下公式给出：
I=j×l×z(2)
其中j为电流密度(主要由光生载流子的数目决定)；l为由组件外围尺寸决定的电池宽度；而z为两条划线之间的距离，如图五所示。由以上几个条件可知，当使用材料的参数(TCO、n-p型二极管、背电极)为已知时，便可以计算出薄膜组件的最优电池宽度，如图六所示。
图六给出了某一特定薄膜组件的计算结果。可以看到宽度的尺寸相当大，所以当电池宽度波动很小时，产生的损失也是可以忽略的。有一点必须指出的是当薄膜电池的材料不同时，最优电池宽度也不相同。因为单个电池越小意味着使用的技术越先进，所以在进行电池的激光蚀刻和选择材料时，都要先考虑生产稳定性的影响。通常在设计电池宽度时要比最优宽度大一些。
图七对传统薄膜组件与新型薄膜组件(优化了电池宽度)进行了比较。经电池宽度优化后的新型组件的外表更加平整一致。如果使用全黑密封材料进行封装，这种效果将更加显著。图七所对比的是特殊封装设计的一个例子。作为一项相对新兴的产业，封装设计还未被列为光伏技术发展蓝图的一部分。在文章的最后一节，我们将指出这一远未成熟的领域可以怎样依靠CdTe薄膜电池产业获得拓展和开发。
大体上，薄膜电池组件是按照电池各层材料的沉积顺序来分类的。对于底衬结构(substrate)，背电极被首先沉积在第一层，然后分别是沉积半导体层和前端电极层。这种方法的优点是即可以根据工艺需要又可以根据电池组件系统的规则来确定衬底材料的种类。如今，常用的衬底材料包括塑料薄片和用于大面积卷对卷沉积工艺金属薄片。采用底衬结构时的最后一步工艺是对薄膜电池进行封装，即封装材料是组件中直接面对阳光照射的一部分。因此，谨慎选择封装材料，如其对于紫外线UV的辐射的忍受能力是非常必要的。
与上述底衬结构相反，顶衬结构(superstrate)首先在衬底上沉积透明前端电极，接着分别是沉积半导体层和背电极层。这种顶衬结构经常运用在CdS/CdTe薄膜组件中。早期，顶衬结构是出于某种历史原因才开始被使用的(大多数CdTe电池组件生产商都与玻璃制造业有着深远的关系)，此外还有部分原因是因为沉积背电极金属层时要求的温度非常高。采用顶衬结构时必须特别注意衬底玻璃的选择。顶衬结构技术允许玻璃生产商采用成熟的低成本沉积工艺来制造大量的薄膜电池。除此之外，它还有另外几个优势。例如，封装材料无须直接暴露在紫外线UV的照射下，因此现今普遍使用的封装材料如EVA的光致衰退效应将减弱。生产商在设计封装时可以把更多注意力放在扩散阻挡层的性能、电池外观以及膨胀系数的匹配上。由于组件朝向太阳的一面少了一层材料，减少了光射到电池表面前的衰退量[8]，因此电池组件的总转换效率也得到了提高。
图七给出的采用新封装设计的CX3就是这种结构的其中一个例子。这种设计优化了耐辐射能力以尽量延长组件的寿命。
总结
本文概述了设计现代薄膜电池组件的一些要点以及它们相应的制造技术。文章指出，从一开始就要把组件设计的各个方面(从电性能准则到机械性能准则再到光性能准则)都考虑进去。为了阐明这一点，我们以提升CdS/CdTe薄膜电池生产线的产能为例，采用了全新的沉积技术并结合新的组件和封装设计。制造工艺在追求高效率的同时应该保证设备的高利用率。提升薄膜组件产能时需要遵循不同的模式，这在规划时应该标明清楚。为了制定整个生产系统的准则，在产能提升的开始就要将电池组件的所有准则都纳入规划中。这样才能生产出效率高、耐用性好、价格低以及外表美观的电池组件。这种方法的成效在CX3组件上得到了印证，其发电成本已降到了0.5美元/WP。
参考文献
[1]Compaan, A.etal. 2009,"Fabrication and physics of CdTe devices by sputtering", NREL/SR-520-45398.
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