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薄膜太阳能电池分类

作者:admin发布时间:2020-10-14 12:35

  薄膜太阳能电池分类_语文_小学教育_教育专区。薄膜太阳能电池分类 21 世纪初之前,太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主,超过 89%的光伏市场由硅系列太 阳能电池所占领,但自 2003 年以来,晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨, 因此

  薄膜太阳能电池分类 21 世纪初之前,太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主,超过 89%的光伏市场由硅系列太 阳能电池所占领,但自 2003 年以来,晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨, 因此,业内人士自热而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用在价格 低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金属片等不同材料当基板来制造,形成可产生电压的薄膜 厚度仅需数μm,目前转换效率最高可达 13%以上。薄膜电池太阳电池除了平面之外,也因 为具有可挠性可以制作成非平面构造其使用范围大,可和建筑物结合或是变成建筑体的一部 份,使用非常广泛。 1.硅基薄膜电池 硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池,而目前市场主要是 非晶硅薄膜电池产品。非晶硅的禁带宽度为 1.7eV,通过掺硼或磷可得到 p 型或 n 型 a-Si。 为了提高效率和改善稳定性,还发展了 p-i-n/p-i-n 双层或多层结构式的叠层电池。 2.碲化镉(CdTe)薄膜电池 碲化镉薄膜电池是最早发展的太阳电池之一,由于其工艺过程简单,制造成本低,实验室转 换效率已超过 16%,大规模效率超过 12%,远高于非晶硅电池。不过由于镉元素可能对环境 造成污染,使用受到限制。近年来美国 FirstSolar 公司采取了独特的蒸气输运法沉积等特殊 措施,解决了污染问题,开始大规模生产,并为德国建造世界最大的光伏电站提供 40MW 碲化镉太阳电池组件。 3.铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 铜铟镓硒薄膜电池是近年来发展起来的新型太阳电池,通过磁控溅射、真空蒸发等方法,在 基底上沉积铜铟镓硒薄膜,薄膜制作方法主要有多元分布蒸发法和金属预置层后硒化法等。 基底一般用玻璃,也可用不锈钢作为柔性衬底。实验室最高效率已接近 20%,成品组件效率 已达到 13%,是目前薄膜电池中效率最高的电池之一。 4.砷化镓(GaAs)薄膜电池 砷化镓薄膜电池是在单晶硅基板上以化学气相沉积法生长 GaAs 薄膜所制成的薄膜太阳电 池,其直接带隙 1.424eV,具有 30%以上的高转换效率,很早就被使用于人造卫星的太阳电 池板。然而砷化镓电池价格昂贵,且砷是有毒元素,所以极少在地面使用。 5.染料敏化薄膜电池 染料敏化太阳电池是太阳电池中相当新颖的技术产品,由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)纳 米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和 ITO 电极所组成。目前仍停留在实验室阶段,实验 室最高效率在 11%左右。 非晶硅薄膜电池 简介 非晶硅(amorphous silicon α-Si)又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微 晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞,纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。 非 晶硅的化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等) 在加热下还原四卤化硅,或用 碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密 度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜,氢在其中补偿悬挂链, 并进行掺杂和制作 pn 结。非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。 禁带宽度 1.7~1.8eV,而迁移率和少子寿命远比晶体硅低。现已工业使用,主要用于提炼纯 硅,制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。 非晶硅薄膜电池的起源 非晶硅薄膜太阳能电池由 Carlson 和 Wronski 在 20 世纪 70 年代中期开发成功,80 年代其生 产曾达到高潮,约占全球太阳能电池总量的 20%左右,但由于非晶硅太阳能电池转化效率 低于晶体硅太阳能电池,而且非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点:光电转换效率会 在头 1000 个光照时间内逐渐衰减到稳定状态,对薄膜电池的使用存在影响。 非晶硅薄膜电池的优点 1.低成本 单结非晶硅太阳电池的厚度 0.2um。主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷,这种 气体,化学工业可大量供应,且十分便宜。目前晶体硅太阳电池的基本厚度多为 200um 以 下,相差 1000 倍,大规模生产需极大量的半导体级硅,仅硅片的成本就占整个太阳电池成 本的 65-70%,目前在中国晶体硅太阳电池的硅材料成本大概为 0.2USD/W 左右。几年前,从 原材料供应角度考虑,人类大规模使用太阳光发电,非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池是 比较好的选择。但是在最近两年,硅材料的成本快速下跌,从成本的角度来说,除个别厂家 外,非晶硅太阳能电池已经不具备之前的竞争力。 2.能量返回期短 转换效率为 6%的非晶硅太阳电池,其生产用电约 1.9 度电/瓦,由它发电后返回的时间约为 1.5-2 年,这是晶硅太阳电池无法比拟的。 3.大面积自动化生产 目前,世界上最大的非晶硅太阳电池是 Switzland Unaxis 的 KAI-1200 PECVD 设备生产的 1100mm*1250mm 单结晶非晶硅太阳电池,其初始效率高于 9%。其稳定输出功率接近 80W/ 片。 商品晶体硅太阳电池还是以 156mm*156mm 和 125mm*125mm 为主。 4.高温性能好 当太阳能电池工作温度高于标准测试温度 25℃时,其最佳输出功率会有所下降;非晶硅太 阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。 5.短波响应优于晶体硅太阳能电池 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装一套 6500 瓦非晶硅太阳能电站,其每千瓦发电 量为 1300KWh,而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为 1100-1200KWh。非晶硅太阳电池 显示出其极大的使用优势。下图为该电站的现场照片,第一代非晶硅太阳电池的以上优点已 被人们所接受。2003 年以来全世界太阳能市场需求量急剧上升,非晶硅太阳电池也出现供 不应求的局面。 目前存在的问题 (1)效率较低 单晶硅太阳能电池,单体效率为 14%-17%(AMO),而柔性基体非晶硅太阳电池组件(约 1000 平方厘米)的效率为 10-12%,还存在一定差距。 相同的输出电量所需太阳能电池面积增加, 对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用,如农村和西部地区。 我国目前尚有 约 28000 个村庄、700 万户、大约 3000 万农村人口还没有用上电, 60%的有电县严重缺电; 光致衰减效应也可在电量输出中加以考虑,我们认为以上缺点已不成为其发展的障碍,非晶 硅太阳能电池已迎来新的发展机遇。 (2)稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减,所谓的 W-S 效应,是影响其大规模生产的重要因素。目前, 柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过 10%,已具备作为空间能源的基本条件。 (3)成本问题 非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的 5 倍左右,因此项目投资有一定的资金壁 垒。且,成本回收周期较长,昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。 非晶硅薄膜电池的市场使用 (1)大规模发电站 1996 年美国 APS 公司在美国加州建了一个 400 千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业震动。Mass 公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约 5MWp 的非晶硅太阳能电池。 日本 Kaneka 公司年产 25MWp 的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座 500KWp-1000KWp)。 德国 RWESchott 公司也具有 30MWp 年产量,全部用于建大规模太阳能 电站。 (2)和建筑相结合,建造太阳能房 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线 透过玻璃进入室内,为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨,又能发电;美国, 欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅组件。 (3)太阳能照明光源 由于非晶硅太阳能电池的技术优势,同样功率的非晶硅太阳能灯具,其照明时间要比晶体硅 太阳能路灯的照明时间长 20%,而其成本每瓦要低约 10 元人民币。上海尤利卡公司于 2003 年-2005 年已为松江区的太阳能路灯提供了 400 多个非晶硅太阳能路灯电源,其冬天的发电 效果明显优于晶体硅。 (4)弱光下使用 由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电,已被广泛用于太阳能钟,太阳能手表,太阳 能显示牌等不直接受光照等场合下。 碲化镉薄膜电池 简介 (1)碲化镉 CdTe 是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,带隙 1.5eV,和太阳光谱非常匹配,最适合于光电能量转换, 是一种良好的 PV 材料,具有很高的理论效率(28%),性能很稳定,一直被光伏界看重,是 技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。CdTe 薄膜太阳电池通常以 CdS/CdTe 异质结为基础。尽管 CdS 和 CdTe 和晶格常数相差 10%,但 它们组成的异质结电学性能优良,制成的太阳电池的填充因子高达 FF=0.75。 (2)制备工艺 制备 CdTe 多晶薄膜的多种工艺和技术已经开发出来,如近空间升华、电沉积、PVD、CVD、 CBD、丝网印刷、溅射、真空蒸发等。丝网印刷烧结法:由含 CdTe、CdS 浆料进行丝网印刷 CdTe、CdS 膜,然后在 600~700℃可控气氛下进行热处理 1h 得大晶粒薄膜.近空间升华法: 采用玻璃作衬底,衬底温度 500~600℃,沉积速率 10μm/min.真空蒸发法:将 CdTe 从约 700℃加热钳埚中升华,冷凝在 300~400℃衬底上,典型沉积速率 1nm/s.以 CdTe 吸收层, CdS 作窗口层半导体异质结电池的典型结构:减反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背电极。 碲化镉电池现状 (1)转换效率 碲化镉薄膜太阳能电池的发展受到国内外的关注,其小面积电池的转换效率已经达到了 16.5%,商业组件的转换效率约 9%,组件的最高转换效率达到 11%。国内四川大学制备出转 换效率为 13.38%的小面积单元太阳能电池,54cm2 集成组件转换效率达到 7%,正在进行 0.1m2 组件生产线的建设和大面积电池生产技术的研发。 (2)成本估算 1MW 碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的 成本 可见,碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体,分别占到消耗材料总成本的 45.4%和 38.2%。如将碲化镉薄膜的厚度减薄 1 微米,则碲化镉材料的消耗将降低 20%,从而使材料 总成本降低 9.1%,即从每峰瓦 6.21 元降为 5.64 元。如使用 99.999%纯度的碲化镉,效率依 然能达到 7%,材料成本还将进一步降低。 注:成本计算依据①虑电池的结构为玻璃/SnO2: F /CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni ②碲化镉薄膜的厚度为 5 微米③转换效率为 7%, (3)碲资源 碲是地球上的稀有元素,发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量 是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及使用。工业上,碲主要是从电解铜或 冶炼锌的废料中回收得到。据相关报导,地球上有碲 14.9 万吨,其中中国有 2.2 万吨,美国 有 2.5 万吨。 在美国碲化镉薄膜太阳能电池制造商 First Solar 年产量 25MW 的工厂中, 300~340 公 斤 碲 化 镉 即 可 以 满 足 1MW 太 阳 能 电 池 的 生 产 需 要 。 考 虑 到 碲 的 密 度 为 6.25g/cm3,镉的密度为 8.64g/cm3,则 130~140 公斤碲即可以满足 1MW 碲化镉薄膜太阳能 电池的生产需要。 由以上数据可以知道,按现已探明储量,地球上的碲资源可以供 100 个 年生产能力为 100MW 的生产线 太阳能电池组件和其他能源的镉排放 量的比较图 太阳能电池的排放量均小于 1g /GWh,其中 又以碲化镉的镉排放量最低,为 0.3 g / GWh。 关键技术 (1)结构&工艺 图 2 硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池的 重金属排放量的比较图 碲化镉太阳能电池 的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放 量也比硅太阳能电池的低。 硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的沉积和后 处理是获得高效率的技术关键。 图 3 碲化镉薄膜太阳能电池组件集成结 构示意图 (2)激光刻蚀 图 4 碲化镉薄膜太阳能电池组件制备工艺流程 图 图 5 是分别用 1064nm 激光和 532nm 的激光刻划 CdS/CdTe 薄膜后, 用探针式表面轮廓分析仪测量的刻痕 形貌。1064nm 激光刻划的刻槽边缘有 高达 4 微米的脊状峰,这不利于后 续沉积的背电极接触层及金属背电极 和透明导电薄膜之间形成连续的具有 良好欧姆特性的连接。 图 5 CdTe 薄膜激光刻划刻痕形貌 (3)表面腐蚀技术 图 6 不同温度下使用硝酸-冰乙酸腐蚀后碲化镉的 XRD 谱图 前景展望 使用磷酸-硝酸混合溶液可 以获得较好的腐蚀效果,典型溶 液的体积浓度为(硝酸:磷酸: 水)0.5:70:29.5,室温下腐蚀 时间为 1 分钟。降低硝酸浓度和 温度可以进一步延长腐蚀。磷硝 酸溶液沿晶界的择优腐蚀较为严 重,容易在沉积背电极后形成局 部的短路漏电通道。使用硝酸-冰 乙酸溶液可以进一步减轻晶体择 优腐蚀程度,获得更好的膜面腐 蚀效果。 目前,碲化镉薄膜太阳能电池的生产成本正在逐步接近、甚至低于传统发电系统的, 这种廉价的清洁能源在全世界范围内引起了关注,各国均在大力研究解决制约碲化镉薄膜太 阳能电池发展的因素,相信存在的问题不久将会逐个解决,从而使碲化镉薄膜电池成为未来 社会的主导新能源之一。 铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 简介 CIGS 是一种半导体材料,是在通常所称的铜铟硒(CIS)材料中添加一定量的ⅢA 族 Ga 元素替代相应的 In 元素而形成的四元化合物。鉴于添加 Ga 元素后能适度调宽材料的带隙, 使电池的开路电压得到提高,因此,近年来 CIGs 反而比 CIS 更受关注。 单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料,尤其单晶硅,在电子、信息科学领 域占据着不可撼动的地位,作为硅太阳电池,只是它诸多的重要使用之一。和硅系太阳电池 在材料性质上有所不同的是:CIGS 属于化合物半导体范畴。固体物理学的单晶硅金刚石型 晶体结构和 cIGs 黄铜矿型晶体结构如下图所示。 在化合物半导体系列太阳电池家族中,某些成员也有不凡表现,如砷化镓(GaAs)太阳 电池,其最高的光电转换效率使其他类型的太阳电池难以望其项背。然而,其高昂的制备成 本使其只能使用于高层次的不计工本的特殊场合,如太空、军事领域。在各领风骚的太阳电 池阵容中,CIGS 太阳电池以其特性方面的闪光点脱颖而出。 性能特点: 1.多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料 用来制备 CIGS 太阳电池的材料是多晶态。一般多晶材料的制备难度和成本都低于单晶材料, 这一点对产业化和民用化具有重要意义。理论和试验结果都证实,制备 CIGS 电池器件工艺 中,对成分配比的离散相对有较大的宽容度,对材料纯度和制备温度的要求也低于常规晶态 的半导体工艺。这为工业化制备的良品率和制备成本的优化提供了较大的空间。 2.相对较高的光利用特质 用半导体专业语言来讲,CIGS 是一种直接带隙材料,对可见光的吸收系数高达 105(cm-1), 优于其他电池材料。对比图 2 中的各种薄膜电池材料吸收系数的曲线,可知 CIGS 材料的吸 收系数最高。CIGS 薄膜电池的吸收层仅需 1~29m 厚,就可将阳光全部吸收利用。因此,CIGS 最适合做薄膜太阳电池,其电池厚度薄且材料用量少,大大降低了对原材料的消耗,减轻了 In 等稀有元素的资源压力。 3.光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首 目前太阳电池家族中,尚存在几种不同材料类型的薄膜电池。如硅基薄膜电池、碲化镉薄膜 电池等。但值得提出的是,在所有类型的薄膜太阳电池中,CIGS 薄膜太阳电池的光电转换 效率在理论上和实际上都是最高的,迄今实验室最高效率已超过 20%,仍没封顶。 4.电池发电稳定性好 电池的稳定性是描述电池使用价值的另一个非常重要的指标,尤其对电站来讲,是首要指标, 同时也直接影响到电池的能量回收水平及使用寿命的长短。有试验证明,CIGS 薄膜电池组 件在户外条件下使用,历时三年之久,性能没有衰减,并非每种太阳电池都能有这种出色的 表现。 5.弱光发电性能好 弱光发电性能不容忽视。太阳的光强有四季、早晚、阴晴的变化。因此,我们不仅要重视太 阳电池在强光下的峰值发电能力,更要关注一天或一年时段中的累计发电量,即追究太阳电 池的弱光发电能力。正是在这一指标上,和不同类型太阳电池相比,CIGS 太阳电池有着突 出的表现。在晨昏时节、阴天冬季,仍具有相当的发电能力。 6.抗辐照能力强 CIGS 材料的 Cu 迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力, 这就保证了 CIGS 太阳电池在强辐射下的良好反应。如同摆擂台一样,将几种太阳电池置于 1MeV 电子辐照下,结果屉示,大多数电池输出功率明显衰退时,C1S(CIS 在此可代表 CIGS) 电池却无任何衰减(见下图)。在领取用作空间电源的通行证的竞争中,CIGS 太阳电池顺利过 关。 7.外观漂亮 CIGS 薄膜太阳电池组件因其黑亮沉穆的色泽备受赞叹(因其极高的吸收系数)。无论作为屋顶 或幕墙,CIGS 薄膜电池无疑是功能建筑一体化的最佳选择,作为发电功能和装饰效果的完 美组合,CIGS 独具风格。 8.带隙可依性能要求调节 带隙可依性能要求调节,这为高性能的叠层电池奠定了基础。CIGS 材料晶型为黄铜矿结构。 通过调节材料的成分及其配比,CIGS 有多种结构。例如不掺 Ga 的 CIS 三元化合物材料做成 的太阳电池,其材料的半导体禁带宽度是 1.04eV;如用适量的 Ga 取代 In,成为四元化合物 (CIGS),其禁带宽度可在 1.04~1.67eV 范围内连续调整。优点:可根据和太阳光谱匹配的要 求来调整最佳带隙(1.5eV);容许材料成分配比有一定的偏差和漂移,而不丧失器件的光伏性 能。尤其在产业化工程中,可提高工艺条件的宽容度和良品率的保证。 9.可做柔性电池 CIGS 材料的光吸收系数最高,吸收层可做得很薄。实际上 CIGS 薄膜电池各层叠加起的总厚 度4μm,具有充分的柔软性。沉积在金属箔或高分子塑料薄膜上,就成为可折叠、弯曲的 柔性电池。 柔性电池用途更加广泛和方便,可用于帐篷、屋顶、探测气球及各种异型表面,尤其适合便 携和随机使用。在同样的发电能力下,CIGS 薄膜电池重量最轻。 各种类型太阳能电池技术和效率比较 理论效率和目前实验室效率、商业效率之间的比较 不同衬底类型薄膜电池和组件效率比较 注: 以上数据来源于 2012 年太阳能光伏技术发展及使用研讨会,上海空间电源研究 所《铜铟镓硒薄膜太阳电 池技术研究》。 产业化进展及发展趋势 ? 国外产业化技术整体进展 ? 技术发展趋势 新进机构:如杜邦、IBM、Intel、陶氏化学、Bosch、台积电,…… 注:以上数据来源于 2012 年太阳能光伏技术发展及使用研讨会,上海空间电源研究所《铜铟镓硒薄膜太 阳电池技术研究》。 国内研究现状 目前国内有多家高校、研究所、企业在进行 CIGS 薄膜太阳能电池的研究,包括南开 大学、上海空间电源研究所,中电 18 所、山东孚日等。一些新 进的机构包括广东榕泰、 深圳浩德,中科院太阳能研发中心等。对于国内 CIGS 技术研发和产业化发展的要求是,需 要系统化、深入化,并寻求突破和 发展。相信随着科技的不断进步和发展,国内 CIGS 的 相关研发及使用会迈上一个新的台阶。 CIGS 薄膜太阳能电池会是下一代领跑者吗? 据汉能董事局主席李河君说,在此次收购完成后,汉能薄膜太阳能电池的产能将超过 3GW, 一举超越美国第一太阳能(First Solar),成为全球最大的薄膜组件企业。在感叹我国光伏企 业海外并购步伐之大的同时,我们心中也不免会产生疑问:暂不谈该项技术在国内的本土化 进程,只从技术路线而言,CIGS 电池能否超越晶硅电池和硅基薄膜技术,成为光伏领域下 一代的领跑者还有待验证。 何为 CIGS CIGS 电池是由铜(Copper),铟(Indium),镓(Gallium), 硒(Selenium)等几种元素的化合物作为原料生产的薄膜化合物太阳能电池。其制作工艺有 共蒸发法和溅射后硒化法等。CIGS 电池由最初的 CIS 电池发展而来,薄膜材料 CIS 是在 1953 年由 Hahn 首次合成;1974 年贝尔实验室的 Wagner 等人制备出了第一块 CIS 太阳能电池; 上世纪 80 年代,波音公司和 ARCO Solar(即 Siemens Solar)公司分别用共蒸发和溅射硒化法进 行了进一步研究;之后,又将 CIS 的材料中掺入镓(Ga)和硫(S)元素使之和太阳光谱更 匹配,美国再生能源实验室(NREL)发明了拥有更高的光电转换效率的 CIGS 电池,这就是现 代 CIGS 太阳能电池的雏形。之后又经过不断的技术改良和创新,CIGS 的转化效率不断提高, 目前量产的 CIGS 的组件转化效率可以达到 10%到 13%左右,高于一般的硅基薄膜组件。 相 较于传统的晶硅组件以及硅基薄膜组件,CIGS 电池具有转换效率较高,使用寿命较长,单 片组件生产成本较低,可塑性较强,安全性较高以及生产过程中不需要提炼高纯度原料等特 点。 首先,其转换效率较高。CIGS 电池是在薄膜太阳能电池中具备最高转化效率的电池之 一,德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)采用共蒸发法曾在 0.5 平方厘米的 CIGS 电池上达到了 20.3%的高转化效率,使 CIGS 薄膜的效率和仍然主导市场的多晶硅太阳能电池之间的差距缩 小到了 0.1%。就连一般的量产 CIGS 组件,其转化效率也可以达到 10%到 12%左右,高于一 般的硅基薄膜组件的 5%~10%。 其次,其使用寿命较长,稳定性高。一般的硅基薄膜电池 组件,在使用后的短时间内,其转化效率就会有较大幅度的跌幅。而 CIGS 电池则可以有更 高更稳定的使用寿命。 第三,其低成本预期可加速实现。由于 CIGS 电池的转化效率较高, 每提高 1%的转化效率,其成本预期便会降低 10%左右。而且,CIGS 电池的薄膜厚度仅是硅 基薄膜组件的百分之一左右,即 2μm 至 3μm,相同面积使用的材料则更少。另外,其基 板材料也是较为廉价的碱石灰玻璃。再者,对原料纯度要求并非十分苛刻。这一系列原因, 都预示着单片 CIGS 电池较低的生产成本。 另外,能源回收周期短。根据迈哲华咨询(中国) 公司的相关数据分析,相对于其他组件,CIGS 电池的 EPT(Energy Payback Time)更短。所 谓 EPT,即能量回收周期,指的是在生产太阳能电池的过程中使用的能量,和制作完成的太 阳能电池发电产生的能量等同时所需要的时间。EPT=生产太阳能电池的过程中使用的能量÷ 制作完成的太阳能电池一年发电产生的能量。在能源回收利用的效率上,CIGS 电池有着更 大的优势。 但是,尽管 CIGS 电池相对于硅基薄膜组件有着诸多优点,但是其本身的局限性 也是不容忽视的。例如,薄膜组件生产过程中共同的软肋:前期投资成本高,设备要求高, 生产过程复杂;以及目前 CIGS 电池关键原料的供应并不十分充足,远不如晶硅组件原料般 普及;而且,关于其生产过程中可能产生有害物质的争议也从来没有停息过。这些,都是目 前制约 CIGS 电池发展的主要因素。 CIGS 技术前景如何? 目前全球 CIGS 电池的市场情况如 何呢?2012 年,受全球太阳能发电市场不景气的影响,CIGS 组件的产能也受到了不小的冲 击,尽管目前 2012 年具体的数据还尚未统计出来,但是从 2011 年全球前 7 位的组件厂商 的现状,便可以了解一二。目前全球 CIGS 电池的产能虽然较小,但是整体市场状况和晶硅 组件一样不容乐观,尽管这其中有受全球光伏市场疲软的影响因素,但是 CIGS 电池组件生 产本身的高投资成本,和小众化的市场等,也是导致其在全球市场中表现不佳的症结所在。 那究竟为什么在全球 CIGS 电池市场当下并不景气的情况下,汉能依旧出巨资收购 MiaSolé 等 CIGS 电池企业呢?笔者认为,首先是因为 MiaSolé光伏组件具有较高的转化效率技术,据 汉能董事局主席李河君说,该技术的量产转化效率达 15.5%,并且该技术预期两年内也能有 较大的提升空间,汉能收购 MiaSolé预示着对其技术能力的肯定和高预期;其次,由于美国 市场对我国组件企业的双反等成为了我国组件厂商进入美国市场的最大阻碍之一,汉能此番 收购美国本土公司,可以较好地越过贸易壁垒,为今后在美国市场的发展打下基础;再者, 由于现在 CIGS 电池整体行业的不景气,对其厂商的收购价格也较为低廉,所以汉能选在现 在完成对 MiaSolé的收购,也是较为合适的时机。 除汉能外,国际上如三井物产等诸多大型 跨国公司,早已在 2011 年光伏产业进入寒冬之前,便将下一代的光伏技术如 CdTe(碲化镉) 电池以及 CIGS 电池等化合物薄膜电池作为晶硅组件的下一代潜在替代品,进行了产业战略 布局。目前相较于这些传统的跨国公司,我国企业在 CIGS 电池行业上的产业步伐其实也毫 不落后。 那么,CIGS 电池未来的市场前景又将如何呢?根据迈哲华咨询(中国)公司的分 析预测,到 2016 年,全球 CIGS 电池的产能,将达到 4GW,市场规模也将达到 200 亿元人 民币左右,成为超越硅基薄膜组件、持平 CdTe 薄膜电池组件的全球最大规模薄膜组件产业 之一。但是短期之内,CIGS 电池组件想要成为替代晶硅组件的国际主流太阳能电池组件, 形成庞大的产业链和供需关系,就目前看来可能性还是很小。 那么,中国 CIGS 电池产业在 今后将如何发展,才能在全球的 CIGS 电池市场中占据有利地形呢?笔者认为,中国 CIGS 电 池产业要获得快速可持续的发展,有赖于几方面内外部条件:首先,企业自身的运作,应避 免重蹈晶硅组件过于注重产能的覆辙,重技术而轻产能——努力降低企业前期的设备投入成 本,将整体交钥匙产线拆分拆细,拥有自己的高效率产线,以降低对海外设备的依存度,使 前期设备技术投入成本成为阻碍 CIGS 电池产业的非主要因素,并且不断积极开发新技术, 致力于发展提高转化效率,降低组件材料成本等核心竞争优势;其次,我国 CIGS 电池企业 对外应不断积极拓宽国内以及海外市场,以形成一批和目前国内晶硅组件同样具备国际化品 牌竞争优势的龙头企业;再次,国家对 CIGS 电池国内市场的扶植也是不可或缺的,我国可 以将对 CIGS 电池产业的促进,作为一项长期稳定的战略规划来部署,视市场发展状况逐渐 完善强化 CIGS 电池的产业链,以期在下一代的光伏市场竞争中,使我国企业占据有利地势。 以同为化合物薄膜电池的 CdTe 电池为例,笔者曾在 2011 年拜访过一家国内较早涉及 CdTe 电池行业的企业之一,上方能源。该公司表示,为了扶植新兴太阳能电池发展,绍兴市政府 和其共同出资 15 亿元人民币,在绍兴投资了产能达 500MW 的 CdTe 电池生产线。笔者认为, 绍兴市政府对 CdTe 电池产业的扶植,对同样是新兴技术的 CIGS 电池在国内市场的发展十分 具有可供参考的借鉴意义。 尽管到目前为止,CIGS 电池在不远的将来能否成为晶硅组件的 革命性替代产品还是未知数,但是对技术创新的鼓励和支持,是社会和科技进步和发展的原 动力,是各国都应当认真对待的重要课题之一。 就在汉能对美国 CIGS 薄膜组件企业 MiaSol é完成并购的当天,日本 CIGS 电池厂商 Solar Frontier 宣布,日前通过溅射和硒化工艺,刷新 了无镉 CIGS 薄膜太阳能电池的转换效率纪录,使其实验室转化效率达到了 19.7%。由此看 来,我国 CIGS 光伏企业现在还远不到志得意满的时候,在国际光伏行业的舞台上,唯有不 断技术创新,才能使自己屹立于行业潮头。 砷化镓(GaAs)薄膜电池 砷化镓简介 砷化镓(GaAs)半导体材料和传统的硅材料相比,它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直 接带隙,消耗功率低的特性,电子迁移率约为硅材料的 5.7 倍。因此,广泛使用于高频及无 线通讯中制做 IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常使用于激光器、 无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。砷化镓除在 IC 产品使用以外,也 可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应,达到所对应的光波波长,制作成光电元件。 还可和太阳能结合制备砷化镓太阳能电池。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的基本构想 在薄膜光伏电池中,非晶硅电池效率低下,且稳定性有待提高。尽管硫化镉、碲化镉薄膜电 池的效率较非晶硅薄膜电池效率高,成本较晶体硅电池低,且易于大规模生产,但是镉有剧 毒,会对环境造成严重污染,硒和铟是储量很少的稀有元素,因此大规模发展必将受到材料 制约。而砷化镓化合物材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收效率,适合于制造高 效电池。此外,还可以通过叠层技术做成多结砷化镓基电池,以进一步提高转换效率。但是, 由于砷化镓基材料价格昂贵,砷化镓薄膜电池目前只在航天等特殊领域使用,离地面使用的 商业化运行还有很大距离。 为了降低光伏电池的发电成本,可采取的有效途径之一就是研发和使用砷化镓薄膜电池聚光 发电系统。在获得同样输出功率情况下,可以大大减少所需的砷化钾薄膜电池面积。相当于 用比较便宜的普通金属、玻璃材料做成聚光器和支撑系统,来代替部分昂贵的砷化镓薄膜电 池。在这种聚光系统中,如果聚光率超过 10 倍以上,则系统只能利用直射阳光,因而必须 采用跟踪系统相互配合,才能充分发挥效能。在固定温度下,光伏电池效率随聚光率变化的 一般趋势是,在低聚光率时,电池效率随聚光率的增加而增加,在高聚光率时,则随聚光率 的增加而降低。光伏电池在高聚光大电流下,其工作温度的升高将导致效率的下降,因此, 聚光跟踪系统还需要配备有效的散热设备。考虑到系统的整体经济性,可以通过主动制冷方 式,在对光伏电池快速散热的同时,充分利用热能生产热水,最终实现实现太阳能光热和光 伏的综合利用,以充分发挥整体效能。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的组成 1.电池片 市场上的聚光光伏电池系统组件大部分仍采用单晶硅太阳能电池,基于砷化镓基多结太阳能 电池的产品在国际市场上刚刚崭露头角,尚未进入国内市场。高效太阳能电池是聚光光伏、 光热综合利用系统的核心部件。在 500-1000 倍的高倍聚光条件下,其芯片和模组制作工艺 都和低倍聚光下不同,需要重新设计工艺条件。在适合高倍聚光的光伏电池工艺中应充分借 鉴激光器、发光二极管等器件的先进设计方法。采用低成本、高热稳定性的不含金的合金作 为 III-V 聚光光伏电池顶部网格电极材料,通过优化电极结构和制作工艺,在不改变电池外 延结构的条件下,开发出 500 至 1000 倍聚光下高效多结光伏电池低成本产业化生产工艺, 使光电转换效率达到 30%,并获得较高的工作稳定性。 2.聚光器 由于高效砷化镓光伏电池的生产成本较高,因此提高聚光器的聚光倍数、聚光效率和均匀性 成为充分发挥砷化镓光伏电池效率优势、降低聚光光伏、光热综合利用系统成本的关键之一。 光伏聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光聚焦到光伏电池上。按光学类型划分,常用的聚光 系统通常分为折射聚光系统和反射聚光系统。对于实际使用来说,菲涅尔透镜成为理想之选。 它的聚焦方式可以是点聚焦,也可以是线聚焦。点聚焦时,将太阳光聚焦在一个光伏电池片 上;线聚焦时,将太阳光聚焦在 光伏电池组成的线列阵上。反射式聚光系统也可以分为点 聚焦结构和线聚焦结构。但是传统菲涅尔透镜存在难以实现的高接收角、聚光后光强分布不 均匀和易老化变形等问题。而反射式聚光器聚光倍数较低,难以大幅度降低发电成本。 3.跟踪器 对于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统来说,对日跟踪器必不可少。这主要是由于随着聚光 比的提高,聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越小,为了更加充分地利用太阳光,聚 光光伏系统必须辅以对日跟踪装置。因此,通过对聚光光伏系统跟踪信号的产生、自动控制 的机理、驱动执行部分的实现以及保护应急措施的考虑,研究出跟踪精度高、运行安全可靠、 抗干扰能力强、制造和运用成本低、用户操作界面友好的太阳能跟踪器,对于成功开发砷化 镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是至为重要的。目前,对日跟踪器的设计方案众多,形式不拘 一格。点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪,线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪。由于砷 化镓薄膜电池 聚光跟踪发电系统不得不经受安装地区恶劣的气候条件,如风、沙、冰雹、 雨、雪等的侵蚀和损坏,因此,跟踪系统的可靠性仍需进一步的提高。 4.散热器 温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一。聚光太阳电池在运行过程中,未被利 用的太阳辐射能除一部分被反射外,其余大部分被电池吸收转化为热能。如果这些吸收的热 量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低,而且电池长期在高温下工作还会 因迅速老化而缩短使用寿命。因此,为了实现对电池组件的温度控制,可采用无机超导热管 技术。即以多种无机元素组合而成的传热介质,加入到管腔或夹壁腔内,经真空处理且密封 后形成具有高效传热特性的元件。该 元件将热量由一端向另一端快速传导的过程中,表面 呈现出无热阻快速波状导热特性。它既可保证聚光光伏电池的光电转换效率,同时又能获得 相当可观的光热收益,实现对太阳能的电热联用,以满足普通用户日常生活用电和热水。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的开发意义 在各国政府的大力支持下,以及光伏市场的需求和聚光光伏技术迅猛提高的趋势下,高效、 低廉、可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化。在国际光伏市场巨大潜力的推 动下,中国作为世界能源消耗第二大国,对于高效、低成本的光伏发电系统的需求更为迫切。 和国际上蓬勃发展的光伏发电相比,国内平板式光伏发电系统技术已经比较成熟,而聚光光 伏发电系统还处于技术开发阶段。只要我们抓住有利时机,瞄准国际光伏电池新材料及器件 研究的前沿,积极引进和开发成熟砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统,就能在聚光光伏技术 及使用方面取得原创性的、突破性的进展。 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是一个技术水平高、涉及学科多、带动作用强的综合产业。 在这个产业链上,包括了研制系统所需要的钢材、玻 璃、塑胶材料等产业;包括了和聚光 器、跟踪器所密切相关的精密仪器加工和自动控制等产业;包括了和高效太阳能电池相关的 关键设备制造、III-V 族半导体材料外延和器件制作等产业,包括了和太阳能光热利用相关 的传热、水箱、管道等产业,还有相关的蓄电池、逆变器和控制器等产业。因此,通过研发 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统,能够带动相关产业的迅速发展,提高相关产业的整体研 发水平,同时创造更多的就业岗位。 发展砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统,具有良好的节能减排、环境保护和推广使用等社会 效益。同时,砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的研发和推广,必将对普及太阳能知识,增 强全社会对新能源的认识,加快新能源的推广、使用和普及步伐,产生积极而又深远的影响。

  

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