太阳电池的发展现状

硅基太阳电池的发展现状与趋势魏光普上海大学材料科学与工程学院教授上海新能源行业协会学术专家委员会主任上海太阳能学会光电专业委员会主任2010年10月14日目录•名词解释•世界光伏产业发展情况•中国光伏产业发展情况•一些硅基光伏电池的发展趋势硅基太阳电池硅基太阳电池是指以硅为基本原料制造的太阳电池，其中包括:1、单晶硅太阳电池；2、多晶硅太阳电池；3、冶金硅（UMG-Si）太阳电池。4、非晶硅薄膜太阳电池；5、非晶/微晶硅叠层电池；6、多晶硅薄膜太阳电池；晶体与非晶体1、晶体是由原子、离子或分子在三维空间作周期性的重复排列构成的，具有固定的熔点、各向异性、容易解理等特点。2、如果整个晶体中，原子排列的方向都是相同的，则称为单晶体。3、如果一个晶体中包含很多个原子排列方向不同的晶体，则称为多晶体。4、如果一个固体中，原子、离子或分子在三维空间的排列是不规则的，则称为是非晶体。5、微晶体是介于晶体与非晶体之间的固体，其中包含很多微米量级的小晶体，而在小晶体之间是原子排列不规则的非晶体。晶体的纯度表示1、半导体性质对其纯度非常敏感，所以对纯度要求非常高。硅太阳电池对硅的纯度要求是99.9999%以上,称为6个“9”或6N，这里N表示“9”，因为N是英文9（nine）的第一个字母。制造集成电路的半导体级硅的纯度要求在11个“9”或11N。2、1立方厘米的硅晶体中大约有5X1022个原子。世界太阳电池产业发展情况•2009年全球太阳电池产业持续快速发展。经过金融危机的洗礼，光伏发电产业前景愈显光明，其战略地位愈显突出和重要。•2009年全球太阳电池产量10700兆瓦，中国大陆地区产量为4011兆瓦,台湾地区的产量为1180兆瓦,两岸共计约5200兆瓦，占世界产量的48.7％，居世界首位世界光伏发电发展趋势光伏产业持续高速发展2002－2009世界太阳电池产量的增加情况72009年是世界各地区和国家太阳电池产量市场分额◆最近10年平均年增长率为48.5%（至2009），◆最近5年平均年增长率为55.2%（至2009），◆2009年世界太阳电池产量达到约10.66GWp，比上年增长35％。9排序公司名称电池产量，MWp1Firstsolar10192Suntech(尚德)7043Sharp(夏普)5954Q-Cells5375Yingli(英利)5256JASolar(京澳)5097Kycera(京瓷)4008TrinaSolar(天合)3999SunPower39810Gintech(昱晶能源)36811Motech(茂迪)36012ATS(阿特斯)32613Sanyo(三洋)26014NingboSolar(宁波)26015E-TonSolar(益通光能)2252009年世界太阳电池产量前15名排序2009年各种太阳电池的产量全世界太阳电池年产量的增长速率（单位：兆瓦）020004000600080001000012000199820002002200420062008各种太阳电池的世界最高效率的历年变化情况2009年世界太阳电池安装情况2009年全球太阳电池安装量又创新高，达到7200MＷ，比2008年涨６％以上。欧洲市场安装量达5605MW，占全球安装量的77%，其中德国、意大利与捷克共和国三者安装了4070MW，占欧洲市场的63%。2009年全球和欧洲太阳电池新增安装情况德国仍为第一大市场德国仍为第一大市场，2009年安装了3005MW；意大利为第二大市场，安装量为711MW；日本为第三大市场，安装了485MW。美国477MW。2000年－2009年全球光伏累计安装情况汇总表(来源EPIA,单位MW)全球光伏产业的经济和社会效益•据统计，２００９年全球太阳能行业销售额达到３８０亿美金。•据统计，2009年组件价格比2008年下降38%。•解决了30万人的就业问题。太阳电池价格与生产规模的关系曲线(图中横轴表示生产规模(兆瓦),纵轴代表每瓦的欧元价格)十大企业的产量占全球总产量的60%•2009年全球太阳电池工厂按照产量排名的前十大企业的产量总共约5595兆瓦，占全球总产量的60%左右。•美国FirstSolar公司大力发展碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池，总产量达到1019兆瓦，成为全球第一大太阳电池生产企业。每瓦的生产成本已经降低到0.69美元。2010年生产形势估计2010年1月至8月生产形势很好，估计下半年生产形势也会比较好，全球太阳电池总产量估计可达到13000~15000兆瓦(13~15GW）。中国总产量可能突破5500兆瓦。2010年太阳能光伏发电成本下降趋势2121（资料来源：PhotonConsulting）4。2010年太阳能光伏发电成本下降趋势中国大陆太阳电池的产量居世界第一•2007年中国大陆太阳电池的产量跃居世界第一，单片电池的产量达到1088兆瓦，太阳电池组件的产量达到了1717兆瓦。•2008年中国大陆太阳电池产量达到2500兆瓦，占世界总产量的三分之一以上。•2009年虽然受到世界经济危机的影响，但中国大陆太阳电池的总产量比2008年仍然增加60%以上，达到了4000余兆瓦。•2010年形势仍然很好，形成了有远大前景的阳光产业。中国太阳电池年产量的增长情况（单位：兆瓦）05001000150020002500300035004000199820002002200420062008我国太阳电池的产能情况1、2009年我国太阳太阳电池的产量达到4000兆瓦，产能估计已经超过5000兆瓦。2、但太阳电池的发电成本仍然太高（是火力发电的3-4倍），国内应用很少，2009年安装150兆瓦，累计安装只有300兆瓦。所以我国太阳电池产品90%以上依靠出口,产业不很稳定。遇到国外经济危机或对光伏发电的补贴减少时,太阳电池的出口大减，产业就受影响。3、如果没有大的国际市场，我国太阳电池产业的产能实际上已经过剩。开发国内市场非常重要2009年3月财政部会同建设部颁布《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》及《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》的通知，对装机容量大于50千瓦的光伏建筑系统，给予每瓦20元左右的一次性补贴。2009年7月21日，财政部、科技部与国家能源局正式启动《金太阳工程》，决定在2至3年内以财政补贴的方式支持不少于500兆瓦的光伏发电项目。这些政策的实施大大促进了我国的光伏产业。多晶硅在太阳能光伏中的地位硅基太阳电池的三大特点虽然碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池近几年有很快的发展，但硅基太阳电池由于资源丰富、环境友好、技术成熟，今后将仍然在太阳电池生产中占主导地位。1、资源丰富：硅在地壳中的丰度为27%；2、环境友好：硅无毒性；3、技术成熟：硅材料与器件制备已经有50余年历史。一、单晶硅太阳电池1、经过多年的努力，工艺条件大大改善，多晶硅原料的数量和质量也有了保证，因此单晶硅太阳电池的光电转换效率近几年大有提高，规模生产效率可达到16%~19%。2、目前正在利用HIT、选择发射极、钝化发射极等方法继续提高效率，再过几年有希望达到18%~22%的高效率。单晶硅太阳电池3、制造单晶硅太阳电池能量消耗大、成本高，与铸造多晶硅太阳电池相比，价格比较高，所以市场份额正在缩小，将来主要适合于高端市场。二、多晶硅太阳电池1、多晶硅太阳电池用铸造方法生产硅锭，硅片面积大，因此制造太阳电池能量消耗少，成本低，而且大规模生产的电池的光电转换效率效也已经达到13%~17%。2、等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术制作SiNx减反射膜的发展，大大减少了多晶硅的晶界复合和表面复合，使多晶硅太阳电池的效率与单晶硅太阳电池的效率逐步接近，将来通过工艺改进，效率也有希望达到17%~20%，有可能成为太阳电池的主流产品。多晶硅太阳电池3、多晶硅太阳电池的绒面制造技术仍然不够成熟。4、多晶硅太阳电池虽然单片效率比单晶硅电池低，但它的面积（156X156mm2）大，而且是正方形，构成组件时没有缝隙，组件效率相对变高。三、高纯度冶金硅太阳电池1、高纯度冶金硅（UMG(upgrademetallurgicalgrade)硅)是采用物理冶金法制备的太阳级硅材料，就是利用酸洗、吹气、造渣、真空蒸发、等离子轰击、电子束轰击、杂质分凝等物理方法提纯和制备的硅材料；2、纯度也可达到6个“9”左右；3、与西门子方法等化学方法相比，这种硅材料的制备方法能源消耗和成本都大大降低，大约是化学方法的二分之一。高纯度冶金硅太阳电池4、利用冶金硅已经可以制造出初始效率在16%以上的太阳电池。宁夏发电集团和上海普罗公司合作已经利用这种太阳电池在宁夏太阳山建造了十兆瓦级的试验光伏电站，并网发电的情况很好，进入了实用阶段。（每兆瓦一天可发电6000~8000千瓦时）。5、冶金硅太阳电池与高纯硅太阳电池相比可能有光致衰减效应大，漏电流大等缺点。6、有的单位已经可以制造出质量很好的冶金级硅，但总的说技术发展还不非常成熟，正在进一步改进。四、非晶硅太阳电池1、非晶硅太阳电池由于制造时材料消耗少、能源消耗少、价格比较便宜，外观非常漂亮，弱光响应好，所以适宜用作幕墙玻璃；2、非晶硅的禁带宽度大（1.7~1.8eV）,波长大于700纳米以上的阳光不能利用（不能产生本征激发，不能产生电子空穴对），所以非晶硅太阳电池的光电转换效率不可能很高；非晶硅太阳电池的光谱响应（敏感度与波长（单位为微米）的关系）3、现在有些非晶硅太阳电池工厂的产品的效率只有5%~9%。在目前多晶硅材料和晶体硅太阳电池价格大幅度下降的情况下，缺少竞争力。必须设法改善设备与工艺，使效率提高到10%以上。国际上，已经有些工厂的非晶硅太阳电池的规模生产效率达到10%以上。4、非晶硅太阳电池具有光致衰减效应。五、非晶硅（a-Si）/微晶硅（μc-Si）叠层太阳电池1、非晶硅的禁带宽度大（1.7~1.8eV）,对波长大于700纳米以上的阳光不能利用，而微晶硅的禁带宽度为1.2~1.3eV左右，对700纳米至1100纳米左右的光能仍然可以利用。所以制作非晶/微晶硅叠层太阳电池可以提高太阳光能的利用率，也就提高了太阳电池效率。现在这种太阳电池的实验室效率已经可以达到15%（面积1平方厘米），是硅基薄膜太阳电池的发展方向之一。2、目前要解决的问题是微晶硅的沉积速度比较低的问题。六、多晶硅薄膜太阳电池1、只要多晶硅薄膜的厚度大于30微米，就可以吸收绝大部分太阳光的能量，制造出有足够效率的太阳电池。现在已经可以制造出效率大于16%的多晶硅薄膜太阳电池。2、大规模生产的方法和工艺尚不成熟。利用各种禁带宽度不同的材料，制造多层薄膜叠层太阳电池，有希望达到50%左右的高光电转换效率。谢谢！