迎接太阳能光伏产业发展的新高潮_二_

第45卷第6期2008年11月真空VACUUMVol.45,No.6Nov.2008收稿日期：2008-04-27作者简介：董镛（1936-），男，辽宁省沈阳市人，教授级高工。迎接太阳能光伏产业发展的新高潮（二）董镛（沈阳真空技术研究所，辽宁沈阳110042）摘要：介绍百年来太阳能电池（光伏）发展历程与现状，结合国家《可再生能源中长期发展规划》及《可再生能源发展十一五规划》指明我国光伏产业发展的光明前景。分析晶体硅电池及薄膜电池产业链各个环节中的真空技术装备及存在问题，联系真空行业技术创新与企业运营现状，指出迅猛发展的光伏产业蕴涵巨大商机与空前的挑战。关键词：太阳能电池；晶体硅太阳能电池；薄膜太阳能电池中图分类号：TB43文献标识码：A文章编号：1002-0322（2008）06-0001-07Facingtheindustryhavingboundlessprospect:solarphotovoltaicenergysystemsDONGYong(ShenyangVacuumTechnologyInstitute,Shenyang110042,China)Abstract:Reviewstheone-centurydevelopmentofsolarphotovoltaicenergysystems,mainlythedifferenttypesofsolarcells,anddescribesthecurrentsituationoftheindustry.InviewofChina'sTheLong-termDevelopmentProgrammingofRegenerativeEnergyandTheProgrammingofDevelopingRegenerativeEnergyinthe11thFive-YearPlan,aconclusionisreasonedoutthatthesolarphotovaltaiceneryindustryhasaflourishingprospectforlonginChina.Thevacuumtechnology/equipmentappliedtoeachandeverylinkoftheindustrialchainsofbothcrystallinesiliconcellsandthinfilmsolarcellsisdiscussed,aswellastheexistingproblems.ItispointedoutthattheindustrywillcreateagoldenopportunityformarketingwithanunexpectedchallengetofaceinChina,consideringthevacuumtechnologyinnovationofrelevantbusinessesandtheiroperationperformanceatpresent.Keywords:solarcells;crystallinesiliconcells;thinfilmsolarcells(上接2008年第5期第5页）4晶体硅太阳能电池制备中的真空技术与商机起始于高纯多晶硅制备的光伏产业链如图9所示,其中硅锭/硅片是第2环节,第3环节晶硅电池制备的工艺步骤则示于图10。图9晶硅光伏产业链框图Fig.9Indusyrialchainofphotovaltaiccrystallinesiliconcells图10晶硅太阳能电池制备的主要工艺步骤Fig.10Maintechnologicalstepsinpreparationofcrystallinesiliconsolarcells绒面结构—通过化学腐蚀将切片时形成的损伤层去除，并在硅片表面制备金字塔型或其他形状的结构，称为绒面结构。这种结构具有良好的减反射效果，能更好地吸收和利用太阳光能。图11为晶体硅太阳能电池及绒面结构示意图。p-n结制备—在900℃左右通过气态、液态或固态磷扩散工艺制备。铝背场—为提高硅太阳能电池效率，在p-n真空VACUUM第45卷结制备完成后，往往在硅片的背面即背光面，沉积一层铝膜，制成P+层，称为铝背场。其作用是降低少数载流子在背面复合的概率，也可作为背面的金属电极。制备铝背场最简便的方法是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜，然后在800~1000℃热处理，使铝膜和硅合金化并内扩散，形成一层高铝浓度掺杂的，P+层，构成铝背场。图11晶体硅太阳能电池的结构Fig.11Constructionofcrystallinesiliconcells金属电极—利用丝网印刷技术在晶体硅太阳能电池的两面制备成梳齿状的金属电极。减反射层—绒面结构可减少硅片表面的阳光反射，增加电池对光能的吸收。此外，在硅片表面增加一层减反射层也是一种有效减少阳光反射的方法。减反射膜的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使两束反射光干涉相消，从而削弱反射，增加透射。研究表明具有单减反射层的硅片，其反射率可以降低到10％以下。而照射在平整的抛光硅片上阳光约有30%会被反射掉。在晶体硅太阳能电池工艺实践中，常用的减反射层材料有TiO2、SnO2、SiO2、SiNx、ITO和MgF2等，其厚度一般在60~100nm左右。化学气相沉积（CVD)、等离子化学气相沉积(PECVD)、喷涂热解、溅射、蒸发等技术，都可以用来沉积不同的减反射膜。SiNx是一种常用的晶体硅太阳能电池减反射膜。由于具有极好的光学性能（λ=632.8nm时，折射率在1.8~2.5之间）以及良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力而被广泛应用于半导体工艺中。在晶硅电池表面沉积氮化硅薄膜，还能对硅片产生氢钝化作用，明显改善硅太阳能电池的光电转换效率。与其他制备技术相比PECVD制备薄膜的工艺温度低（300~400℃）；可显著延长多晶硅中少数载流子的寿命；同时生产能耗低、沉积速度快，生产效率高；所得氮化硅薄膜均匀、密度缺陷少、质量好。因此自上世纪90年代以来，氮化硅薄膜成为晶体硅太阳能电池减反射膜研发和应用（特别是在铸造多晶硅电池上）的重点。最近几年在生产上应用这些成果成为光伏行业的热点，采用PECVD装置制备SiN减反射膜已成为大多数太阳能电池生产线的标准配置。图12给出一种微波PECVD的工作原理图[4]。图13显示了一种新型半连续SiN生产线的示意图。图12由硅烷/氨等离子体制备SiN薄膜的生产装置Fig.12EquipmentforproductionofSiNthinfilmswithsilicane/ammoniaplasmapreparation图13SiN半连续生产线示意图Fig.13Schematicofsemi-continuouslineforSiNfilms该装置采用模块结构，由进口锁室、镀膜室、出口锁室三个主室组成，各室之间有气动闸伐隔断，进口锁室内设红外灯点阵可迅速将硅片预热至350~400℃，镀膜室内有三个功能区：恒温区（将硅片温度稳定在设定值）；镀膜区；冷却区（使料车及硅片降温）。镀膜室内依产量要求设2~6个完全相同的线性离子源，其微波频率为2.45GHz;工作真空度为5~50Pa;工艺气体为硅烷(SH4)及氨(NH3);硅片放置在由碳纤维制成平板型料车上,匀速经过遥控离子源的放电区(二者相距几厘米)。膜层厚度：70~80nm（适于多数太阳能电池材料）膜厚均匀性:≤+/-3%膜层折射率：2.0~2.1单硅片误差:+/-2.5%装置可靠性:经3年生产实践考验,按月计开工率在90%~95%,微波离子源的高可靠性可确保装置不间断地连续工作70h,维护周期约3~4h用于清理镀膜室及更换消耗件。表2列出了SiNA系统的主要技术规格及参数。这套装置在设计理念上的一个重要特点是其高度的灵活性:既可适应不同形状、不同尺寸的硅片又为今后的技术进步、升级改造留有余地。2··第6期董镛：迎接太阳能光伏产业发展的新高潮（二）表2SiNA系列镀膜机的生产能力Table2ProductivecapacitiesofSiNA-seriesfilmcoaters在世界光伏市场的强力拉动下,自2002年以来我国太阳能电池产业一直保持着快速增长势头，尽管受到上游原材料供给的制约，近年来仍然不断有新企业加入到光伏产业的队伍中来。据统计，截至2007年底，国内从事太阳能电池生产的企业已达50余家，按在位设备计算，太阳能电池的再生产能力达到2900MW(其中非晶硅薄膜电池约100MW)图14绘出了这种快速增长的情况。2006年我国太阳能电池产量为438MW；2007年为1088MW分别比上一年增长201%和148.1%，显示出最近两年太阳能电池持续快速增长的强劲势头。强劲地增长意味着对装备的强劲需求。据初步了解，目前国内能生产SiN-PECVD设备的厂商电子行业与真空行业合计不过5~6家，远远不能满足未来几年整个光伏产业，特别是前文提及的上游产业链（硅锭、硅片）骤增所带来的巨大的扩产需求。图14我国太能电池增长情况Fig.14GrowthofsolarcellsinChina5薄膜太阳能电池制备中的真空技术与商机晶硅材料制备中的高能耗以及近期市场供应的短缺,推动了薄膜太阳能电池的快速发展，2007年全球薄膜太阳能电池产量350MW,占当年全球太阳能电池总产量的8.75%,约为2001年的10倍。与晶体硅太阳能电池相比薄膜太阳能电池具有下列优点：(1)硅材料太阳能光电转换的理论效率相对较低,因此在制备晶体硅太阳能电池时，硅片的厚度须在150~200μm以上，才能有效地吸收太阳能；相比之下，薄膜太阳能电池用半导体薄膜材料作为光吸收层厚度只有1~10μm，即使是硅基薄膜电池其用硅量也不足1%；硅材料成本约占晶体硅太阳能电池总成本的70%,大幅度地降低用硅量即等于大幅度降低太阳能电池成本,据测算建设同等功率的光伏系统非晶硅系统的成本仅为晶体硅系统的40%;(2)晶体硅材料需要经过多次提纯，能耗较大成本高，薄膜厚度只需1μm左右，光生载流子的扩散长度只要达到几个微米即可，因此对材料纯度和晶体缺陷的要求大大降低；(3)半导体薄膜材料的光吸收效率高,非晶硅薄膜在弱光下的性能要优于晶体硅,相同条件下前者的发电量要比晶体硅高12%~15%;(4)晶体硅太阳能电池的尺寸相对较小，若组成光伏系统，需用数十个相同的硅太阳能电池连接起来，致使系统的成本较高。薄膜太阳能电池制备采用低温工艺技术，不仅利于降低能耗，而且便于采用廉价衬底(如玻璃、不锈钢带、塑料薄膜等)实现大面积的工业化生产；(5)薄膜电池的材料制备和电池同时形成，节省了大量中间工序利于进一步降低电池成本;(6)非晶硅薄膜电池高温环境下功率衰减小,仅为晶体硅衰减度的10%;目前已进入市场的薄膜电池主要有硅基薄膜电池:非晶硅(a-Si)电池、微晶硅（μc-Si）电池及微非迭层（a-Si/μc-Si）电池；已进入市场的另外两种薄膜电池是：铜铟镓（CIGS）薄膜电池和碲化镉（CdTe）薄膜电池。近年来非晶硅太阳能电池的单条生产线规模已经达到20~40MW，产品的稳定效率达到5%~7%[5]。图15给出了2007年国际市场上各类薄膜电池的市场份额。图15各种薄膜电池的市场份额Fig.15Markatshareofdifferentthin-filmsolarcells5.1a-Si系薄膜太阳能电池[6]非晶硅薄膜太阳能电池最早由美国RCA实验室在1976年开发成功，是目前应用最广泛、技型号硅片尺寸(mm)名义产量(w/h)料车容量(片/车)总镀膜面积(mm2/车)离子源数循环周期(s)SiNAXS150(156)360~4509480×5252~372~90SiNAS150(156)60020850×725212020036012850×7252120SiNAM150(156)80020850×72539020048012850×725390SiNAL150(156)1250