【CITPV】中国薄膜太阳电池发展历程与展望

Inst. Of Photo-electronics 薄膜太阳电池 发展 历程 与 展望 孙 云 sunynankai.edu.cn 南开大学电子信息与光学工程学院光电子 研究所 杭州 2019年 9月 5日 Inst. Of Photo-electronics 已 商品化 的 薄膜太阳电池 硅薄膜电池 碲化镉电池 铜铟镓硒电池 原材料 丰富 、 无毒 、 无 污染 ,工艺 简单可靠 ,裁剪方便 ;转换效率低 ， 有光致衰退 ， 被主流 市场 淘汰 。 与太阳光谱有最佳 匹配的禁带 宽度； 不衰退；抗辐射 能力最 强； 负温度 系数最低 。 有源层光吸收系数最高 ， 电池器件 光谱 响应宽 ， 不衰退 、 薄膜 电池中转换效率 最高 ， 可制备为 高效 柔性电池 。 1） 弱光响应好 ， 抗辐照能力强 ， 内联式组件强光下内耗小 ， 无遮挡效应 ， 可制成柔性； 2） 塑料 、 金属 箔等廉价材料为衬底 ， 器件 厚度在微米量级 ， 材料消耗低； 3） 低温制备 ， 能耗低 ， 缩短能源回收期短； 4） 大面积连续化生产 ， 材料 、 器件 、 商品化的组件在一个车间内同时完成 ， 缩小 了产业链 ， 物流成本低 。 薄膜电池的特点 Inst. Of Photo-electronics 三种薄膜太阳电池与晶硅电池比较 电池种类 技术 成熟度 实验室 纪录 产线 组件 平均 效率 材料 消耗、 能耗 优点 缺点 晶硅电池 10分 单晶 26.7 单晶 18～ 19 较高 效率高 工艺成熟 材料消耗及能 耗较高 多晶 21.4 多晶 17～ 18 硅基薄膜 10分 16.3 （三结） 7～ 10 低 工艺 简单原料储量丰富 转换效率 低 被淘汰 碲化镉 9分 22.1 15～ 17 低 效率高、不衰 退 使用重金属材 料 铜铟镓硒 8分 23.4 13～ 16 低 效率高、不衰 退 对 设备 工艺 要求高 Inst. Of Photo-electronics 几种薄膜太阳电池 的量子效率 铜铟镓硒太阳电池 非晶硅 /微晶硅太阳电池 碲化镉太阳电池 Inst. Of Photo-electronics 硅薄膜太阳电池 包括非晶硅、微晶硅、非晶硅锗等材料制作 的单结及叠层太阳电池 非晶硅单结电池 结构与工艺 硅薄膜三结叠层电池 结构与工艺 硅薄膜双结叠层电池 结构与工艺 Inst. Of Photo-electronics 不锈钢柔性衬底硅薄膜 叠层电池 （ 2） 美籍华人 邓勋铭迅力太阳能公司具有相同产 能的产线 ， 后将产线从美国搬到昆山 。 （ 1） Uni-Solar公司 25MW a-Si/a-SiGe/a-SiGe叠 层电池 , 天津 尤尼索拉引进了该公司后道封装 线 。 组 件效率 8～ 9。 Inst. Of Photo-electronics 我国硅薄膜太阳电池研究是从上世纪七十年代末开始起步 非晶硅太阳电池 “ 六五 ” 期间 （ 1981年 ～ 1985年 ） 南开大学 、 中科院半导体所 、 北京有色金属研究院 、 中 科大研究生院 、 北京大学 、 北京太阳能研究所等 单位开展 研究 。 国家 “ 七五 ” 科技攻关 （ 1986年 ～ 1990年 ） 国家科委投资 1500万元 ， 由 11个单位对非晶硅电池进行联 合攻关 ， 其中 包括北京有色金属研究总院 、 南开大学 、 中科 院 半导体所 、 山东大学 、 中科院上海硅所 、 华中科技大学 、 四川大学 、 兰州大学 、 北京大学 等 ； 南开 “ 六五 ” 研发出 “ 四室 PECVD”， 可制备 100cm2组件 南开 “ 七五 ” 研发出 “ 七室 PECVD” Inst. Of Photo-electronics 国家 “七五”科技联合公关 成果 在有色院开发建立 30cm 30cm非晶硅薄膜电池组件中试线 ， 及 1000W电站 。 南开大学开发出 “ 分室连续沉积非晶硅电池组件试验线 ” ， 向有色院转移技术 。 半导体 做冲击非晶硅电池效率突破 11效率； 华中科技大学开发研究 a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结电池； 中科院上海硅所开发不锈钢带柔性非晶硅电池； 山东大学研究透明导电膜 SnO2F,为中试线提供设备与技术； 四川大学 、 兰州大学 、 北京大学等研究非晶硅电池材料与器件机理 （ 包括衰退 ） * 孙云 、 王广才 、 胡景康 、 王宗畔 、 孙钟林 ， 400cm2单结集成形 a-Si太阳电池的研制 ， 太阳能学报 ， 1992， 第二期 ** 孙云 ， 我国薄膜太阳电池的发展历程回顾 ， 中华新能源 ， 2016.4， 总第 17期 Inst. Of Photo-electronics “七五”科技攻关获得国家计委、国家科委、国家财政部联合表彰 “ 七五 ” 还一项重要成果为我国光伏科技培养了一批中坚力量和领军人物 ， 如南开孙钟林教授 、 龙焱吴选之 教授 、 半导体所廖显伯教授 、 川大冯良桓教授 、 兰州大学 （ 北理工 ） 陈光华教授等 ， 在硅薄膜电池基础上派生出 CdTe电池及 CIGS电池及人才队伍 。 从中体会到核心技术 70体现在核心设备 ， 这里需要大量的创新来实现科技进步 。 Inst. Of Photo-electronics * 八十年代末 ， 中国最早引进的薄膜太阳电池生产线 哈尔滨科罗拉太阳能电力公司 1MW非晶硅太阳电池生产线 * 九十年代初 ， 引进第二条非晶硅薄膜太阳电池生产线 深圳宇康太阳能电池公司 （ 拓日前身 ） 1MW非晶硅太阳电池生产线 产品均为单结非晶硅薄膜电池组件面积 30cm 90cm， 产品效率 3-5； * 九十年代 中下期 ， 复制宇康公司生产线 深圳创益公司 、 深圳日月环公司 、 深圳恒阳通公司 （ 盈利 ） 产品均为非晶硅小芯片 ， 为电子产品提供的微功耗光电池 。 * 2000年 ， 因美国 Solarex破产 ， 日本三洋转为 HIT电池 ， 硅薄膜电池组件在市场由 1/3降到 7， 退出主流市场 。 “八五”、“九五”期间硅薄膜电池进展（ 1991～ 2000） * 开发出硅薄膜电池叠层组件 1991年 ， 为降低硅薄膜电池 “ SW” 效应 ， 南开首次制备出 400cm2a-Si/a-Si叠层组件效率 6， 1992年达 7.2； 1992年～ 1995年 ， 国家 “ 八五 ” 科技攻关有色院继续优化中试线 ， 南开将 400cm2 叠层组件效率提升到 8.28， 稳定效率为 7.35； Inst. Of Photo-electronics 硅 薄膜太阳电池一度成为薄膜电池主流产品 本世纪初晶硅原料紧张 ， 南开帮助津能投资公司引进美国 EPV单箱体多片装 5MW非晶硅叠层 太阳电池产线 ， 唤起起了对硅薄膜电池产线的投资热情 。 国内很快复制实现了国产化 ； 其中包 括福建钧石 ， 蚌埠普乐等公司 。 国家 “ 973” 计划连续 3个五年重点投入 ， 一些专家的 忽悠 推波 助 澜 ， 使 硅薄膜电池成为最有发展前景 的光伏 器件 ， 我国产能一下达到 5GW以上 ， 国外 一些 设备公司纷纷给中国企业定做产线 ， 包括应 用 材料 、 欧瑞康 、 日本爱发科等公司 。 随着晶硅电池成本快速降低 ， 硅薄膜电池 没有竞争力而被市场淘汰 ， 设备厂赚的盆满钵 满 ， 薄膜电池厂一片狼藉 ， 基本没有盈利的 ， 甚至是血本无归 。 因此 ， 给薄膜电池整体造成极坏影响 。 Inst. Of Photo-electronics 欧洲 Oerlikon 公司的多片单室多室结合的 PECVD镀膜技术 美国应用材料公司的太阳电池 生产线 日本爱发科 国外专门给中国制造的硅 基薄膜太阳电池 生产线 Inst. Of Photo-electronics 硅基薄膜电池发展方向 （ 1） 扬长避短 ， 电子产品电源； （ 2） 在晶硅衬底制备非晶硅薄膜异质结电池 ； Inst. Of Photo-electronics 碲化镉（ CdTe薄膜太阳电池 CdTe分子高温不分解 ， 采用 “ 气相输运法 ” 和 “ 近空间升华法 ” ， 一分钟即可完成大面积电池组件吸收层 5～ 7μm厚度的制备 ， 材料成本和制造成本很低 ， 是国际上最早实现产业化的化合物半导体薄膜太阳电池 。 并 且是第一个将太阳电池组件成本降到每瓦 1美元以下 。 缺点是人们疑虑 Cd污染影响推广使用 ， 因而更适合于远离人群的高原及荒漠电站 ， 集中使用 、 集中管理 。 Inst. Of Photo-electronics * 美国 First Solar 公司 产 能 11.3GW 转换效率 世界纪录 22.1（ 1cm2），组件冠军效率为 18.6（ 7039cm2） ,量产组件平均效率 16.7； 1.2m 2.0m（ 2.4m2）组件效率 18，输出功率 440W。 2018年在越南投产， 2.47m2组件平均效率达到 17,输 出功率为 420W; * 美国 Reel Solar Power,Inc（简称 RS）公司 采用电沉积法生产 CdTe电池组件技术路线， 2018年组件效率达到 15（ 1.1m 1.4m），输出 230W。 碲化镉（ CdTe）太阳电池 Inst. Of Photo-electronics 碲化镉（ CdTe）薄膜电池国内状况 （ 1） 四川大学是我国最早研究 CdTe薄膜电池机构 ， 从上世纪末承担国家 “九五 ”科技 攻关 及 “十五 ”863 重点项目资助 ， 开发建立了我国 “ 碲化镉薄膜太阳电池试验平台与中试线 ” ， 制备出 30cm 30cm玻璃 基底组件效率超过 8； 与 无锡尚德 合作承担 “ 十一五 ” 863重点项目 ， 开发出 2MW示范线 ， 目前小面 积实验室效率达到 18.44。 另外还有中国科技大学 、 暨南大学 、 中科院电工所也分别达到了 14.4、 17、 13.3效率 。 （ 2） 杭州龙焱 能源 公司由国际知名 光伏 专家 吴选之 教授于 2008年 5月 回国后 创建 ， 从建立实验室开始 开发出中试线 ， 2011自主 研发 出 我国 第一 条 CdTe电池 组件 生 产线 。 2017年完成立了国家 “ 十二五 ” 863 重点课题 ， 小面积电池效率达到 17.8（ 0.5cm2） ,组件平均效率达到 13.46（ 7200cm2） ， 年产量 达到 31.6MW， 平均 输出功率为 85Wp～ 87Wp,良品率 95以上 ， 销售 33个国家和 地区 实现了盈利 。 2018年 12 月第二条全自动 40MW产线投产； （ 3） 中建材在成都双流投产的 80MW碲化镉产线目前状况不大了解 。 Inst. Of Photo-electronics 龙焱自主开发 40MW全国产化 CdTe电池全自动生产线 Inst. Of Photo-electronics 龙焱产品 CdTe组件应用于 BIPV 瑞典光伏小镇屋顶 瑞典光伏小镇彩色幕墙 嘉兴光伏科技馆 杭州三堡排涝工程泵站 荷兰会客厅采光屋顶 常州光伏透光走廊 Inst. Of Photo-electronics 高 性价比 的 薄膜太阳电池 铜铟镓硒（ CIGS）电池 玻璃基底电池组件，转换效率达到多晶 硅电池水平，稳定不衰退，黑色 外观更适于光伏建筑一体 化；金属箔或聚酰亚胺基底的柔性电池，不怕摔碰 ，适于 移动 便携， 若生产设备与工艺技术成熟，其 产品的性价比具有很强的 竞争力 ； Inst. Of Photo-electronics * 德国 Manz（ 前身 Wrth Solar、 Solibro、 Avancis； * 美国 Miasole、 Global Solar 、 Ascent Solar、 Stion、 Solyndra、 Solopower、 Nanosolar； * 日本 Solar Frontier、 Honda solar； * 台湾新能光电 、 台积电 * 红字 为中国大陆收购 ， 黑字 已经破产 ， 蓝字仍在运行 。 全球比较有影响的 CIGS太阳 电池生产线 Inst. Of Photo-electronics 国 家 研究机构 电池衬底 电池面积 （ cm2 电池效率 日 期 德国 Solibro/汉能 玻璃 0.5 21.0 2014 ZSW 玻璃 0.50 22.6 2018 HZB 玻璃 19.4 2010 瑞士 EMPA 聚酰亚胺 0.52 20.4 2013 美国 NREL 玻璃 0.50 20.2 2013 Global Solar 不锈钢 13.2 日本 AIST 玻璃 0.47 19.7 Solar Frontier 玻璃 1.0 23.34 2019 中国 中科院深圳先进院 玻璃 0.5 21.3 2017 四方公司 /清华 玻璃 0.46有效面积） 21.5 2018 小 面积 CIGS薄膜太阳电池技术状况 Inst. Of Photo-electronics 机 构 国家地区 面积 cm2 冠军效率 技术路线 Manz（玻璃） 德国 7200 17.2 蒸发 Solibro/汉能 （玻璃） 德国 9395 17.5 蒸发 汉能 河源 （不锈钢） 中 国 3001 17.4 反应 溅射 Avancis（玻璃） 德国 10537 13.0 溅射硒化 622（孔径） 17.9 溅射硒化 中国（中建材） 10000 15.0 溅射硒化 Solar Frontier（玻璃） 日本 841 19.2 溅射硒化 GSE/汉能 （ 不锈钢） 美国 8060 16.4 蒸发 Ascent Solar （聚酰亚胺柔性） 美国 231 14.1 蒸发 3267 11.7 尚越光电（不锈钢柔性） 中国 9980 14.1 蒸发 四方 /清华 中国 7906 13.0 四元溅射硒化 CIGS薄膜太阳电池 产线 组件 效率 Inst. Of Photo-electronics * 铜铟镓硒薄膜电池结构、制备方法和技术路线 CIGS技术路线 （ 1） 真空蒸发法 （ 一步法 ） （ 2） 预置层后处理法 （ 两步法 ） 1） 溅射后硒化 （ 真空法 ） ； 2） 非真空制备预置层与后处理； （ 电化学 、 纳米涂覆 ， RPT、 RPA CIGS 电池产业化 发展缓慢其瓶颈 在哪里 Inst. Of Photo-electronics 铜铟镓硒 （ CIGS） 薄膜是电池的核心 决定材料的主要因素 1） 元素配比与带隙梯度分布 2） 黄铜矿多晶结构与表面贫 Cu结构 将铜铟镓硒薄膜制备的技术方法称为它的技术路线 。 目前主要分为 “ 共蒸发法 ” 和 “ 后硒化法 ” 两种技术路线 ， 其他方法都是在这两类基础 上发展起来的 。 Inst. Of Photo-electronics 蒸发法制备 CIGS薄膜（一步法） atm o sph er e atm o sph er ev ac cu m v ac u u m C o n t i n u o u s C o a t i n g D epo si t ion C o m p o n en t s R aw glas s p la t e s C o ate d gla ss p la t e s 优点 薄膜材料晶相结构好 ， 应力 小 ， 带隙宽度调节容易 ， 制 备电池转换效率高； 设备紧凑 ， 生产周期短 ， 节 省贵重金属材料； 缺点 对线性源共蒸发设备要求极 高 ， 线性蒸发源的超高温度 的寿命问题 ， 蒸发室的粉尘 清理问题 。 代表性的企业德国 Manz、 Solibro/汉能 ， 美国 Global Solar 、 Ascent Solar等 。 Inst. Of Photo-electronics 溅射预制层后硒化法（两步法） 优点 1） 金属元素的配比通过控制溅射速率和溅射时间实现精确控制 ; 2） 易实现薄膜的 均匀性 ; 缺点 1） 由溅射和硒化两步 完成 CIGS薄膜 制备 ， 生产周期长 ， 设备比较 庞大 ， 生产设备投资与运 行 费较高； 2） 原材料先制成靶材 ， 加大成本 ， 使用 H2Se气体硒化电池效率高 ， 但剧 毒 、 昂贵 ； 综合 考虑到成本 ， 蒸发法更有优势 。 代表性企业德国 Avancis； 美国 Stion、 Miasole；日本 Solar Frontier；台湾新能 、 台积电； 溅射沉积 Cu, In, Ga金属预置层 ， 在 H2Se、 H2S气氛中高温硒化和硫化 （ 550℃ ） ， 制备出 CIGSS多晶 薄膜 。 Inst. Of Photo-electronics 图 Cu2Se-In2Se3-Ga2Se3相图 Inst. Of Photo-electronics 制备工艺条件不同其材料结构差异较大 a 高效电池 CuIn,GaSe2薄膜晶粒很大且呈柱状生长，降低载流子纵向传输时的复合。 b CIGS薄膜在 Mo电极附件缺陷严重，电池输出特性差。 b Inst. Of Photo-electronics 中国 CIGS薄膜太阳电池技术研发状况 Inst. Of Photo-electronics 南开大学是我国最早研究铜铟硒电池的国家队 “十五” 863开发建立了 CIGS电池试验 平台与中试线基地 南开大学自 1989年开始研究铜铟镓硒薄膜电池 ， 承担国家 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 科技攻关铜铟硒电池项目 ， “ 十 五 ” 863计划获得 2000余万元重点资助 ， 开发建立了我国最早的试验平台和中试基地 ， 研究各种技术路线 、 各种基材衬 底 （ 玻璃 、 不锈钢箔 、 塑料 ） 的 CIGS电池 材料和器件 ， 形成了一套理论与技术体系 ， 对材料结构与器件机理有了更深 刻地认识 ， 指导着技术创新与 设备 开发 ， 培养 了一批高级专业人才 。