太阳能电池技术与相关产业讲解材料课件

School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,太阳能电池技术与相关产业 机遇、挑战与风险,周浪,南昌大学 材料学院/ NCU-LDK太阳能研究中心 2007. 12.04 新余 高专,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术的主导地位 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,2001年世界年人均能耗,Source: Physics Today 2002,世界能源消耗量,Source: US DOE - International Energy Outlook 2004,当前世界能源构成,Source: US DOE 2001,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,传统能源面临的问题,有限的一次性能源: 石油, 煤炭, 天然气等； 甚至核燃料在地球上也有限; 环境污染: * 火力：每1百万度电产生100750吨 CO2，7.510吨 SO2，35吨 NOx * 核电：废料未解决处理,地球上的太阳光能源,太阳辐照到地球上的能量功率为 120000 TW （1 T W 106 MW 1万亿瓦） 2005年世界总发电功率为 15 TW 2005年美国总发电功率为 3.5 TW 2005年中国总发电功率为 1.5 TW,From US DOE 2005,旧约 创世记 ： 神说，要有光,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,太阳能主要利用形式, 光-热转换（效率50）：热水器、聚光加热器 光-热-电 转换发电：太阳热引擎， 聚光、光热转换、和电磁感应发电技术的结合，可以说是传统发电技术的太阳能版。技术复杂，未成主流。 光电转换发电：太阳能电池。 主流方向！,太阳能发电的潜力 保守的估算,面积(地球%) 电池转化效率(%) 发电容量(TW) 0.16% 10% 20 相当于20000个1M kW 的核电站! 2005年世界能耗总容量为 15 TW,美国的太阳能发电潜力,400 X 400 km2的面积 + 10%电池效率 可供全美国用电,Source: US DOE 2005,中国的太阳能发电潜力,300 X 300 km2的面积 + 10%电池效率 可供全中国用电。 我国沙漠总面积为130万km2,沙漠,+ 无数的屋顶,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,10的电池转换效率估计 相当保守。按当前技术水平，1215的估计应是可靠的。 太阳的寿命还有亿年以上。因此太阳能等于是无穷、永远的能源！ 各国在“可再生能源”概念中都将太阳能一并归入，尽管它与“再生”无关！,世界未来能源结构预测,Source: German Advisory Council on Global Change,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,太阳能电池发电的独特优势 ！,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,但是为什么我们现在还不能大规模地 享受太阳能？ 成本高 为什么太阳能成本高？ 有无降低的希望？ 希望在那里？,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术的主导地位 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,太阳能电池发电,Photovoltaic cell, PV cell,光伏电池,太阳能电池，光伏技术，太阳能发电技术都是一个意思,硅晶片半导体光伏电池基本结构与工作原理,p-型,n-型,内电场,太阳能电池、模块、组件和阵列,太阳能发电系统,家庭用独立发电系统示意图 适合于太阳能的低压直流家电产品将应运而生,蓄电池的使用是太阳能发电技术绿色形象上的阴影。但现在逆变并网送电技术已经成熟，对大多数用户蓄电池可以不要了。,Coca Cola Bottling Plant (LA),PV应用例子1,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,光伏水泵,PV应用例子2,PV应用例子3,屋顶发电 太阳能屋顶、墙面等建材规模化生产将会出现,世界太阳能电池发电容量与成本的发展,近年产量的剧增没有使成本大幅度降低 ！Source: BP Solar 2006,发电量，峰兆瓦,2005年美元价,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术的主导地位 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,光电转换效率世界最高实验室记录进展, 二十多年来多晶硅电池效率始终比单晶硅低 45（2030相对）! 发展停滞已近十年 ！（单晶硅停，多晶硅也停）,不同光伏电池的转换效率,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,不同光伏电池的成本与稳定性 晶体硅片电池的主角地位,转换效率高于晶体硅片电池的，极其昂贵，基本只用于不计成本的场合，如太空站。聚光电池策略并不成功。 成本低于硅晶电池的，光电转换效率则低，并且多数不稳定，不能长期使用。 晶体硅片（包括单晶硅与多晶硅）电池总量稳占光伏总量的 90以上。我们今天看到的几乎都是硅片电池。 多方专家共认其主角地位十年无替。,不同光伏电池材料和技术所占份额,Source: Strategies Unlimited, 2005,多晶硅,单晶硅,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,单晶硅 vs 多晶硅,成本低、产率高、方片（组件面积利用率高）、外观美感、对原料要求低,设备和控制水平要求较低、国内工艺相对成熟、电池片效率较高,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,单晶硅电池 vs 多晶硅电池,来源: Strategies Unlimited, 2005,多晶硅,单晶硅,设备技术的进步和成本等方面的显著优势使多晶硅光伏崛起为主流。 尽管众所周知其光电转换效率相对低！,如从02年以来新增的部分看，多晶硅的比例则高达80 ！,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,微晶硅或非晶硅薄膜电池现在开始有规模化生产技术（尚德近在上海投资60MW微晶薄膜电池生产线）；铜铟镓锡薄膜电池仅在美有12家；其它新概念电池（多PN结半导体、染料敏化、有机高分子、纳米复合)基本未进入产业界。,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,硅晶电池为何能稳居绝对主流地位？,转换效率较高 性能稳定（寿命20年） 技术成熟 成本居中，降低有望。 原料丰富（砂子而已）、无毒 国内外光伏界一般共识：硅晶（片）电池的主流地位至少还会维持10年。硅晶薄膜电池的份额会上升。,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术 从材料到系统 硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,硅晶太阳能电池的构成,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,硅晶电池及发电系统产业链,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,从硅料到硅片： 熔融（1500，真空或氩气环境） 晶体凝固生长（单晶或多晶） 线切割,单晶硅（棒）生长技术,A pure silicon seed crystal,pulled out slowly as it is rotated,Si ingot,Czochralski process,单晶硅棒生长设备,多晶硅生长设备,2006年江西LDK开始生产多晶硅锭,硅片切割,硅片厚度： 0.180.24 mm,从硅片到电池,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,关键工序1： 晶体硅的扩散掺杂 - pn结制作,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,关键工序2：表面腐蚀糙化减反射,从电池片到模块组件封装,主要设备： 层压机,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,回到上游源头：高纯硅原料,石英砂、石 高温碳热还原冶金级硅 西门子法或其它方法提纯 纯度高于99.99999%的硅 太阳能硅片原料过去长期以微电子产业中的硅废料为主。,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,各链结技术难度总体评价,技术壁垒最高的环节为高纯硅原料的生产，由于其技术与工艺上的难度，目前基本上被国际上7 大厂商（德、日、美）垄断。 晶体生长与硅片切割环节技术难度也较大，依赖进口设备，投资较大。以上为产业链上游 相对来说，产业链下游环节电池片制造、组件以及系统的封装部分的技术难度和投资较低。,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,利润率大概分布,因此，与大多数行业相反，太阳能电池产业的利润是上游大下游小： 原料第一 晶体生长和切片第二 电池半导体工艺第三 电池模块与组件封装第四 难得的一个合乎材料工作者心意的分布！,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,多晶硅与单晶硅,单晶硅设备相对简单，在我国技术成熟，我国有大量多晶硅生产企业。但产能低，成本高。硅片限为圆形也不理想。 多晶硅设备投入大。但生产效率高，材料利用率高，成本低。 尽管目前单晶硅电池的转换效率比多晶硅还高些，多晶硅逐渐占据主流。,上游： 2003年5月发表的单晶硅片生产流程及各级产品累计成本,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,晶体硅电池发电的成本组成, 硅片 (40%) 电池片制作 (30%) 电路和组件封装 (30%),School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,全球光伏产业的迅速增长 2001以前,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,全球光伏产业的迅速增长 20042010,高于30的年增长率已持续10年以上！,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,原料问题,高纯硅原料（9N)的生产原为面向微电子产业，称电子级多晶硅料 太阳能电池用高纯硅料纯度要求（ 68N)不需电子级。约三年前太阳能电池用硅材料主要是微电子产业中的废弃品、头尾料。三年前开始不够了！ “太阳级硅料”概念及产业努力随即而来。但技术难度大，因成本必须大幅度降低。,全球光伏硅料的需求与硅片减薄的效益,Source: Prog. Photovolt: Res. Appl. 2005,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,市场反应,高纯硅原料价格从三年前的US$20/kg 涨到US$200/kg。据闻US$300也拿不到。 “得硅者得天下” 经济参考报2006,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,产业界反应,电池模块与组件市场价格并不随原材料升高，反有所下降，电池厂商举步维艰。规模大的、有长期稳定原料供应的厂商可能没有问题。 7大高纯硅料厂商继续封锁技术，公布自身扩产计划 但他们可能并不真正急于扩产！近年的紧缺本来可能就有人为因素！ 24家国际巨头宣布进军高纯硅 我国只去年才达到年产200吨高纯硅，电子业和太阳能业90以上硅原料依赖进口。国家对高纯硅业本已十分重视和鼓励。近3年市场刺激推波助澜各省市有近40个“多晶硅”项目，其中有近10个基本落实的,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,澄清一个概念,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,世界能源状况、太阳能利用背景及其独特优势 太阳能发电与光伏电池技术 硅晶太阳能电池技术 从材料到系统硅晶太阳能电池相关产业 高纯硅材料短缺问题与市场反应 我国相关政策与产业状况,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,太阳能发电产业与国家意志和政策,世界太阳能光伏产业和市场今天的蓬勃形势，完全是德、日、西班亚等几国政府政策强力拉动所致。它们推行国家意志的力度超过“计划经济”。 当前和未来更强势的发展，很大程度上由于国内和国外企业和投资商均看好我国！ 2006年1月1日“可再生能源法”出台，随后陆续出台了配套实施细则 “可再生能源发展专项资金管理办法”近期出台（预计每年中央财政出资数十亿，其中包括支持无电地区光伏电力建设）,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,我国与光伏产业和市场相关的政策,根据“可再生能源法”和实施细则规定，并网光伏发电的上网电价由政府审核确定，电网必须按照核定价格全部收购光伏发电所生产的全部电量。价格高出燃煤火电的部分，由全国电力用户分摊。 核心：光伏电价政策至今没有启动，国内市场发展缓慢。各方呼唤推动，会有推进。 一些地区如上海、保定有积极的地方政策，大部分地区尚没有。,School of Materials Science & Engineering NCU-LDK Solar Energy Research Center,“两头在外”的产业格局,迄今为止，由于政策法规尚未到位，国内市场很微小，我国光伏产业的市场主要是在国外。 而高纯硅原料规模化生产能力和技术的缺乏，使国内光伏产业原料主要依赖于国外。 缺乏内需支撑