薄膜太阳能最新发展趋势

1薄膜太阳电池发展趋势TheCurrentTechnologyandFutureTrendsofThinFilmSolarCells李云博士(Dr.YunLi)2010年10月31日2提纲（Outline）1.引言(Introduction)2.薄膜太阳电池(ThinfilmPVcell)硅基薄膜电池(Si-basedthinfilmPVcell)化合物半导体薄膜电池(CompoundthinfilmPVcell)染料敏化TiO2电池(DyesensitizedPVcell)有机电池(OrganicthinfilmPVcell)3.薄膜太阳能电池的发展趋势(Futuretrends)3发展光伏产业的历史机遇-必要性伏产业的历史机遇–必要性能源：人类发展的根本需求保护地球环境、维护全球气候稳定-刻不容缓世界和平近年原油价格趋势图42050年，全球每年共需约800兆兆兆焦耳再生能源，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可再生能源。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目前年使用量实际潜力理论潜力水电950147生物能源502762000太阳能0.115753900000风能0.126406000单位：兆兆兆焦耳。目前全球能源年总需求约为400兆兆兆焦耳。太阳能:唯一的兆兆瓦量级再生能源5发展光伏产业的历史机遇-巨大规模2050年，太阳能在能源结构中将占到25%以上总产值将达到100万亿元（人民币）6光伏电池在中国4个火力发电机组就可达2.4GW三峡26台发电机组，总发电功率20GW•2010年中国发电装机容量将达到580GW左右，其中火电380GW•光伏发电每度电平均成本为2元人民币，水电及煤电每度却只需要0.2元~0.3元。•两头在外，污染严重2009年世界2009年中国首次突破10GW光伏电池产量4.3GW产能过剩论7晶体硅技术多晶硅目前晶体硅光伏电池占整个光伏市场份额约85%光伏电池的分类薄膜技术有机薄膜染料敏化非晶硅碲化镉铜铟镓硒非晶单节非晶微晶叠层非晶锗硅叠层新型概念单晶硅薄膜光伏电池发展迅猛停留在研究室阶段8多晶硅太阳电池环境污染大,副产品——四氯化硅是高毒物质用改良西门子法生产多晶硅，目前国外领先企业的综合电耗在150千瓦时/千克以下，而我国部分企业由于工艺水平相对落后，综合电耗达到200-300千瓦时/千克。“38号文”提出：“到2011年前，淘汰综合电耗大于200千瓦时/千克的多晶硅产能。太阳能级多晶硅还原电耗小于60千瓦时/千克”(美元/公斤）我国多晶硅产能超过3万吨,2009年9月国务院发布了“国发[2009]38号文件(以下简称“38号文”)风电设备、多晶硅等新兴产业则被定性为“出现了重复建设倾向”9硅材料硅片光伏电池片光伏电池组件原材料生产薄膜电池组件•晶体硅制造过程中能耗较高，排放较大•薄膜电池产业链较短，用材少，能耗低、无排放，制造成本很低薄膜电池的前景-薄膜与晶硅电池产业链比较晶硅电池薄膜电池10薄膜电池的前景-更早达到电网等价点的技术高效薄膜太阳能技术将提供更低的发电成本，早于晶体硅达到电网等价点，从而掀起光伏发电的革命11转化效率，非晶为5-6%，非晶微晶为8.5%-10%在产品商业化方面，是最成熟的技术没有原材料供应的发展瓶颈，主要原料为玻璃和硅烷气体具有最成熟、最具规模化的生产设备量产转换率10%镉具有毒性一些主流市场较难进入（屋顶系统）碲产量较少，将会成为瓶颈没有工业化的生产设备量产转化效率10%以上需要突破一些关键技术才能达到批量生产水平铟的短缺可能会成为该技术发展的瓶颈不具备成形的大规模生产设备硅基薄膜碲化镉铜铟镓硒三种主要薄膜电池技术的比较12a-Si是Si-H(约10％)的一种合金。1976年－RCA实验室－D.Carlson和C.Wronski，最初的效率小于1%非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池资源丰富，环境安全直接能带，光的吸收系数高，活性层只需要1m厚，省材料沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等电池/组件一次完成，生产程序简单开路电压高，1.5-2.0eV,可调可透光，容易和建筑结合,BIPV衬底可以是柔性材料效率低，同等功率面积大不稳定－光衰减(S-W效应)设备昂贵，建厂成本高优点缺点13非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池（续）已发展到第四代非晶硅/微晶硅双结叠层电池全国有六十多家已经/正在上马国产设备会大幅降低成本•不同层有不同的能带宽度•吸收不同波段的太阳光•提高了效率•双结还有助于提高光稳定性14非晶/微晶硅薄膜电池在玻璃基板上真空镀膜而成叠层薄膜电池共有20层不同材料组成，总厚度为0.002mm，仅是晶硅电池1%厚度薄膜电池可以根据用户需求调节透光率，符合光伏建筑一体化的需要15薄膜电池工艺链16第一太阳能碲化镉电池2009年9月8日，美国FirstSolar公司(简称第一太阳能)宣布将在中国内蒙古建设一座拥有2千兆瓦发电能力的光伏发电厂。占地64平方公里，项目投资额高达数十亿美元。目前公布的最新成本是每瓦85美分,是行业中最低的。目标是在2014年的时候将每瓦成本降低到52美分-63美分左右。薄膜太阳能光伏板能源转换效率目前11.1%成功经验：•长期的经验积累，30年的光伏历史•自己直接生产设备•为了成本不惜牺牲部分效率其他82%第一太阳能18%蒸汽转移沉积法（VaporTransportDeposition）•成膜速度低•材料利用率低2009年第一太阳能用了世界的~50%的碲化镉，生产规模1GW17其他碲化镉电池公司理论效率可达24%，还有潜力可挖掘公司、科研部门成本效率生产规模说明南佛罗里达大学Chu教授15%，小面积，1992重要里程碑NREL美国新能源实验室16.5%，小面积最高效率AboundSolar$1Watt12-13%200+MW$104MPrimeStarSolar$215%，小面积，10%，大面积N/A通用，2008四川大学7%，大面积，13.3%，小面积四川阿波罗5MW试产，500MW奠基2010年1月Xunlight$210.5%，大面积，柔软基底2MW$22.3M18Nanosolar电池公司•用纳米颗粒制成墨水，然后用印刷的方法沉积在柔性材料上，实现了大规模的生产•2009年9月640MW工厂在德国竣工，但目前实际产能自由10-20MW，速度可调•效率高达16.4%在最好的电池，平均大于11%2007年绿色技术产品最佳科技成果19铜铟镓硒CIGS电池20一种光电化学电池。1991年瑞士Grätzel将染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到11％.染料敏化光伏电池（Dyesensitizedcell)价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率但稳定性差，大规模制造工艺不成熟，效率低21目前大多处于实验室阶段，尚不具备大规模商业化条件，但未来发展空间很大。Konarka有机光伏电池（OPV）公司国家效率目前Konarka美国，AlanHeeger6.4%，大面积生产Solarmer美国，YangYang7.9%，小面积实验室阶段Heliatek德国7.7%，1.1cm2实验室阶段Plextronics美国5.98%，小面积提供有机墨Heliatek22太阳能近期中国发展趋势单晶多晶硅未来几年仍是主流，大批企业会被整合下马非晶硅国产化会大幅度降低成本，会大幅抢占份额化合物半导体薄膜技术垄断性强，引进成本高，材料限制多，不会在短期形成气候染料敏化TiO2电池稳定性差，工艺不成熟有机电池效率低，工艺不成熟23化合物半导体薄膜电池砷化镓GaAs碲化镉CdTe铜铟镓硒CIGS材料II-VI族化合物Eg~1.5eVII-VI族化合物Eg＝1.45eVⅠ-Ⅲ-Ⅵ族化合物Eg＝1.04-1.67eV成膜方法分子束外延近空间升华,电沉积，溅射，真空蒸发，丝网印刷真空蒸发,溅射，纳米效率50%实验室效率16.4%商业化效率8～11%实验室效率~20%商业化效率8～10%领先公司Spectrolab,NRELFirstSolar,PrimestarNanoSolar，Wuerth,Surlfurcell，GlobalSolarEnergy,NREL,AscentSolar应用空间，地面聚光式地面电站，BIPV地面电站，BIPV价格膜成本极高，地面聚光式低于1美元/峰瓦成本目标低于1美元/峰瓦成本目标优点效率极高生产成本低、使用寿命长电池稳定性好,弱光特性好,可淀积在柔性衬底上问题成本高镉的毒性，回收，碲天然藏量有限技术复杂，吸收层不易控制，铟的储量,缓冲层CdS的毒性