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成本优势凸显 薄膜太阳能电池产业提速

2008-01-19 10:07
安娜PARKER
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     随着全球光伏产业的迅猛发展,非晶硅薄膜太阳能电池市场前景看好,技术日臻成熟,光电转换效率和稳定性不断提高。据预测,到2030年,薄膜太阳能电池将占整体太阳能电池份额的30%以上。

    基于晶体硅(单晶硅和多晶硅)的太阳能电池由于发展历史较早且技术比较成熟,在装机容量一直占据领先地位。尽管技术进步和市场扩大使其成本不断下降,但由于材料和工艺的限制,晶体硅太阳能电池进一步降低成本的空间相当有限,很难达到光伏科学家和能源专家在上世纪80年代初预测的光伏发电与柴油发电竞争的临界点―――太阳能电池的成本1美元/瓦。因此第一代太阳能电池很难承担太阳能光伏发电大比例进入人类能源结构并成为基础能源的组成部分的历史使命,薄膜太阳能电池益发得到世界各国的重视。

    薄膜太阳能电池浮出水面

    上世纪70年代的能源危机,使各国更加重视寻找可替代能源,这为薄膜太阳能电池的开发奠定了基础。最早开发的主要是非晶硅薄膜电池,但非晶硅薄膜电池转换效率低,一般只有5%-8%,并且氢化非晶硅还有光致衰退问题,但是由于其制造工艺简单、成本低、不需要高温过程、衬底选择余地大、适于大面积生产等特点,在上世纪80代中后期,非晶硅太阳能电池产量份额曾一度达到20%。但由于其受本征及非本征衰减大等问题累加的困扰,加之市场规模很小,发展受到限制。科学家们开始研究开发转换效率高的化合物薄膜电池,一般在10%以上,甚至达到20%,但因成本高、部分元素有污染等问题,使推广受到限制。多晶硅薄膜电池效率达到15%以上,但由于工艺复杂等,大面积电池尚存在诸多问题。

    基于非晶硅及多晶化合物半导体(包括纳米氧化钛染料及多晶硅薄膜)的薄膜太阳能电池的市场份额虽然现在占整个光伏市场的不足20%,但随着非晶硅太阳能电池的衰减降低、CIGS和CdTe太阳能电池制造技术的突破,薄膜太阳能电池更具备竞争性。

    围绕薄膜太阳能电池研究的热点是,开发高效、低成本、长寿命的光伏太阳能电池。它们应具有如下特征:低成本、高效、长寿命、材料来源丰富、无毒,科学家们比较看好非晶硅薄膜太阳能电池。

    非晶硅成薄膜太阳能电池主流

    目前,较成熟且已经大批量生产的薄膜太阳能电池是基于非晶硅系的薄膜太阳能电池,具有以下突出优点:高温下的光伏输出特性好,比晶体硅太阳能电池有更大的实际功率输出,环境友好,更少的能量偿还时间。

    薄膜太阳能电池还有一个重要优点是适合作与建筑结合的光伏发电组件(BIPV):双层玻璃封装刚性的薄膜太阳能电池组件,可以根据需要,制作成不同的透光率,可以部分代替玻璃幕墙,而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。一方面它具有漂亮的外观,能够发电;另一方面,用于薄膜太阳能电池的透明导电薄膜(TCO)又能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失,双层玻璃中间的PVB或EVA,能够有效隔断能量的传导,起到LOW-E玻璃的功能。由于城市用地的稀缺性,大规模占用耕地建设地面太阳能光伏发电站几乎不可能,但是,城市大量的既有和待开发的建筑外立面和屋顶面积,是城市利用光伏发电最好的平台:它们避免了现有玻璃幕墙的光污染问题,又能代替建材,同时发电又节能,将成为未来城市利用光伏发电的主要方向。

    目前占最大份额的薄膜太阳能电池是非晶硅太阳能电池,通常为pin结构电池,窗口层为掺硼的P型非晶硅,接着沉积一层未掺杂的i层,再沉积一层掺磷的N型非晶硅,并镀电极。

    非晶硅电池一般采用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition―――等离子增强型化学气相沉积)方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成的。此种制作工艺,可以在生产中连续在多个真空沉积室完成,以实现大批量生产。由于沉积分解温度低,可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜,易于大面积化生产,成本较低。在玻璃衬底上制备的非晶硅基太阳能电池的结构为:Glass/TCO/p-a-SiC:H/i-a-Si:H/n-a-Si:H/Al,在不锈钢衬底上制备的非晶硅基太阳能电池的结构为:SS/ZnO/n-a-Si:H/i-a-Si(Ge):H/p-na-Si:H/ITO/Al。

    目前,薄膜太阳能电池厂家也在积极扩大生产规模,每条生产线的生产规模大多在20MW以上,产品规格多相当于TFT-LCD五代线以上水平,面积在1.4平方米以上。

    薄膜太阳能电池份额不断提升

    科技工作者正在不断努力,致力于改善薄膜特性,精确设计光电池结构和控制各层厚度及均匀性,改善各层之间界面状态。而对薄膜硅太阳能电池,集成型非晶硅太阳能电池的激光切割的使用有效面积达90%以上,目前大面积大量生产的硅薄膜太阳能电池的光电转换效率为5%-8%。研发的领域主要涉及以下几个方面:非晶硅光致退化机理和稳定性改进;薄膜多晶硅低温成核及晶化机理;微晶硅生长机制、结构控制及电性能调制;特定光伏薄膜材料,特别是纳米技术微结构与光伏性能及制备新技术的研究,拓宽光谱响应的新材料、新结构、新方法等。以上领域的技术进步将实现太阳能电池的高效率和高稳定性。

    目前,在平板显示领域,基于大面积TFT(薄膜晶体管)的TFT-LCD工艺已十分成熟,借鉴其大面积非晶硅均匀性成膜的工艺和设备,目前通常做法是采用TFT-LCD工艺中用于薄膜晶体管生产的设备,来生产薄膜硅太阳能电池。美国、欧洲和日本的半导体设备供应商,都在积极努力角逐这一市场。从5代线(基板规格1.1米×1.3米)起步,到8.5代(基板规格2.2米×2.6米)生产线,生产规模从20MW到60MW。据称已经有10余条40MW-50MW生产线已被订购,估计2008年-2009年将新增500MW的薄膜硅太阳能电池生产能力。薄膜太阳能电池所占份额也将逐年增长,据预测,到2030年将占整体太阳能电池份额的30%以上,从而与晶体硅太阳能电池平分秋色。(尚德太阳能电力有限公司 于化丛博士)

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