薄膜太阳能电池的特点及发展前景

2011-2-28 1薄膜太阳能电池的特点及发展前景清华大学机械工程系张 弓 教授 / 博导2011-2-28 2主要内容1. 光伏产业的发展现状2. 薄膜太阳能电池在光伏产业中的地位3. 非晶硅、碲化镉、铜铟硒三种典型薄膜太阳能电池的特点及应用4. 薄膜太阳能电池的特点和优势5. 薄膜太阳能电池与建筑的结合2011-2-28 31. 光伏产业的发展现状2011-2-28 4z 光伏发电已逐渐从解决特殊领域供电转向作为常规能源的一种重要补充，并以分散的形式进入电力市场。z 在可以预见的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。z 满足可持续发展战略和环境保护的需要。z 近几年，光伏电池以及组件产量每年以高于 30％的速度增长。今后增长的主力是中国。2011-2-28 5全球太阳能电池的生产规模MW 28810391105621075910125650181513925364381813726120040068502126989934040111900152008000290002000400060008000100001200014000160002000 2002 2004 2006 2008 2010数据来源： Solarbuzz, Displaybank, Nedo etc2011-2-28 6光伏电池的生产状况世界（ MW） 日本（ MW） 中国（ MW）2004年 1256 473 502005年 1815 762 1392006年 2536 850 4002007年 3726 920 1189（计入台湾 368）2008年 6850 1000 25002009年 9340 1000 40112010年 15200 1200 8000（预计）z 日本 : 从多年的老大地位滑落z 欧洲：大幅增加z 中国：后来居上，成为第一z 数据来源： Solarbuzz, Displaybank, Nedo etc2011-2-28 72011-2-28 82011-2-28 9Development Target by Technology in PV2030+2011-2-28 10PV2030+ 规划的日本太阳能电池产量11欧洲的太阳能发电价格目标12美国的目标价格（ Solar America Initiative ）2011-2-28 13世界的太阳能电池产业规划z 日本的 PV2030+计划（ 2009）z 欧洲太阳能产业规划（ 2007）z 美国 Solar America Initiative （ 2006）z 2020年电价目标{ 日本： $0.15/kWh — ￥ 14/kWh （成本￥ 50/Wp）{ 欧洲： $0.20/kWh — ?0.15/kWh{ 美国： $0.10/kWhz 能够达成上述目标的电池 — CIGS、 CdTe{ 成本低。{ 具有最大的效率提升空间。2011-2-28 142. 薄膜太阳能电池在光伏产业中的地位2011-2-28 15z 转换效率较高： 18.5% / 24.7% ( 理论 26％）z 电池模块效率：～ 18％； 10～ 17％（ China ）z 稳定性好z 间接跃迁型z 成本较高晶体硅太阳能电池 的性能2011-2-28 16晶体硅的用量 ：z 2010年，全球太阳能电池的生产量达 15000MW。z 假定转换效率为 20％ ，其面积达 7.5 × 107m2。z 相当于 10cm见方 Si 电池 75亿枚 。z 晶体硅消耗总量达到 150000 吨。产生的问题：z 大规模的晶体硅生产带来的能源问题、环境问题。z 如果用薄膜太阳能电池替代，材料使用量为 1/100。晶体硅太阳能电池 的特性2011-2-28 17晶体硅电池的成本－－原料成本z 基本数据：{ 多晶硅价格： 500美元 /Kg （ 2007年中） 150美元 /Kg（ 2008年底） 50-70 美元 /Kg（ 2009年底）{ Si 的密度 2.33g/cm3{ 切片厚度（ 250微米）并考虑刀口厚度{ 多晶硅电池最高光电转化效率 18.0%z 相关计算结果：{ 1Kg多晶硅的能形成的面积： 0.9754m2{ 能形成的电池峰瓦数： 130-150Wp{ 每峰瓦电池的 Si 原料成本： 0.9 美元 /Wp2011-2-28 18晶体硅电池的原材料需求z 单晶硅和多晶硅太阳能电池所需的高纯硅的纯度：6Nz 西门子法综合电耗： 350kwh/kg-Siz 改良西门子法综合电耗： 250-350kwh/kg-Siz 中国没有掌握关键技术z 用 Si 量： 1MW— 10T 高纯硅z 现在宣称的产能超过 20万吨（ 20GW）z 多晶硅生产已经列入限制名单2011-2-28 19晶体硅电池的原材料需求z 目前还没有一种直接从初级 Si 提纯到 6N高纯硅的廉价的工艺。z 国外有企业宣称已经开发成功冶金法制备太阳能级多晶硅，但无商品面世。z 国内多所大学在开发冶金法制备高纯硅，离成功尚远。z 如果太阳能级多晶硅成本在 25美元 /Kg 以下，相对于薄膜系具有优势。2011-2-28 20薄膜化是太阳能电池发展的必由之路z 薄膜太阳电池在降低成本方面的优势z 实现薄膜化后，极大地节省昂贵的半导体材料{ 少于 1微米厚度的非晶硅可吸收阳光。常规技术使用超过200微米厚实的晶体。z 薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序z 薄膜太阳电池采用低温工艺技术，不仅有利于节能降耗，而且便于采用廉价衬底 ( 玻璃、不锈钢等)2011-2-28 213. 非晶硅、碲化镉、铜铟硒三种典型薄膜太阳能电池的特点及应用2011-2-28 22非晶硅基太阳电池Top: 1.8eVMiddle: 1.6eVBottom: 1.4eV2011-2-28 23联合太阳能电子公司拥有生产 25兆瓦的年产量 . 连续卷到卷太阳能薄膜电池模块1.5 英哩不锈钢长卷。Amorphous silicon processor2011-2-28 24微晶硅（ μ C） 薄膜太阳电池微晶硅薄膜太阳能电池被认为是很有产业化前景的太阳能电池。与非晶硅相比z 具有很好的 n型和 p型的掺杂效率和性能。z 由于择优的柱状生长，形成非常有利于光吸收的表面。z 没有光致衰退效应。z 方法： VHF PECVD： 70MHz， 150MHz。2011-2-28 25碲化镉基薄膜太阳电池（ CdS/CdTe ）工艺流程：? 以钠钙玻璃作基底? SnO:F or ITO? CdS： CSS or CBD法 +热处理 50～ 100nm? p-type CdTe ： (1.5 ￣ 3.0 微米 ) ＋热处理（增大晶粒）2011-2-28 26关于染料敏化 TiO2 电池1985首创 Gr?tzel 90 年代发展Dye:N-methylphenazinium 二甲基苯基吡唑酮Trithiocyanato – ruthenium 联三硫酸钌盐钌多联吡啶配合物2011-2-28 27铜铟镓硒薄膜太阳电池z 禁带宽度：可在 1.04 ￣ 1.67eV 范围内调整z 可见光吸收率： 105/cm z 转换效率高： 19.5% z 制造成本低z 性能稳定z 抗辐射能力强2011-2-28 28CIGS 的优势z 现实梯度带隙：可以基于太阳能光谱分布来设计沿厚度的Ga成分梯度和 Eg的分布。z CIGS本身的特殊物性：可以在玻璃上形成缺陷很少的、晶粒巨大的、高品质结晶。而这种晶粒尺寸是其他的多晶薄膜无法达到的 。z CIGS的 Na效应 ：对于 Si 系半导体， Na等碱金属元素是避之唯恐不及的半导体杀手，而在 CIGS系中，微量的 Na会提高转换效率和成品率。2011-2-28 294. 薄膜太阳能电池的特点和优势2011-2-28 30各种薄膜太阳能电池的性能比较 品种 成本 稳定性 光电转化率 特点 晶体硅 高 高 18％ 29% 不能自由剪裁，厚度 250微米，间接带隙半导体。非晶硅 低 低 <10% 有衰减效应 , 下降到原来的 75％ 多结薄膜硅 高 高 12% 无衰减效应 , 生产效率低 CdTe 低 高 16% 9% 组件效率远低于单电池效率， Cd 致癌物 CIGS 低 高 19.5% 13.6% 稳定，无衰减效应