1、o薄膜太阳能电池主讲人：叶勇背景介绍背景介绍存储量有限不可再生能源存储量有限不可再生能源 产物对环境造成影响产物对环境造成影响 不安全不安全可再生可再生 清洁无污染清洁无污染安全可靠安全可靠石油石油 煤炭煤炭 天然气天然气 太阳能太阳能 风能风能 潮汐能潮汐能 地热能地热能 水能水能大规模利用太阳能的重要性大规模利用太阳能的重要性能源危机环境、全球气候恶化世界上还有很多无电地区目前年使用量实际潜力理论潜力水电950147生物能源502762000太阳能0.115753900000风能0.126406000单位：千兆兆焦耳。目前全球能源年总需求约为400千兆兆焦耳。太阳能：唯一的兆兆瓦量级再生能
2、源！太阳能：唯一的兆兆瓦量级再生能源！2050年全球每年共需约800千兆兆焦耳再生能源才能稳定大气中CO2浓度，太阳能是地球上唯一能满足这种规模要求的再生能源 地球上几乎所有地方都能使用太阳能 约1%1%面积使用太阳能，即可满足发达国家的全部能源需求薄膜电池产业化薄膜电池产业化 -成本预测成本预测数据来源数据来源-德意志银行德意志银行大规模利用太阳能的瓶颈大规模利用太阳能的瓶颈 成本成本 成本成本 目前约是常规电价的3-5倍 一旦接近电网等价点电网等价点（Grid Parity），市场将呈爆发性增长解决方法解决方法 技术进步技术进步 规模化生产规模化生产 效率效率效率越高，成本越低效率越高，占
3、地面积越小（占地对某些应用并非真正瓶颈）效率接近10%是规模化发展的基本条件太阳能电池原理光生伏特效应当光照射在p-n结上时，光子会产生电子-空穴对。在偶电层内强电场的作用下，电子将移到n型中，而空穴则移到p型中。从而使p-n结两边分别带上正、负电荷。这样p-n结就相当于一个电池。由光照射，是p-n结产生电动势的现象称光生伏特效应。利用太阳光照射p-n结产生电池的装置叫太阳能电池太阳能电池的原理11 薄膜太阳电池分类 硅基薄膜太阳电池的发展 薄膜电池的光照性能衰退现象 电池光电转换效率的计算 电池片的应用一、太阳能电池分类汇总一、太阳能电池分类汇总薄膜太阳电池简介薄膜太阳电池简介硅薄膜硅薄膜
4、碲镉系碲镉系(CdTe)染料薄膜和有机薄膜染料薄膜和有机薄膜(TiO2)非晶非晶,非晶非晶/微晶微晶(a-Si,a-Si/c-Si)First Solar，USUnited Solar(8%),EPV(56%)USSharp(810%)JapanLG,周星周星(9.6%)韩国韩国铜铟系铜铟系(CIS,CIGS)化合物薄化合物薄膜膜正泰正泰(9.0%),天威天威(67%),新奥新奥(88.5%),金太阳金太阳(8%),尚德尚德(67%),百世德百世德(88.5%)中国中国Leybold Optics(9.5%)GermanJST German山东孚日股份山东孚日股份 中国中国第二代第二代：薄膜半
5、导体转换效率转换效率(%)(%)成本成本($/m($/m2 2)第一代第一代：单晶硅多晶硅丝带硅 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 打破成本瓶颈打破成本瓶颈电池厚度（微米）电池厚度（微米）光吸收光吸收薄膜电池薄膜电池 材料用量仅为百分之一！材料用量仅为百分之一！硅片在晶体硅电池组件成本中约占65%-90%簿膜半导体材料只需晶体硅1%厚度即可几乎全部吸收太阳辐射能，从而大量节省原料薄膜电池产业化薄膜电池产业化 几种技术的比较几种技术的比较中中低低高高薄膜电池产业化薄膜电池产业化 可能遇到的问题可能遇到的问题 薄膜太阳能电池发电成本有望最终达到6-9美分/KWh 使光伏发电为解决世界能源、环境问题作出
6、实质性贡献 能否把握机遇，实现薄膜电池产业化是关键!晶硅晶硅/微晶硅微晶硅碲化镉碲化镉铜铟镓硒铜铟镓硒o 效率较低o 产业化尚需 时间o 短期硅可能短缺o 镉的毒性问题o 某些市场较难进入（如家用系统）o 碲产量较少，价格可能上涨o 产业化尚需较长时间o 铟储量限，价格可能大幅上涨2007年年 445MW2008年年988.8MW2006年年370MW 增长120%增长122%2009年年19.8%占太阳能电池的占太阳能电池的发展现状我国高度重视太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，我国高度重视太阳能电池技术的研发和产业化，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。截至积
7、极有序地发展。截至2008年底，我国已建成并投产的年底，我国已建成并投产的14家薄膜太阳能电池企家薄膜太阳能电池企业的产能约达业的产能约达125.9MW，年产量约为，年产量约为46MW。截止。截止2009年底，已开工建设和年底，已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近40个，按其规划，个，按其规划，2014年年前全部建成后的产能将高达约前全部建成后的产能将高达约4000MW。薄膜太阳能电池 目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。化合物半导体薄膜型又分为非结晶型和磷化锌等。以硅为主的太阳能电池从19
8、54 年第一块单晶硅太阳电池开始,已经获得了极大的发展和演化。第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。薄膜太阳能电池的特色薄膜太阳能电池的特色v 1.相同遮蔽面积下功率损失较小相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳弱光情况下的发电性佳)v 2.没有内部电路短路问题没有内部电路短路问题v 3.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少v 4.有较佳的功率温度系数有较佳的功率温度系数v 5.较高的累积发电量较高的累积发电量v 6.只需少量的原料只需少量的原料,成本低成本低v 7.较佳的光传输较佳的光传输v 8.厚度较传统太
9、阳能电池薄厚度较传统太阳能电池薄v 9.材料供应来源广材料供应来源广v 10.可与建材整合性运用可与建材整合性运用BestSOLAR Confidential 美观、大方美观、大方 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外 环境，加环境，加 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。应用稳定性更好应用稳定性更好 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加热斑效应不明显，所以，使用起来更加方便、可靠
10、。方便、可靠。能源回收期短能源回收期短 成本低且下降空间大成本低且下降空间大缺点缺点 前期资金投资大 光致衰退(S-w效应)效率偏低设备、原材料国产化减薄非晶硅层,改善光衰叠层电池如非晶硅/微晶硅,改善光衰,提高效率改善各层材料间界面性能，提高功率新产品的开发、新材料、新工艺解决方案解决方案非晶硅的光照衰退非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应效应)光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能下降并逐渐趋于稳定；若样品在160下退火，电学性能可恢复原值(S-W效应)非晶硅制造过程中Si-Si弱键的作用23 1975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂，1976年美国RC
11、A实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4%1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器；1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应硅基薄膜太阳电池的发展HistoryToday产业化:非晶硅/微晶硅叠层电池 晶硅电池与晶硅电池与CdTe薄膜电池对比薄膜电池对比o 晶硅电池晶硅电池：u 技术陈旧，1954年u 高能耗，高碳排放量高能耗，高碳排放量u 电池材料厚度100-300 mu 成品率低：40%u 生产过程几小时左右u 透光性差u 市场份额递减（2015，欧盟停用）u 成本：1.6美元/Wo CdTe薄膜电池薄膜电池：u 2003年u 低能耗（湿法冶金）低能耗
12、（湿法冶金）u 0.8-3 mu 90%u 30-45 minsu 透光性好u 市场份额激增（特别是中国）u 成本：0.87美元/W最具广泛应用潜力的四种薄膜材料最具广泛应用潜力的四种薄膜材料o 非晶Sio 多晶硅o CIGS（CuInGaSe）o 碲化镉（碲化镉（CdTe）数据源：BP 2002、World Nuclear Association非晶硅(Amorphus Silicon,a-Si)是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很强，而且利用溅镀或是化学
13、气相沉积方式生成薄膜的生产方式成熟且成本低廉，材料成本相对于其他化合物半导体材料也便宜许多；不过缺点则有转换效率低(约57%)，以及会产生严重的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应用于小功率的消费性电子产品市场。不过在新一代的非晶硅多接面太阳能电池已经能够大幅改善纯非晶硅太阳电池的缺点，转换效率可提升到68%，使用寿命也获得提升。未在具有成本低廉的优势之下，仍将是未薄膜太阳能电池的主流之一。o 与建筑相配合与建筑相配合,建造太阳能房建造太阳能房o非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光
14、线透过玻璃进入室内，为室内提供十分天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明柔和的照明(紫外线被滤掉紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。非晶硅薄膜电池生产非晶硅薄膜电池生产 非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响o 非晶硅薄膜是一种重要的光电材料，在廉价太阳能电池、薄膜场效应管和光敏器件中都有广泛的应用。通过测量透射光谱，人们可以获得折射率、色散关系、膜厚以及光学能隙这些重要的光学参量。但在测量时，我们注意到样品由于制备条件的限制，厚度难以保证理想均匀
15、，而且考虑到光衍射、仪器灵敏度等方面的原因，采用的光栏或狭缝一般不会太细，有一定的照射面积。因此在分析薄膜的透射谱时，应该顾及膜厚均匀性的影响。多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样,是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时,两极间会产生电势,称为光生伏打效应,简称光伏效应。多晶硅(Poly-Si)薄
16、膜薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池的简单结构多晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺多晶硅(Poly-Si)薄膜薄膜太阳能电池制备多晶硅薄膜的工艺方法制备多晶硅薄膜的工艺方法 多晶硅薄膜是多晶硅薄膜太阳能电池的主体部分,薄膜质量的好坏直接影响太阳能电池性能的好坏。多晶硅薄膜制备工艺的主要区分点在其沉积温度和沉积方式,因此不同的沉积温度和沉积方式的控制直接影响薄膜的质量,从而影响着多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。主要的多晶硅薄膜的制备方法有:化学气相沉积法(CVD)、再结晶法、液相外延法(LPE)、溅射沉积法和等离子喷涂(PSM)。多晶硅(Poly-Si)薄膜薄膜太阳能电池多晶硅太阳能电池对薄膜的基
17、本要求：多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求：o(1)多晶硅薄膜厚度为5m150m;o(2)增加光子吸收;o(3)多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍;o(4)少数载流子扩散长度至少是厚度一倍;o(5)衬底必须具有机械支撑能力;o(6)良好的背电极;o(7)背表面进行钝化;o(8)良好的晶粒界。PECVD基本原理 等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)是在沉积室内建立高压电场，反应气体在一定气压和高压电场的作用下，产生辉光放电,反应气体被激发成非常活泼的分子，原子，离子和原子团构成的等离子体。正离子和电子在高压电场的作用下，获得足够的能量，参与化学反应，大大降低了沉积反应温度，加速了化学反应过程，提
18、高了沉积速率。直流辉光气体放电体系模型等离子增强化学气相沉积法等离子增强化学气相沉积法(PECVD）PECVD系统有很多种类型，其主要组成部件有：真空室组件、直流电源、基片水冷加热台、窗口及法兰接口部件、工作气路、抽气机组（机械泵和分子泵）、阀门及管道、真空测量及电控系统。PECVD设备外观图PECVD制备多晶硅薄膜影响因素影响因素反应起源氢稀释酸（硅烷浓度）衬底温度反应气体压强射频功率多晶硅薄膜太阳能电池的前景展望 随着科技的发展与提高,通过改变实验方法和实验参数来获得大颗粒、取向规则、低杂质、低空隙率、少晶粒晶界、均匀且厚度可控的高质量多晶硅薄膜,从而进一步提高多晶硅薄膜太阳能电池光电转化
19、效率,并进一步降低其生产成本,使得多晶硅薄膜太阳能电池的发电能力及成本能够与常规能源相竞争,进而取代之。CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都属于化合物半导体。这两种材料的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转换效率方面，若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积制程上，采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效率都已经相当优异，因此被视为是未最有发展潜力的薄膜太阳能电池种
20、类之一。CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效率也不差：若使用耐高温(600C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%，而使用不耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率，转换效率远优于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速成膜技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效率约11%。不过，虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污染性重金属，因此此种材料技术未发展前景仍有阴影存在。CdTe制备工艺（近空间升华法）制备工艺（近空间升华法）近距升华法沉积
21、设备示意图碲化镉太阳能电池制作工艺碲化镉太阳能电池制作工艺 近空间升华法近空间升华法是目前被用来生产高效率是目前被用来生产高效率CdTe薄膜电池最主要薄膜电池最主要的方法的方法-蒸发源是被置于一与衬底同面积的容器内，衬底与源材蒸发源是被置于一与衬底同面积的容器内，衬底与源材料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到化学计量准确的化学计量准确的CdTe薄膜。一般衬底的温度可以控制在薄膜。一般衬底的温度可以控制
22、在450600之间，而高品质的薄膜可以在大约之间，而高品质的薄膜可以在大约 1um/min 的速率沉积下得的速率沉积下得到。到。碲化镉太阳能电池制作工艺碲化镉太阳能电池制作工艺实际工作环境下性能参数对比实际工作环境下性能参数对比 -根据根据EUPD2009年调查报告年调查报告排名排名企业企业产能产能股价股价市值市值3无锡尚德(STP)590MW$10.921.96B7江西赛维（LDK）360MW$5.950.78B11保定英力(YGE)400MW$12.081.80B12南京中能(CSUN)390MW$3.850.17B14上海京澳(JASO)175MW$6.080.98B总计总计1915MW
23、4.99B4First Solar 484MW$133.2111.36B分析分析碲化镉碲化镉太阳能电池板结构太阳能电池板结构背电极背电极P极极-碲化镉碲化镉N极极-硫化镉硫化镉导电氧化膜导电氧化膜 基板玻璃基板玻璃光发生率光发生率基材玻璃占成本的基材玻璃占成本的53%，碲化镉及辅助原料占成本的，碲化镉及辅助原料占成本的47%碲化镉组件拥有非常高的转换率提升潜力碲化镉组件拥有非常高的转换率提升潜力中期目标中期目标转换率Time Line20092013201511%12%15%当前水平当前水平近期优化近期优化18%未来预计未来预计2011镀层优化提升玻璃透光性持续的改进优化刻槽技术全新的电池和储
24、能装置设计国际光伏技术提升路径国际光伏技术提升路径国际市场对国际市场对未来未来碲化镉碲化镉电池电池尺寸要求尺寸要求碲化镉技术可以适应浮法玻璃尺寸优化边缘碲化镉技术可以适应浮法玻璃尺寸优化边缘3.2m x 6,0m 未来1.2m x 1.6m 当前0.6m x 1.2m 中试2015尺寸尺寸年年200020102005First Solaro First Solar公司是世界领先的太阳能光伏模块制造商之一，生产基地位于美国、马来西亚和德国等地。至2009年，公司产能已超过1千兆瓦峰值（GWp）。与此同时，FirstSolar也是全球最重要的碲化镉(CdTe)薄膜光伏模块制造商。与传统的晶硅技术相比，使用碲化镉专利技术的太阳能发电量更大，并拥有更低廉的生产成本。FirstSolar在业内率先实现了每瓦成本低于一美元（85美分），并于2009年6月宣布：到2014年，公司会将每瓦的制造成本降至52-63美分。更低的成本更低的成本 薄膜太阳能电池的未来薄膜太阳能电池的未来TJ Cost:-40%中国政府态度中国政府态度First Solar将在内蒙古建设世界最大的将在内蒙古建设世界最大的2000 MW CdTe太阳能发电站（太阳能发电站（2009.11）
