lecture08太陽能電池研究進展課件

太陽能電池材料的研究進展其其煤石油天然氣其他中國石油煤天然氣其他世界中國和世界的能源結構

能源枯竭

石油：42年，天然氣：67年，煤：200年。環(huán)境污染

每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。

中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》

中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》

CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

石油短缺，對外依存度加大

1993年我國成為石油凈進口國，2001年進口依存度已經達到34％，隨著國民經濟的持續(xù)增長，石油進口量占整體石油需求量中的份額進一步增長，預計到2020年將達到50％。太陽能風能屬于本地資源，通過一定的工藝技術，不僅可轉換為電力，還可以直接、間接地轉換為液體燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氫燃料，為各種移動設備提供能源。

可再生能源：

風能；水能；地熱；潮汐；太陽能等

潔凈能源：與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”，也不會造成環(huán)境污染

太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！

資源豐富：40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類一年的能量需求

使用方便：同水能、風能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太陽能電池已成為各國實施可持續(xù)發(fā)展的重要選擇日本----93年實施“新陽光計劃”，涵蓋74年的“陽光計劃”、78年的“月光計劃”和89年的“地球環(huán)境技術開發(fā)計劃”；97年宣布7萬太陽能光伏屋頂計劃，計劃到2010年安裝7600MWp太陽能電池日本利用其電子技術優(yōu)勢，大力發(fā)展光伏發(fā)電產品，其產量已經相當于全球產量的50%以上。英、荷、日、美等國企業(yè)基本壟斷了全球的光伏發(fā)電產品市場，其出口額占世界的貿易額的80%以上。

美國百萬屋頂計劃的內容與目標辦公樓與玻璃幕墻一體化的PV太陽能屋頂系統(tǒng)無機太陽能電池光生伏特效應光子入射：造成躍遷產生空穴－電子對。電荷運動的勢壘：p-n結區(qū)內形成的內建電場。阻礙電子從n區(qū)向p區(qū)運動，空穴從p區(qū)向n區(qū)運動。

光電池：空穴、電子通過外電路復合，在電路中產生電流。太陽能電池結構示意圖轉換效率（h)＝入射在電池表面的陽光的功率負載中消耗的功率太陽能電池材料主要材料半導體表面涂層電極封裝單晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有機半導體金屬氧化物、導電聚合物金屬導體玻璃、有機玻璃對材料的基本要求①能充分利用太陽能輻射，即半導體的禁帶不能太寬；②有較高的光電轉換效率；③材料本身對環(huán)境不造成污染；④材料便于工業(yè)化生產，材料的性能穩(wěn)定且經濟

無機太陽能電池的性能及應用

各種太陽能電池的市場份額2004年太陽能電池產量1,194.7MW，增長60.6%，其中：產量比例%增長%mc-Si669.1556.046.8sc-Si343.4528.771.3a-Si64.605.449.2a-Si/scSi60.005.0100Ribbon41.003.4502.9CdTe13.001.1333.3CIS3.00.3-25.0太陽能用硅材料的生產工藝

1-1單晶錠

1-1-1CZ法

1-1-2FZ法1-2多晶錠1-2-1鑄造多晶硅1-2-1EMC多晶硅1-3非晶硅太陽能用硅材料的生產工藝

CZ法來源：CGS太陽能用硅材料的生產工藝

FZ法

FZ

來源：CGS太陽能用硅材料的生產工藝多晶澆注法

由于鑄錠中采用低成本的坩堝及脫模涂料，對硅錠的材質仍會造成影響。近年來電磁法（EMC）被用來進行鑄錠試驗，方法是投爐硅料從上部連續(xù)加到熔融硅處，而熔融硅與無底的冷坩堝通過電磁力保持接觸，同時固化的硅被連續(xù)地向下拉。目前該工藝已鑄出截面為220mmX220mm的長硅錠，鑄錠的材質純度比常規(guī)硅錠高。我國可生產出220mmX220mmX140mm的硅錠。太陽能用硅材料的生產工藝多晶澆注設備

HEMDSS

太陽能用硅材料的生產工藝方法比較

Method

Width（cm）Weight(kg)Growth

Rate(mm/min)GrowthRate(kg/h)Throughput(m2/day)EnergyUse(kWh/kg)EnergyUse(kWh/m2)Efficiency

(Typical,best)

FZ1550

2-4480

30

36<18,24

CZ15

50

0.6-1.2

1.530

18-4021-48

<15,20DS(定向結晶)69

240

0.1-0.6

3.5

70

8-15

9-17

<14,18EMC(電磁鑄造)35

400

1.5-2

30

600

12

35

<14,16

太陽能用硅材料的生產工藝硅片切割

常規(guī)的硅片切割采用內圓切片機，其刀損為0.3一0.35mm，使晶體硅切割損失較大，且大硅片不易切得很薄。近幾年，多線切割機的使用對晶體硅片的成本下降具有明顯作用。多線切割機采用鋼絲帶動碳化硅磨料來進行切割硅片，切損只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的損傷小。圓切割技術與線切割技術在實際應用中互為補充而存在

（1）在新建硅圓片加工生產線上，規(guī)模在年產量達50噸以上硅單晶加工生產線，并且圓片品種主要針對較大數(shù)量集成電路用硅圓片時，切割設備選型可定位在線切割機上，同時大規(guī)模、單一硅圓片品種（主要指圓片的厚度規(guī)格品種）的太陽能級圓片加工，切割設備選型也可定位在線切割機上。厚度規(guī)格品種的多少，直接關系到線切割機排線導輪備件的多少。該排線導輪目前國內無法配套，國外供應商配套，價格較高。頻繁更換排線導輪增加了輔助時間，還會增加線絲的浪費。（2）生產規(guī)模較小的生產單位或多品種硅圓片生產并具有較大規(guī)模的生產單位，在設備選型上，應首先考慮選用內圓切片機。

蘭州瑞德集團X07150-1型多線鋸切割機上海日進下壓式NWS6X2多線鋼絲切割機下壓式NWS6X2多線鋼絲切割機可同時并列切割二支Φ6"×9"（φ152mm×230mm）硅晶棒，切割晶片最薄厚度為0.2mm。技術進展直徑變化技術進展薄片技術技術進展帶硅

用硅量是常規(guī)工藝的?無須切片成本下降>30%R&D同時拉制2條或4條帶硅厚度＜150

μm太陽能電池的分類晶體硅太陽能電池的發(fā)展趨勢

mc-Si比例總體上升趨勢，但04年有所下降，從03年的61.3%下降至56%；

sc-Si比例止住了下降趨勢，由03年的26.9%上升至28.7%。而且同比增長（71%），超過mc-Si（46.8%）。如果包括a-Si/scSi，則比例達到32.1%,

同比增長75%。

Ribbon

比例由03年的0.9%,提高至3.4%，同比增長502.9%；

晶體硅（包括mc-Si,sc-Si,a-Si/scSi和Ribbon）的比例近4年來變化不大，在91.1%—93.1%之間；國內太陽能電池用硅材料現(xiàn)狀硅單晶產量2004年單晶硅產量（噸）單晶總產量1700太陽能單晶產量1200太陽能單晶生產能力2000近年來我國硅單晶產量注：單晶硅產量及生產能力估算見附件1國內現(xiàn)狀趨勢及分析和國外情況不同，我國太陽能用單晶硅的比例大大高于多晶硅。形成的原因是：國內廉價單晶爐設備優(yōu)勢；半導體硅單晶生產有一定基礎；技術門檻低。國內太陽能硅材料產業(yè)存在的主要問題是：1硅材料的發(fā)展偏重于單晶硅，而且是單晶硅錠。硅片加工能力嚴重不配套。企業(yè)價值鏈過短，缺乏企業(yè)發(fā)展所必需的獨立性和自主性，使企業(yè)的增值能力受到嚴重影響；多晶硅材料處于起步階段。2產業(yè)價值鏈仍存在嚴重脫節(jié)。單晶硅絕大部分出口；缺乏切片能力；電池片企業(yè)所需大量硅片幾乎都以賴進口。作為一個企業(yè)其價值鏈的長短雖然重要，但要根據(jù)企業(yè)的具體財力、技術能力和管理能力而定。而作為國家則必須考慮。國內太陽能硅片加工環(huán)節(jié)十分薄弱除保定英利新能源浙江精功光電配套多晶硅片加工外，太陽能單晶生產企業(yè)中只有晶龍有少量多線切割能力專業(yè)硅片加工企業(yè)目前僅一家，即鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技有限公司。切割能力約為1000萬片/年

保定英利新能源有限公司6浙江精功光電有限公司2我國多晶硅片生產能力（MW）保定英利新能源有限公司垂直集成型，目前公司具有6MW多晶硅片、10MW電池片、50MW電池組件的生產能力。二期投資完成后,硅片的年生產能力將達到70MW，將新增DSS多晶硅鑄錠機20臺,破錠機3臺,多線切割機5臺。浙江精功光電有限公司（前身為浙江中意太陽能有限公司）原為中方與意大利ENITECHNOLOGIE合資企業(yè)，多晶硅片生產能力2MW。有擴大生產規(guī)模至20MW的計劃。在建和籌建的多晶錠、片企業(yè)精功紹興太陽能技術有限公司（籌建）

精功集團與德國布萊斯-戴姆勒集團(Preiss-Daimler)共同投資興建。引進GTSola設備和技術。一期10MW，二期將達20MW。力諾太陽能基地項目（濟南）太陽能多晶硅片2500萬片，太陽能電池片50MW，太陽能電池組件50MW，太陽能電站10MW。該項目第一期是利用現(xiàn)有土地和廠房，購置多晶硅鑄錠爐5臺，1臺破錠機和1臺SD-B型線切割機等主要設備。年產量為多晶硅片500萬片,第二期1000萬片，第三期2500萬片

（新疆新能源公司20MW硅片項目，資金籌措中）非晶硅太陽電池

非晶硅太陽電池又稱“無定形硅太陽電池”，簡稱“a—Si太陽電池"。它是太陽電池發(fā)展中的后起之秀。非晶硅太陽電池的最大特點是薄，不同于單晶硅或多晶硅太極電池需要以硅片為底村，而是在玻璃或不銹鋼帶等材料的表面鍍上一層薄薄的硅膜，其厚度只有單晶硅片的1/300。因此，可以大量節(jié)省硅材料，加之可連續(xù)化大面積生產，能耗也低，成本自然也低。由于電池本身是薄膜型的，太陽的光可以穿透，所以還可做成疊層式的電池，以提高電池的電壓。通常單晶硅太陽電池每個單體只有0．5伏左右的電壓，必須幾個單體串聯(lián)起來，才能獲得一定的電壓。非晶太陽硅電池一個就能做到幾伏電壓，使用比較方便。非晶硅太陽能電池是最理想的一種廉價太陽電池。作為一種弱光微型電源使用，如小型計算器、電子手表等。非晶硅科技已轉化為一個大規(guī)模的產業(yè)，世界上總組件生產能力每年在50MW以上，組件及相關產品銷售額在10億美元以上。應用范圍小到手表、計算器電源大到10Mw級的獨立電站。其應用涉及諸多品種的電子消費品、照明和家用電源、農牧業(yè)抽水、廣播通訊臺站電源及中小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a一Si太陽電池成了光伏能源中的一支生力軍，對整個潔凈可再生能源發(fā)展起了巨大的推動作用。

太陽能電池陣列轉換效率的提高對于空間系統(tǒng)有十分重要的意義‘它可以降低系統(tǒng)的重量，改善系統(tǒng)的搭載能力，減小軌道運行的阻力。還可以降低系統(tǒng)的成本。GaAs材料CuInSe2材料有機太陽能電池工作原理:有機半導體產生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結合處)上分離。

研究進展:美國加州伯克利分?？茖W家在2002年利用塑料納米技術研制出第一代塑料