太阳能电池材料

太阳能电池材料的研究进展太阳能电池材料的研究进展其6%2%17%75%其煤石油天然气其他中国10%24%40%26%石油煤天然气其他世界中国和世界的能源结构能源枯竭石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。中华人民共和国国家发展和改革委员会《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》中华人民共和国国家发展和改革委员会《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点能源枯竭的威胁可能来的更早人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早能源供需缺口将越来越大2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺25％以上过度依赖煤炭，环境影响更加严重煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70％，66％的城市大气颗粒物的含量和22％的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中90％的二氧化硫和70％的烟尘来自于燃煤煤废料的处理仍是问题煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素石油短缺，对外依存度加大1993年我国成为石油净进口国，2001年进口依存度已经达到34％，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到2020年将达到50％。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。可再生能源：风能；水能；地热；潮汐；太阳能等洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类一年的能量需求使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择日本----93年实施“新阳光计划”，涵盖74年的“阳光计划”、78年的“月光计划”和89年的“地球环境技术开发计划”；97年宣布7万太阳能光伏屋顶计划，计划到2010年安装7600MWp太阳能电池日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50%以上。英、荷、日、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，其出口额占世界的贸易额的80%以上。美国----提出了逐步提高绿色电力的发展计划。主要是通过风力发电、光伏发电、生物质能源发电等来达到目标，其中太阳光伏发电预计到2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右，累计安装量达到36GW，保持美国在光伏发电技术开发、制造水平的世界领先地位。美国百万屋顶计划的内容与目标太阳能电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。办公楼与玻璃幕墙一体化的PV太阳能屋顶系统无机太阳能电池光生伏特效应光子入射：造成跃迁产生空穴－电子对。电荷运动的势垒：p-n结区内形成的内建电场。阻碍电子从n区向p区运动，空穴从p区向n区运动。光电池：空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。太阳能电池结构示意图转换效率（h)＝入射在电池表面的阳光的功率负载中消耗的功率太阳能电池材料主要材料半导体表面涂层电极封装单晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有机半导体金属氧化物、导电聚合物金属导体玻璃、有机玻璃对材料的基本要求①能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽；②有较高的光电转换效率；③材料本身对环境不造成污染；④材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济名称禁带宽度(eV)转换效率应用实况单晶硅1.1224.4用于空间及地面太阳电池多晶硅1.1218与单晶硅占市场70~80%非晶硅1.5~2.013占市场10~20%消费电子,能源复合型17.3已商业化CdTe1.4415与CdS结合构成的太阳电池已商业化CuInSe21.0417探索大面积应用批量生产技术GaAs1.4237.4已开始用于空间太阳电池InP1.3519.1耐辐射性能优异,处于研究开发阶段无机太阳能电池的性能及应用硅材料工业硅（又称：结晶硅或金属硅）半导体用硅材料含硅化合物（SiHCl3,SiH4）太阳能用硅材料半导体用多晶硅太阳能用多晶硅（又称：高纯硅或超纯硅）(Solargradesilicon)单晶硅锭单晶硅锭多晶硅锭各种硅片单晶硅片多晶硅片各种半导体器件单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池各种太阳能电池的市场份额2004年太阳能电池产量1,194.7MW，增长60.6%，其中：产量比例%增长%mc-Si669.1556.046.8sc-Si343.4528.771.3a-Si64.605.449.2a-Si/scSi60.005.0100Ribbon41.003.4502.9CdTe13.001.1333.3CIS3.00.3-25.0太阳能用硅材料的生产工艺1-1单晶锭1-1-1CZ法1-1-2FZ法1-2多晶锭1-2-1铸造多晶硅1-2-1EMC多晶硅1-3非晶硅太阳能用硅材料的生产工艺CZ法来源：CGS太阳能用硅材料的生产工艺CZ法1熔化2稳定3引晶4缩径5放肩6等径来源：CGS太阳能用硅材料的生产工艺FZ法FZ来源：CGS太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注法由于铸锭中采用低成本的坩埚及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷坩埚通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。目前该工艺已铸出截面为220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。我国可生产出220mmX220mmX140mm的硅锭。太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注设备HEMDSS太阳能用硅材料的生产工艺方法比较MethodWidth（cm）Weight(kg)GrowthRate(mm/min)GrowthRate(kg/h)Throughput(m2/day)EnergyUse(kWh/kg)EnergyUse(kWh/m2)Efficiency(Typical,best)FZ15502-4480303618,24CZ15500.6-1.21.53018-4021-4815,20DS(定向结晶)692400.1-0.63.5708-159-1714,18EMC(电磁铸造)354001.5-230600123514,16太阳能用硅材料的生产工艺硅片切割常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3一0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在（1）在新建硅圆片加工生产线上，规模在年产量达50吨以上硅单晶加工生产线，并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时，切割设备选型可定位在线切割机上，同时大规模、单一硅圆片品种（主要指圆片的厚度规格品种）的太阳能级圆片加工，切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少，直接关系到线切割机排线导轮备件的多少。该排线导轮目前国内无法配套，国外供应商配套，价格较高。频繁更换排线导轮增加了辅助时间，还会增加线丝的浪费。（2）生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。兰州瑞德集团X07150-1型多线锯切割机上海日进下压式NWS6X2多线钢丝切割机下压式NWS6X2多线钢丝切割机可同时并列切割二支Φ6×9（φ152mm×230mm）硅晶棒，切割晶片最薄厚度为0.2mm。技术进展直径变化技术进展薄片技术技术进展带硅用硅量是常规工艺的½无须切片成本下降30%R&D同时拉制2条或4条带硅厚度＜150µm太阳能电池的分类晶体硅太阳能电池的发展趋势mc-Si比例总体上升趋势，但04年有所下降，从03年的61.3%下降至56%；sc-Si比例止住了下降趋势，由03年的26.9%上升至28.7%。而且同比增长（71%），超过mc-Si（46.8%）。如果包括a-Si/scSi，则比例达到32.1%,同比增长75%。Ribbon比例由03年的0.9%,提高至3.4%，同比增长502.9%；晶体硅（包括mc-Si,sc-Si,a-Si/scSi和Ribbon）的比例近4年来变化不大，在91.1%—93.1%之间；2001-2004各种太阳能电池比例的变化01020304050607001020304年sc-Sia-Si/sc-Simc-SiRibbon其他0%20%40%60%80%100%1234其他Ribbonmc-Sia-Si/sc-Sisc-Si国内太阳能电池用硅材料现状硅单晶产量0200400600800100012001400160018002000200120022003200420052004年单晶硅产量（吨）单晶总产量1700太阳能单晶产量1200太阳能单晶生产能力2000近年来我国硅单晶产量注：单晶硅产量及生产能力估算见附件1国内现状趋势及分析和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生产有一定基础；技术门槛低。国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是：1硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能力严重不配套。企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材料处于起步阶段。2产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。作为一个企业其价值链的长短虽然重要，但要根据企业的具体财力、技术能力和管理能力而定。而作为国家则必须考虑。国内太阳能硅片加工环节十分薄弱除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外，太阳能单晶生产企业中只有晶龙有少量多线切割能力专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有限公司。切割能力约为1000万片/年保定英利新能源有限公司6浙江精功光电有限公司2我国多晶硅片生产能力（MW）保定英利新能源有限公司垂直集成型，目前公司具有6MW多晶硅片、10MW电池片、50MW电池组件的生产能力。二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW，将新增DSS多晶硅铸锭机20台,破锭机3台,多线切割机5台。浙江精功光电有限公司（前身为浙江中意太阳能有限公司）原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE合资企业，多晶硅片生产能力2MW。有扩大生产规模至20MW的计划。在建和筹建的多晶锭、片企业精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）精功集团