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太阳能多晶铸锭的前世今生

2015-07-21 10:00
flinay
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  自1960年人类第一次将光伏发电并入电网,至今光伏行业已然发生翻天覆地的变化,光伏发电已成为极其重要的清洁能源。硅元素是最基础的、应用最广泛的光伏发电材料,它在地壳中的含量占比超过26%,是仅次于氧的第二大元素,足够为人类光伏事业提供源源不断的原料支撑,未来硅材料未来将成为人类摆脱能源和环境危机的重要依托。

  那么问题来了,硅材料是什么时候开始用于发电的呢?

  早在1839年,法国科学家贝克雷尔就在液体中发现了光生伏特效应。直到20世纪,人们才发现硅具有光电响应的性质。1950年,科学家蒂尔和里特尔将切克劳斯基在1917年发明的拉晶技术应用于硅单晶的生长,这种拉晶技术已经成为现代生产高质量硅单晶的主要方法。美国科学家恰宾和皮尔松于1954年在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池,4年后首次在太空应用。

  然而在那个年代,以半导体工艺为基础的单晶生长技术产能极其有限,单晶电池成本居高不下,人们想尽一切办法扩大晶体产量,最有效的方法就是扩大硅料生长的炉体空间,在直拉单晶炉技术瓶颈未解的情况下,开始尝试浇铸工艺和定向凝固工艺制造晶体硅,多晶铸锭应运而生,然而它的晶体结构始终是无数单晶颗粒的拼接状态,高位错密度、高杂质含量的特征使得多晶电池转换效率无论如何也达不到单晶电池的水平。其后20年时间内,人们不断改良多晶铸锭工艺,提高单晶颗粒在铸锭中的面积比例以降低位错密度,降低杂质含量。里特尔经过多年研究证实,多晶硅材料的少数载流子寿命永远是大大低于单晶硅材料的。

  1976年,德国瓦克公司采用多晶铸锭的切片成功制成商用太阳能电池,虽然发电效率偏低,且长期衰减性能较差,但明显的成本优势仍为它打开了一片新市场。此后,多晶铸锭相对单晶的市场份额逐渐上升。

  20世纪80年代初,各国开始建设千瓦级乃至兆瓦级光伏电站,由于投资巨大,为了保证电站质量,人们普遍选择可靠的单晶电池组件。30多年后,人们回顾那时的老电站发现,单晶材料的可靠性的确经得起岁月考验。1982年欧洲第一个10KW单晶并网系统在瑞士建成,到目前为止年均衰减率仅0.4%;1984年,加州1MW单晶荒漠电站建成,在极其恶劣的环境下年均衰减率仅0.9%,同年兰州10KW单晶系统建成,年均衰减率0.37%;中科院电工所近期组织的“寻找中国最美光伏老组件”活动在云南、西藏发现了稳定运行30年以上的组件,全部是单晶材料制成;1994年宁波最早的单晶光伏电站到今天为止总功率衰减了13.1%;1997年德国西门子供应的单晶组件用于兆瓦级屋顶项目建设,目前平均年衰减0.4%。

  进入90年代后期,人类对光伏发电的需求开始加速,到1999年全球累计光伏装机突破1GW,其后以每年40%左右的速度增长,2004年新增容量即超过1GW。在这一时期,多数企业认为单晶工艺本身的复杂性导致其产能难以快速扩张,而多晶铸锭依靠标准化的自动生产设备以每年60%以上的速度扩产,迅速满足了全球光伏市场爆发式增长的需求。

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