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1、,薄膜太阳能电池,主讲人：叶勇,背景介绍,大规模利用太阳能的重要性,能源危机,环境、全球气候恶化,世界上还有很多无电地区,单位：千兆兆焦耳。目前全球能源年总需求约为400千兆兆焦耳。,太阳能：唯一的兆兆瓦量级再生能源！,2050年全球每年共需约800千兆兆焦耳再生能源才能稳定大气中CO2浓度，太阳能是地球上唯一能满足这种规模要求的再生能源,地球上几乎所有地方都能使用太阳能,约1%面积使用太阳能，即可满足发达国家的全部能源需求,薄膜电池产业化 - 成本预测,数据来源-德意志银行,大规模利用太阳能的瓶颈 成本,成本目前约是常规电价的3-5倍 一旦接近电网等价点（Grid Parity），市场将呈爆
2、发性增长,解决方法,技术进步 规模化生产,效率效率越高，成本越低效率越高，占地面积越小（占地对某些应用并非真正瓶颈）效率接近10%是规模化发展的基本条件,太阳能电池原理,光生伏特效应当光照射在p-n结上时，光子会产生电子-空穴对。 在偶电层内强电场的作用下，电子将移到n型中，而空穴则移到p型中。从而使p-n结两边分别带上正、负电荷。这样p-n结就相当于一个电池。由光照射，是p-n结产生电动势的现象称光生伏特效应。利用太阳光照射p-n结产生电池的装置叫太阳能电池,太阳能电池的原理,1954年 美国贝尔实验室制造出第一块商用太阳能电池,1954年 2009年世界人口 27亿 67亿5千万 +2.5
3、倍石油价格 2.8美元/桶 81.6美元/桶 +29倍汽车数量 5千万辆 2亿7千万辆 +5.4倍,开发多样化的能源资源来满足不断成长的能源需求,11,薄膜太阳电池分类硅基薄膜太阳电池的发展 薄膜电池的光照性能衰退现象电池光电转换效率的计算电池片的应用,一、太阳能电池分类汇总,薄膜太阳电池简介,硅薄膜,碲镉系(CdTe),染料薄膜和有机薄膜(TiO2),非晶,非晶/微晶(a-Si,a-Si/c-Si),First Solar， US,United Solar(8%) ,EPV(56%) US,Sharp ( 810%) Japan,LG, 周星(9.6%) 韩国,铜铟系(CIS,CIGS),化
4、合物薄膜,正泰(9.0%),天威(67%),新奥(88.5%),金太阳(8%),尚德(67%),百世德(88.5%) 中国,Leybold Optics(9.5%) German,JST German,山东孚日股份 中国,第二代：薄膜半导体,第一代：单晶硅多晶硅丝带硅,薄膜太阳能电池 打破成本瓶颈,薄膜电池 材料用量仅为百分之一！,硅片在晶体硅电池组件成本中约占65%-90%,簿膜半导体材料只需晶体硅1%厚度即可几乎全部吸收太阳辐射能， 从而大量节省原料,薄膜电池产业化 几种技术的比较,中低,高,薄膜电池产业化 可能遇到的问题,薄膜太阳能电池发电成本有望最终达到6-9美分/KWh,使光伏发电为
5、解决世界能源、环境问题作出实质性贡献,能否把握机遇，实现薄膜电池产业化是关键!,发展现状,我国高度重视太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。截至2008年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企业的产能约达125.9MW，年产量约为46MW。截止2009年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个，按其规划，2014年前全部建成后的产能将高达约4000MW。,薄膜太阳能电池,目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。化合物半导体薄膜型又分为非结晶型和磷化锌等。以硅为主的太阳能电池从1954 年第一块
6、单晶硅太阳电池开始,已经获得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。,薄膜太阳能电池的特色,1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳)2.没有内部电路短路问题3.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少4.有较佳的功率温度系数5.较高的累积发电量6.只需少量的原料,成本低7.较佳的光传输8.厚度较传统太阳能电池薄9.材料供应来源广10.可与建材整合性运用,BestSOLAR Confidential,硅基薄膜电池优缺点优点:耗材少: 硅薄膜太阳电池的厚度在2m左右其厚度只有晶硅电池的1%能耗低:硅薄膜电池制备工艺200OC 左右，而
7、晶体硅核心工艺需要1000OC无毒，无污染 更多的发电量 a.良好的弱光性:使得在阴雨天比晶体硅电池有多10%左右的发电量 b.高温性能好:温度系数低,使得薄膜电池在高温工作状况下同样有比晶体硅电池 高的发电量 美观、大方 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外 环境，加 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 应用稳定性更好 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便、可靠。 能源回收期短 成本低且下降空间大,缺点 前期资金投资大 光致衰退(S-w效应) 效率偏低,设备、原材料国产化减薄非晶硅层, 改善光衰叠层电池如非晶硅/微
8、晶硅,改善光衰,提高效率改善各层材料间界面性能，提高功率新产品的开发、新材料、新工艺,解决方案,非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应),光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能下降并逐渐趋于稳定；若样品在160下退火，电学性能可恢复原值(S-W效应) 非晶硅制造过程中Si-Si弱键的作用,23,1975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂，1976年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4%1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器；1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应,硅基薄膜太阳电池的发展,History,Tod
9、ay,产业化: 非晶硅/微晶硅叠层电池,薄膜太阳能电池技术产业化发展现状,晶硅电池与CdTe薄膜电池对比,晶硅电池：技术陈旧，1954年高能耗，高碳排放量电池材料厚度100-300 m成品率低：40%生产过程几小时左右透光性差市场份额递减（2015，欧盟停用）成本：1.6美元/W,CdTe薄膜电池：2003年低能耗（湿法冶金）0.8-3 m90%30-45 mins透光性好市场份额激增（特别是中国）成本：0.87美元/W,为使成本最低研制薄膜太阳能电池,应该对昂贵的半导体材料的消耗要少1%10%（材料消耗少）应该非常适合高度自动化的生产过程（工艺成本低）应该在产品达到生命周期后可以回收再用（额
10、外收益大）,硅和薄膜太阳能电池产业链比较,最具广泛应用潜力的四种薄膜材料,非晶Si多晶硅CIGS（CuInGaSe）碲化镉（CdTe）,四种薄膜技术-1,数据源：BP 2002、World Nuclear Association,非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很强，而且利用溅镀或是化学气相沉积方式生成薄膜的生产方式成熟且成本低廉，材料成本相对于其他化合物半导体材料也便宜许多；不过缺点则有转换效率低(约
11、57%)，以及会产生严重的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应用于小功率的消费性电子产品市场。不过在新一代的非晶硅多接面太阳能电池已经能够大幅改善纯非晶硅太阳电池的缺点，转换效率可提升到68%，使用寿命也获得提升。未在具有成本低廉的优势之下，仍将是未薄膜太阳能电池的主流之一。,非晶硅薄膜太阳能电池优点：硅薄膜沉积温度低，可直接沉积在普通基材上；适合生产大面积太阳能电池，5.6平米左右；和晶硅太阳能电池比节约原料。缺点：转换效率低；工艺成本太高，生产线造价1-1.2亿美金。技术瓶颈：沉积速度慢；光诱导衰减问题是大难题，目前无根本解决方法。,非晶硅薄膜太阳能电池,与建筑相配合,建造
12、太阳能房非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。,非晶硅薄膜电池生产,非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响,非晶硅薄膜是一种重要的光电材料，在廉价太阳能电池、薄膜场效应管和光敏器件中都有广泛的应用。通过测量透射光谱，人们可以获得折射率、色散关系、膜厚以及光学能隙这些重要的光学参量。但在测量时，我们注意到样品由于制备条件的限制，厚度难以保证理想均匀，而且考虑到光衍射、仪器灵敏度等方面的原因，采用的光栏或狭缝一般不会太细，有一定
13、的照射面积。 因此在分析薄膜的透射谱时，应该顾及膜厚均匀性的影响。,四种薄膜技术-2,多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上, 用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层, 不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性, 而且材料的用量大幅度下降, 明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样, 是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时, 两极间会产生电势, 称为光生伏打效应, 简称光伏效应。,多晶硅( Poly-Si)薄膜太阳能电池,多晶硅薄膜太阳能电池的简
14、单结构,多晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺,多晶硅( Poly-Si)薄膜太阳能电池,制备多晶硅薄膜的工艺方法 多晶硅薄膜是多晶硅薄膜太阳能电池的主体部分,薄膜质量的好坏直接影响太阳能电池性能的好坏。多晶硅薄膜制备工艺的主要区分点在其沉积温度和沉积方式,因此不同的沉积温度和沉积方式的控制直接影响薄膜的质量,从而影响着多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。主要的多晶硅薄膜的制备方法有:化学气相沉积法(CVD) 、再结晶法、液相外延法(LPE) 、溅射沉积法和等离子喷涂( PSM) 。,多晶硅( Poly-Si)薄膜太阳能电池,多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求：(1) 多晶硅薄膜厚度为5m150m;(2
15、) 增加光子吸收;(3) 多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍;(4) 少数载流子扩散长度至少是厚度一倍;(5) 衬底必须具有机械支撑能力;(6) 良好的背电极;(7) 背表面进行钝化;(8) 良好的晶粒界。,PECVD基本原理,等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)是在沉积室内建立高压电场，反应气体在一定气压和高压电场的作用下，产生辉光放电,反应气体被激发成非常活泼的分子，原子，离子和原子团构成的等离子体。正离子和电子在高压电场的作用下，获得足够的能量，参与化学反应，大大降低了沉积反应温度，加速了化学反应过程，提高了沉积速率 。,直流辉光气体放电体系模型,等离子增强化学气相沉积法( PECVD
16、）,PECVD系统有很多种类型，其主要组成部件有：真空室组件、直流电源、基片水冷加热台、窗口及法兰接口部件、工作气路、抽气机组（机械泵和分子泵）、阀门及管道、真空测量及电控系统。,PECVD设备外观图,PECVD制备多晶硅薄膜影响因素,影响因素,反应起源,衬底材料,氢稀释酸（硅烷浓度）,衬底温度,反应气体压强,射频功率,多晶硅薄膜太阳能电池的前景展望,随着科技的发展与提高,通过改变实验方法和实验参数来获得大颗粒、取向规则、低杂质、低空隙率、少晶粒晶界、均匀且厚度可控的高质量多晶硅薄膜,从而进一步提高多晶硅薄膜太阳能电池光电转化效率,并进一步降低其生产成本,使得多晶硅薄膜太阳能电池的发电能力及成
17、本能够与常规能源相竞争,进而取代之。,四种薄膜技术-3,CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都属于化合物半导体。这两种材料的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转换效率方面，若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积制程上，采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效率都已经相当优异，因此被视为是未最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。,铜铟镓硒薄膜太阳能电池优点：多晶异质结
18、薄膜太阳能电池，反对的人少；4个元素安全环保，稳定；目前实验室转换效率高，19.9% （世界纪录）。缺点：技术多样，无标准工艺方法；4元化合物，工艺复杂，沉积速度慢；成本高。技术瓶颈：材料处理工艺问题是大难题；大面积镀膜的均匀度问题，目前无很好解决方法。,CIGS 铜铟镓硒薄膜太阳能电池,四种薄膜技术-4,CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效率也不差：若使用耐高温(600C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%，而使用不耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率，转换效率远优于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速
19、成膜技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效率约11%。不过，虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污染性重金属，因此此种材料技术未发展前景仍有阴影存在。,碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池优点：第一种在工业规模上成本大大优于所有其他材料的太阳能电池技术，2010生产成本仅为0.80美元/W；和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光；低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收；强弱光均可发电，复杂环境条件下表现好；目前实验室转换效率17.3%，目前工业化转换效率11.4%。理论效率应为28%。缺点：产品面世时间短，原材料特
20、性认识不充分问题。技术瓶颈：研发出提高转换效率的工艺方法。,CdTe制备工艺（近空间升华法）,近距升华法沉积设备示意图,碲化镉太阳能电池制作工艺,近空间升华法是目前被用来生产高效率CdTe薄膜电池最主要的方法-蒸发源是被置于一与衬底同面积的容器内，衬底与源材料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到化学计量准确的CdTe薄膜。一般衬底的温度可以控制在450600之间，而高品质的薄膜可以在大约 1um/min 的速率沉积下得到。,碲化镉太阳能电池制作工艺,碲化镉薄膜太阳能电池,实际工作环境下性能参数对比,- 根据EUPD2
21、009年调查报告,美国电网中的太阳能电力成本比较,目前，从经济效益上看，晶体硅太阳能电力价格和传统电网电力价格比，尚无竞争力。碲化镉有实现平价上网电价的可能。美国电网平均电价 0.086美元/度美国备用电网平均电价 0.22美元/度美国平均晶硅太阳能电价 0.27美元/度碲化镉电站电价 0.075美元/度美国能源部对太阳能发电的期待价格是： 0.10美元/度,碲化镉薄膜太阳能电池是近期最好的技术,节约原料和成本3 mm(2009) 和硅系材料厚度(100-300 mm)相比;阳光吸收指数最高:95%以上。材料的结构和处理过程简单碲化镉是2种材料的合成，比铜铟镓硒4种元素合成简单。系统工作稳定性
22、好。已进入大规模工业化生产。,从产能，市值 数据对比看资本市场的态度,美国过去3年中铜铟镓硒薄膜太阳能电池大规模的风险资金投入,Solyndra $6亿美元 CMEA，Redpoint等 Nanosolar $5亿美元 Larry Page 等Miasole $3亿美元 KPCB，firelake等SoloPower $2.3亿美元 Convexa 等Sulfurcell $1.7亿美元 Intel，masdar 等 （全部是CIGS）,BIPV市场应用举例,功能性薄膜太阳能电站,集群式小型薄膜太阳能电站,建筑一体化太阳能幕墙,停车场,纳斯达克大楼太阳能幕墙,幕墙式太阳能电站,纽约旅馆太阳能光
23、伏幕墙,分析碲化镉太阳能电池板结构,背电极,P极-碲化镉,N极-硫化镉,导电氧化膜,基板玻璃,光发生率,基材玻璃占成本的53%，碲化镉及辅助原料占成本的47%,碲化镉组件拥有非常高的转换率提升潜力,中期目标,转换率,Time Line,2009,2013,2015,11%,12%,15%,当前水平,近期优化,18%,未来预计,2011,镀层优化提升玻璃透光性,持续的改进优化刻槽技术,全新的电池和储能装置设计,国际光伏技术提升路径,国际市场对未来碲化镉电池尺寸要求,碲化镉技术可以适应浮法玻璃尺寸优化边缘,3.2m x 6,0m 未来,1.2m x 1.6m 当前,0.6m x 1.2m 中试,2
24、015,尺寸,年,2000,2010,2005,中国的光伏建筑一体化市场的前景,目前中国有大约500亿平方米的建筑表面，如果我们能将10%的建筑面积转化为光伏建筑一体化材料，将是250 GW的市场（以目前世界产能需要生产20年）。如果只是将现有每年新建建筑的1%的外墙建筑面积转化为光伏建筑一体化材料，将是2 GW的市场。目前的光伏建筑一体化材料尚无国际和国内标准，谁创造标准，谁主导市场！,碲化镉太阳能电池发展的2个误区,误区1：碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求。在过去，碲是以铜，铅，锌等矿山的伴生矿副产品形式，也就是矿渣，以及冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。碲化镉太阳能电池
25、的不断成长的市场需求，无法得到原料的保证。事实上中国四川发现了世界上唯一的，独立存在的碲矿，目前已探明的储藏量为 2000多吨。已经可供全球可用50年。碲化镉电池每瓦用量为0.1克。（瑞士银行的分析报告）,镉: 是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。镉和锌是同族元素，在自然界中镉常与锌、铅共生。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。镉被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积肝、肾中。其中，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。 其它脏器如脾、胰、甲状腺和毛发等也有一定量的蓄积。由于
26、镉损伤肾小管，病者出现糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特别具使骨骼的代谢受阻，造成骨质疏松、萎缩、变形等一系列症状。,碲化镉太阳能电池的2个误区,误区2：碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染，危害环境怎么办？太阳能级高纯碲化镉是由高纯碲和镉在高温密闭的惰性气体，还原性气体和真空 环境中反应得到的。反应容器为石英管，在这一反应过程中，通过回收清洗液中的碲和镉，回收使用过的碲化镉太阳能电池，可实现零排放。美国国家实验室做过碲化镉高温燃烧试验，温度为760-1100度，试验发现，在火灾发生时每100万千瓦，释放的镉总量极限为0.01克。目前的火力发电厂排放的镉大大高于碲化镉电池。生产一节镍镉
27、电池需用10克镉，而峰值功率100瓦的一平米太阳能电池，仅用7克镉。每产生一度电，镍镉电池需消耗3265毫克金属镉，而碲化镉太阳能电池仅需1.3毫克。二者相差2000倍。碲化镉不是单独的镉元素。碲化镉是稳定的。同镉在其他方面的应用相比，镉在碲化镉太阳能电池中的应用是最安全和环保的，目前还没有对环境有危害的报道。,碲化镉电池的政府支持,碲化镉太阳能电池技术以他特有的优势，得到了多国政府支持。美国政府支持，开放市场。多个发电厂。德国政府支持，欧盟奖。多个建设项目。中国政府支持，建立世界最大的电站。日本政府支持，曾经禁止，现在重建发电站。,First Solar,First Solar公司是世界领先
28、的太阳能光伏模块制造商之一，生产基地位于美国、马来西亚和德国等地。至2009年，公司产能已超过1千兆瓦峰值（GWp）。 与此同时，FirstSolar也是全球最重要的碲化镉(CdTe)薄膜光伏模块制造商。与传统的晶硅技术相比，使用碲化镉专利技术的太阳能发电量更大，并拥有更低廉的生产成本。FirstSolar在业内率先实现了每瓦成本低于一美元（85美分），并于2009年6月宣布：到2014年，公司会将每瓦的制造成本降至52-63美分 。,First Solar公司的历史经验,历史变迁哈纳德博士 1948 年代建立玻璃公司，研发生产钢化玻璃和弯曲玻璃（电视机用玻璃）。结果遇到50年代美国汽车工业迅
29、速发展，挖到第一桶金。69年成为世界第三大电视机和汽车玻璃生产商。哈纳德博士 1971年建立GT 玻璃技术公司专门做汽车钢化玻璃。哈纳德博士 1984年 建立 GT 太阳能公司生产薄膜太阳能电池。先做硅薄膜，后来放弃， 87年把GT玻璃公司卖了一亿美金，专心做碲化镉薄膜太阳能电池。由于几次濒临破产，99年 沃尔玛. 约翰沃顿投资4000万美金。改名First Solar 。2006年12月上市，2009年成为世界第一大薄膜太阳能电池生产商。,四方面因素帮助First Solar成功,1. 技术和人才积累虽然第一太阳能99年成立，但技术贮备从50年代就开始了，尝试过多种技术方法，还是玻璃制造业的
30、专家。2. 耐心的投资人沃顿于99年投入4000万美金。 和公司一起渡过头几年的艰难岁月。没有像普通风投3-5年必须套现，而是坚持开发和生产，公司于2006年12月上市。目前公司市值128亿美金（320倍回报） 。,3. 独特的开发思路公司开发的工艺和方法，适合于大规模量产。不求转化率最高，但求最有竞争力。先占领市场，再不断提高。工厂以快速复制为主。4. 坚持镉元素有毒，但碲化镉无毒。碲资源当时稀缺，但现在不稀缺，大部分企业没有信心。但First Solar坚持不断改进工艺，减低耗材，并创立产品用后回收制度。即让用户放心碲化镉的排放问题，又得到碲原料再利用的额外收益。,碲化镉薄膜太阳能电池产业
31、化的意义,减低碳排放，将低层次过剩产能改造成高效导电玻璃生产基地，为全世界的太阳能电池行业提供基材，利用中国独有的碲原料优势，成为世界碲化镉薄膜太阳能电池的领导者。为人类造福。开发符合发展我国具有独立自主知识产权的技术和标准，从而使我国碲化镉薄膜太阳电池产业快速步入世界先进行列。领导并建立中国国家行业标准，占领产业制高点。开发符合我国实际和现实需求的具有自主知识产权的成套工艺技术和关键设备制造技术，快速扩大市场。将我国的重金属污染的劣势转化为经济优势，解决矿山，电解厂，冶炼厂的废料回收和污染问题。,更低的成本,薄膜太阳能电池的未来,TJ Cost: - 40%,中国政府态度,First Solar将在内蒙古建设世界最大的2000 MW CdTe太阳能发电站（2009.11）,
