發(fā)展新一代薄膜太陽(yáng)能電池先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化

發(fā)展新一代薄膜太陽(yáng)能電池先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化第1頁(yè)/共13頁(yè)我作為中國(guó)科協(xié)七大全國(guó)代表，見(jiàn)證了七大上胡主席,溫總理非常重視新能源的情形.七大代表中有不少人是在毛主席周總理帶領(lǐng)下制定國(guó)家一五規(guī)劃的專家科學(xué)家，“一五”規(guī)劃出了兩彈一星，保證了中國(guó)37年和平穩(wěn)定發(fā)展.新的一代領(lǐng)導(dǎo)人的治國(guó)思路是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，尤其重視以太陽(yáng)能為代表的新能源，更重視中國(guó)對(duì)新能源核心技術(shù)的掌握和太陽(yáng)能電池板的規(guī)?；a(chǎn)。這將實(shí)現(xiàn)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)和國(guó)家發(fā)改委提出的中國(guó)成為世界最大能源輸出國(guó)的偉大理想和目標(biāo)。作為2008年國(guó)家發(fā)改委和歐洲貨幣基金組織世界新能源大會(huì)光伏論壇主席，我和與會(huì)的其他新能源分論壇有過(guò)深入交流，風(fēng)能不穩(wěn)定，生物質(zhì)能原料不足等難以大規(guī)模推廣。先進(jìn)市可以在全國(guó)首先樹(shù)立集中發(fā)展非晶硅薄膜電池產(chǎn)業(yè)，作為正在興起的第二波太陽(yáng)能光電池的產(chǎn)業(yè)化浪潮代表，低能耗，低成本，完全綠色生產(chǎn)，這也是先進(jìn)工業(yè)可以率先超越江蘇等省金融危機(jī)下陷入頹勢(shì)的多晶硅高能耗高污染產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇。措施是建立市政府支持，企業(yè)為主的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合研究中心、裝備制造和大批量生產(chǎn)。以行者集團(tuán)SinoSolar等為代表的掌握核心裝備制造和工藝技術(shù)的企業(yè)在第一輪光伏浪潮多晶硅投資1000億元的指標(biāo)型多個(gè)大省迅速取代多晶硅，成為拉動(dòng)內(nèi)需的骨干項(xiàng)目。第2頁(yè)/共13頁(yè)太陽(yáng)光輻射是地球上光和熱的主要源泉。太陽(yáng)輻射的能量來(lái)源于太陽(yáng)核心的熱核聚變，4個(gè)氫原子聚變成1個(gè)氦原子。對(duì)于“質(zhì)子－質(zhì)子”循環(huán)核聚變，反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損?m＝4mH－mHe，按照愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系?E=?mC2(C為光速)計(jì)算，相當(dāng)于25MeV的能量。在太陽(yáng)核心，每秒大約有700億噸氫聚變成氦，其質(zhì)量虧損分?jǐn)?shù)約為0.7％，每秒釋放的能量大約相當(dāng)于3.9×1026焦耳，主要以γ射線的形式放出。經(jīng)過(guò)對(duì)流、輻射和吸收、再發(fā)射等復(fù)雜而漫長(zhǎng)的（以百萬(wàn)年計(jì)）能量傳遞過(guò)程，這一能量到達(dá)太陽(yáng)表面，維持太陽(yáng)表面光球溫度約為5758K。太陽(yáng)從誕生至今大約已經(jīng)過(guò)了46億年，估計(jì)太陽(yáng)壽命至少還有50億年。所以，太陽(yáng)光輻射，對(duì)于現(xiàn)今人類社會(huì)活動(dòng)而言，實(shí)際上是無(wú)窮無(wú)盡的薄膜太陽(yáng)能電池是愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)的原理由光子直接和電子交換能量，電子能級(jí)跳躍，通過(guò)薄膜材料的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生光電壓光電流，能量轉(zhuǎn)化效率目前已經(jīng)可達(dá)到63%；而且沒(méi)有任何熱和污染。光電轉(zhuǎn)化中光是廣義的，可見(jiàn)光，紅外光，激光甚至核射線都可以通過(guò)光電池特別是薄膜光電池發(fā)電，比如行者的專利技術(shù)”穩(wěn)定的B伏長(zhǎng)壽命核電池”就是15年以上不用充電不用陽(yáng)光能穩(wěn)定發(fā)電的電池。來(lái)自量子電子學(xué)理論的核能—光子—電子能量轉(zhuǎn)換的效率是化學(xué)燃燒所不能比的。煤和石油都來(lái)自太陽(yáng)能，是不可再生化石能源，傳統(tǒng)煤電是化學(xué)燃燒溫度升高電子運(yùn)動(dòng)速度加快，金屬鍋爐電子和水分子電子交換能量帶動(dòng)水蒸汽升溫推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，這個(gè)過(guò)程能量轉(zhuǎn)化率不足1%，而且產(chǎn)生沒(méi)用的熱量和污染排放；第3頁(yè)/共13頁(yè)光電產(chǎn)業(yè)和薄膜太陽(yáng)電池物理基礎(chǔ)

。

信息的載體一般是指光子、電子和聲子，聲子運(yùn)動(dòng)速度很慢，主要考慮光子和電子。光伏太陽(yáng)電池作為光電能量轉(zhuǎn)換器件，主要研究光子和電子之間的相互作用，以及如何抑制聲子（主要能量損失途徑）對(duì)過(guò)程的參予電子和光子在器件中的運(yùn)動(dòng)一般是在很薄的一層有源區(qū)內(nèi)，材料中真正有用的部分是在表面上，這就為制造薄膜器件提供了物理基礎(chǔ)由于光子在晶體硅內(nèi)需要100um以上才能充分吸收，而以非晶體硅為代表的薄膜在500nm-1um以內(nèi)就可以吸收光子，材料消耗僅為1%，具有根本的成本優(yōu)勢(shì)，低生產(chǎn)能耗、低排放、低污染。美國(guó)薄膜太陽(yáng)電池從2006年起占優(yōu)勢(shì)，2008三大家公司合并超200MW超過(guò)其他信息的載體能量的載體光伏太陽(yáng)電池光子電子聲子微電子和光電子第4頁(yè)/共13頁(yè)科學(xué)分類：兩類（外延和非單晶）薄膜電池技術(shù)薄膜電池并不僅是非晶硅薄膜電池，科研規(guī)劃必須有廣闊的視野才能保證長(zhǎng)久發(fā)展晶體襯底上外延生長(zhǎng)單晶薄膜：有序度更高，完整性更好，遷移率高，少子壽命長(zhǎng)，光譜尖銳。晶體襯底上外延生長(zhǎng)單晶薄膜.應(yīng)用舉例:高密度、高速度光電子器件和微電子器件;高效III-V族三結(jié)疊層太陽(yáng)電池（40.7%）;低阻Si襯底外延薄膜太陽(yáng)電池（15%）;;理提純Si襯底外延薄膜太陽(yáng)電池;介質(zhì)襯底上淀積的非單晶薄膜大面積薄膜材料，一般是在低溫下沉積在廉價(jià)的異質(zhì)襯底上的，如玻璃、不銹鋼帶、塑料薄膜等都是常用的薄膜電池襯底材料，從而成本低。這樣制備的薄膜材料具有多晶、微晶或非晶態(tài)結(jié)構(gòu),大面積薄膜太陽(yáng)電池,由于對(duì)光電轉(zhuǎn)換的速度沒(méi)有高的要求，器件結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)單，薄膜材料可以勝任。

硅基薄膜太陽(yáng)電池的極限效率對(duì)于非聚光和全聚光6000K黑體輻射條件而言，電池極限效率分別約為31.0％和40.7%；對(duì)于AM1.5G光譜而言，電池極限效率在1.13eV

和1.35eV處存在兩個(gè)十分相近的峰值，大約為32.8%。在具有Lambertian理想織構(gòu)表面下，俄歇復(fù)合限制的晶硅電池極限效率與厚度有關(guān)。80微米時(shí)效率極大值29%；對(duì)于硅基薄膜電池，厚度2微米時(shí)~26%；

第5頁(yè)/共13頁(yè)目前全世界應(yīng)用和研究最多的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵（GaAs）以及非晶硅（α-Si）薄膜、碲化鎘（

CdTe）、銅銦硒（

CuInSe2，或縮寫(xiě)為

CIS）等薄膜材料等。砷化鎵電池成本高，用于面積小的特種場(chǎng)合，原材料有毒。CdTe是劇毒制癌材料，生產(chǎn)和環(huán)保問(wèn)題嚴(yán)重。鎘處理技術(shù)最近有突破，將來(lái)。南非。多晶硅/單晶硅：是最老的技術(shù)之一，二戰(zhàn)后即出現(xiàn)，最近30年提高很慢，發(fā)展?jié)摿苄?，現(xiàn)在隨著歐元貶值投資多晶硅生產(chǎn)的各省已經(jīng)陷入頹勢(shì)，國(guó)際上投資重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到本技術(shù)的高效非晶硅薄膜電池上來(lái)。銅銦鎵硒：技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)階段、原料稀缺、因用重金屬做原料而嚴(yán)重污染環(huán)境，

30年前即已發(fā)明，始終沒(méi)能產(chǎn)業(yè)化，有3個(gè)致命缺點(diǎn)：1）所用銦材料，是地球上最短缺的材料之一，若從小批量試驗(yàn)到大批量生產(chǎn)材料根本難以供應(yīng)，現(xiàn)在僅僅是小規(guī)模1MW級(jí)的小試驗(yàn)線已經(jīng)帶來(lái)材料價(jià)格飛漲）；2）所用材料中，硒也是劇毒材料，生產(chǎn)過(guò)程始終有嚴(yán)重環(huán)保和排放問(wèn)題，最早從事CIGS研究的德國(guó)西門子公司失敗后把全部業(yè)務(wù)賣給更大的殼牌Shell公司，殼牌公司Shell也不能解決問(wèn)題，最終關(guān)閉了在美國(guó)加州的CIGS生產(chǎn)線。3）成本問(wèn)題，CIGS的電池需要的工作溫度在600度以上，能耗高，設(shè)備本身成本高，在真空系統(tǒng)中，能耗測(cè)算有一個(gè)簡(jiǎn)單公司，工作絕對(duì)溫度之比的5次方，此CIGS的制造工作絕對(duì)溫度為（600+273=873K）;而不到200度制造工作溫度的更有希望的非晶硅+微晶硅薄膜電池工作絕對(duì)溫度為

200+273=473K：所以CIGS的能耗比非晶硅+微晶硅薄膜電池能耗比相差幾十倍以上。CIGS系統(tǒng)實(shí)際成本是非常高的。第6頁(yè)/共13頁(yè)實(shí)驗(yàn)室效率和大面積組件效率難點(diǎn)，近期發(fā)展硅基薄膜太陽(yáng)電池的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，下面發(fā)展的技術(shù)路線

太陽(yáng)能電池做大面積保持均勻性和效率比實(shí)驗(yàn)室的小面積產(chǎn)品是很大的難點(diǎn)。高效非晶硅電池的技術(shù)路線是用高純度99.999%以上硅烷、磷烷、硼烷等電子特氣在超大真空室（2.5立方米以上）超高真空（10-7torr以上）高溫（200多度以上）作超大面積（8000平方厘米以上）高均勻度高度可控等離子放電沉積，是當(dāng)今前沿學(xué)科等離子體和半導(dǎo)體材料物理的交叉學(xué)科，是各個(gè)國(guó)家巨額投入的戰(zhàn)略性技術(shù)，難度巨大，如1970年?yáng)|方紅衛(wèi)星上中科院就做出了太陽(yáng)能電池，但是面積很小，需要數(shù)以10年計(jì)的積累中科院仍未能突破產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；我們現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了上述突破作出了擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備和電池板生產(chǎn)。從2006年完成全套圖紙攻關(guān)和三百項(xiàng)專利申請(qǐng)后，仍花費(fèi)了2年時(shí)間，可見(jiàn)從圖紙到實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度之大。實(shí)驗(yàn)室小面積三結(jié)疊層a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si電池穩(wěn)定效率已達(dá)到13%；我們已經(jīng)科研攻關(guān)成功完全掌握的產(chǎn)業(yè)化工藝而大面積商品a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si電池組件穩(wěn)定效率7-9%生產(chǎn)線設(shè)備的改進(jìn);摻雜層隔離;針孔密度的降低;襯底清洗;避免聚合物黃粉產(chǎn)生工藝條件;趨膚效應(yīng)、干涉駐波效應(yīng)等經(jīng)過(guò)這些年的努力，發(fā)展了一種新的高氣壓VHF－PECVD沉積模式，即用甚高頻激勵(lì)等離子體，在高氣壓、高功率密度、噴淋氣流和小電極間距下沉積微晶硅膜。在這種模式下沉積，不僅提高了微晶硅膜生長(zhǎng)速率，而且提高了微晶硅膜的致密度和質(zhì)量。源氣體硅烷或乙硅烷也得到充分的分解和利用，幾近耗盡模式。據(jù)報(bào)道，器件質(zhì)量微晶硅膜的生長(zhǎng)速率可達(dá)到30埃/秒以上；第7頁(yè)/共13頁(yè)進(jìn)一步可發(fā)展下一代高效電池（5大類下一代電池方向）單就太陽(yáng)電池效率10％的指標(biāo)而言，是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

Si基薄膜電池已達(dá)到9％，個(gè)別大面積組件效率已達(dá)13％，預(yù)示著Si基薄膜電池商用組件的效率在不久的將來(lái)也可以達(dá)到10％。前面我們已經(jīng)談到，晶硅電池商用組件的效率現(xiàn)已達(dá)15％，正在向20％的目標(biāo)努力；薄膜電池商用組件效率，已達(dá)到9%-10％.多量子井超晶格電池可以進(jìn)一步提高效率5大類下一代電池研究方向1）.多結(jié)疊層太陽(yáng)電池：多結(jié)疊層太陽(yáng)電池采用6疊層技術(shù)的電池效率可達(dá)64。2%2）熱電池（TPV）3）多帶隙太陽(yáng)電池，如染料敏化電池可望進(jìn)一步降低成本4）碰撞離化電池5）熱載流子太陽(yáng)電池第8頁(yè)/共13頁(yè)

關(guān)于以薄膜為代表的非晶硅電池的發(fā)電成本（發(fā)改委2007數(shù)據(jù)，廣東，陽(yáng)光一類地區(qū)）根據(jù)世界自然基金會(huì)報(bào)告，和國(guó)內(nèi)國(guó)家最大電力公司共同研究結(jié)果：達(dá)到集約化生產(chǎn)的非晶硅和納米硅太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)發(fā)電成本可帶到7分錢人民幣/度，即1個(gè)美分，低于火電的最低成本2美分，甚至核電的1.2個(gè)美分。成本

（kw）投資折舊年折舊運(yùn)營(yíng)費(fèi)年發(fā)電（h）年發(fā)電量（kwh）發(fā)電成本（元/kwh）減排成本發(fā)電成本火2000600060000.2300.23水電16000203000.0100550055000.060.083373-0.02核電115400207700.0400750075000.140.0833730.06風(fēng)電16000203000.0100150015000.210.0833730.13行者太陽(yáng)

(5$/wp50.0010326032600.300.0833730.21第9頁(yè)/共13頁(yè)集約化生產(chǎn)(2GW)發(fā)電成本下降:集約化生產(chǎn)時(shí)：總成本下降為0.9457/2.26=0.42;既原來(lái)的42%；規(guī)?；娬颈竟镜男乱淮蔷Ч韫怆姵氐某杀荆好縦wH成本：=2.26萬(wàn)元x0.42/5.2955萬(wàn)度=0.17元/度;減排效益：利用太陽(yáng)能發(fā)電，每發(fā)1萬(wàn)度相當(dāng)于代替4噸煤，減少4頓煤的4項(xiàng)大的污染（二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和煙塵）排放；減排效益：使得成本進(jìn)一步下降為：2.26-0.44=1.82萬(wàn)元，下降為原來(lái)的約80%，使得成本進(jìn)一步降低為：0.17元/度x0.80=0.13元/度；可配合聚光鏡在高溫下工，成本下降50%到0.07元/度。編號(hào)項(xiàng)目晶體硅電池比例%薄膜萬(wàn)元比例1前期費(fèi)用0.2550.25

2太陽(yáng)能電池3.5700.76

3并網(wǎng)逆變器0.480.4

4變壓器、配電0.360.3

5設(shè)備,運(yùn)輸0.240.2

6安裝調(diào)試0.240.2

7稅金及其他0.1530.15

8合計(jì)51002.26

項(xiàng)目(按年產(chǎn)十兆瓦計(jì)算,10MW/yr)比例（中國(guó)）同比下降直接材料(Directmaterials)0.514045間接材料(Indirectmaterials)0.099251電力(Utilities)0.053371維修,其它材料(Replacementparts,etc.)0.04588

材料總計(jì)(理想值),Totalmaterials0.7125470.498783廢品率14%(Yieldloss)所至消耗0.1161050.005805實(shí)際生產(chǎn)材料和消耗總成本0.828652直接勞動(dòng)成本(Directlaborwithbenefits)0.054213間接勞動(dòng)成本(Indirectlabor)0.014232人工成本總和

(Totallabor)0.068446其它(場(chǎng)地,保險(xiǎn)等)(Othercosts)0.030712人工及其它成本總計(jì)(Laborplusothers)0.0992510.029775生產(chǎn)設(shè)備分期清償債務(wù)(10years,10%)0.0720970.036049所有成本總和

(Totalcost,allinclusive)10.570412第10頁(yè)/共13頁(yè)附：已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)成本明細(xì)非晶硅光電模板制造成本分析(每一瓦的人民幣成本,元/瓦)

未封裝光伏片成本(￥)1,2$密封成本(￥)間接成本(￥)$已鍍氧化錫玻璃0.1012玻璃$0.0199液化氮$0.0000(SnO2coatedglass)

鋁箔$0.0020去離子水$0.0011硅烷0.0078聚乙烯膠帶$0.0007噴砂金屬$0.0003硼化物0.0262醋酸乙烯酯$0.0596溶劑/清洗劑$0.0011亞瞵0.0003Sylgard$0.0166真空泵油$0.0004氫氣0.0003鋁托架$0.0046乙烯手套$0.0009氬氣0.0004二級(jí)管$0.0013其它原料$0.0061甲烷0.0005導(dǎo)線$0.0028電力$0.0075鋁0.0100商標(biāo)$0.0002生產(chǎn)力損失$0.0066氧化鋅0.0300運(yùn)輸箱$0.0016其它(材料,維修…)$0.0065總數(shù):0.1767總數(shù):$0.1092總數(shù):0.0305生產(chǎn)材料和消耗總成本=0.3164USD/W$0.3164中國(guó)勞動(dòng)力成本(吉林),人民幣￥(元/瓦)

工人120人,年薪人民幣2萬(wàn)元

$0.0318

技工/維修工九人,年薪均4萬(wàn)元

$0.0048

生產(chǎn)經(jīng)理三人,年薪平均6萬(wàn)

$0.0024

直接勞動(dòng)力及生產(chǎn)管理總額:

$0.0389

工程,行政管理,及其它開(kāi)支

經(jīng)理及總工三人,均年薪10萬(wàn)

$0.0040

工程師三人,年薪各8萬(wàn)元

$0.0032

其他行政人員七人,均年薪5萬(wàn)

$0.0046

場(chǎng)地(辦公室,廠房)保險(xiǎn)等:土地/廠房0.5元/M2天

$0.0001

非直接生產(chǎn)開(kāi)支總額:

$0.0119

勞工,管理,場(chǎng)地等總成本:￥1.06$0.0508

生產(chǎn)設(shè)備分期清償債務(wù):

(10年,10%利率)$0.0437

模板總成本:

$0.4109

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太陽(yáng)能是最大的金融業(yè)和航運(yùn)業(yè):石油和煤也是用太陽(yáng)能形成的，稱為昨日陽(yáng)光；本項(xiàng)目太陽(yáng)能電池直接利用太陽(yáng)能：今日陽(yáng)光。建議：

對(duì)于各地政府，建立技術(shù)創(chuàng)新體系，