薄膜太阳能电池及制造工艺课件

薄膜太阳能电池及制造工艺,1,学习交流PPT,地球天然资源有限，物以稀为贵，原油价格将持续飚涨,世界和中国主要常规能源储量预测,I.太阳能电池技术及光伏产业背景知识,2,学习交流PPT,全球能源短缺，而且分布不均匀，尤其是发展中国家能源匮乏。,NASA拍摄的地球夜晚卫星图片,3,学习交流PPT,1928年与2004年阿根廷的冰川消退对照,温室效应使地球平均气温持续升高,4,学习交流PPT,京都议定书的实施，世界各国降低温室气体排放，实行减碳措施，重视地球环保，开发洁净新能源刻不容缓。,5,学习交流PPT,2006年中国一次能源消费构成,能源消费结构不合理煤炭比例过高,6,学习交流PPT,中国未来电力发展的预测（中国电力科学院）,电力缺口逐年增加,7,学习交流PPT,人类未来50年面临的十大问题，以“能源”问题为首。,8,学习交流PPT,我们可以怎样解決能源危机？,1.增加及改善能源(煤、石油、天然气)的生产,2.节约及保护能源,3.利用其它能源(可再生能源),9,学习交流PPT,缺点：有限资源；价格昂贵；环境破坏。,非再生能源(Non-renewableenergy),A.煤,B.石油,C.天然气,10,学习交流PPT,节约及保护能源,把不需要的电器用品关掉。减少在夏季使用冷气的机会。尽量使用公共交通工具。使用节省能源的汽車或机器。,11,学习交流PPT,寻找新型清洁能源是解决问题的唯一途径,可再生能源不断补充（Constantlyreplenishing）用之不竭（Inexhaustible）分类太阳能、风能、生物能、地热能、水利发电、氢能、海洋能,12,学习交流PPT,使用其它能源(再生动力资源),水力发电(H.E.P)风力发电(WindPower),13,学习交流PPT,地热能发电太阳能发电,14,学习交流PPT,潮汐发电,15,学习交流PPT,可再生能源的优点,环保（Environmentalbenefits）可持续（Sustainability）能源安全（Energysecurity）,16,学习交流PPT,太阳给地球1.5天提供的能量相当于全球可供开采石油的总量（3万亿桶）。太阳给地球1小时的能量可供全球人类使用一年。太阳提供给地球1秒钟的能量，相当于2008年汶川8.0级地震所释放的能量。,1、数量巨大：太阳能够给地球提供惊人的能量。,太阳能的优点：,太阳能：唯一的兆兆瓦量级再生能源！,地球上几乎所有地方都能使用太阳能。,17,学习交流PPT,世界能源发展趋势,2、时间长久：太阳能发电在全球未来能源结构中扮演着重要的地位。,太阳能：取之不尽，用之不竭！,18,学习交流PPT,3、普照大地,太阳辐射能“送货上门”，既不需要开采和挖掘，也不需要运输。普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，都一视同仁“。既无”专利“可言，也不可能进行垄断，开发和利用都极为方便。,世界太阳能资源地图,阳光对地球各个地区的供应比其他资源的供应公平得多。,19,学习交流PPT,4、清洁安全,对防止地球温暖化，减轻对地球环境的贡献从太阳能发电系统排放的二氧化碳，即使是考虑其生产过程的排放量，也绝对少于传统的燃料发电设备，是防止地球温暖化的环保设备。同时在发电时，不排放氧化硫，氧化氮等污染物,减轻了对环境的压力。,太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。,20,学习交流PPT,例:3W太阳能发电系统对环境污染物的削减量,石油替代量:729L/年,减排放CO2能力:540kg-C/年,森林面积换算:5544m2,21,学习交流PPT,对能源和节能的贡献,太阳能电池2.2年的发电量即可收回制造太阳能电池时使用的电力,22,学习交流PPT,三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦。,中国太阳能资源分布情况,23,学习交流PPT,中国有12%国土面积为沙漠或戈壁滩，这些地区年日照小时数在3200小时以上，如果在这些地区全部安装太阳能电池发电，其电力足于供给全球使用。其发展潜力远远没有挖掘出来。,中国沙漠戈壁分布情况,24,学习交流PPT,太阳能的利用,太阳能的利用可以分为两种：即光-热转化利用和光-电转化利用。,太阳能集热器太阳能热水系统暖房,太阳能热水器,太阳能灶,25,学习交流PPT,太阳能电池原理太阳能电池（英文为SolarCell）是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射，瞬间就可输出电流。在物理学上称为光伏（Photovoltaic）。简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收一定波长的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。,26,学习交流PPT,太阳能电池技术发展：,第一代太阳能电池：结晶硅类，单晶硅、多晶硅太阳能电池。第二代太阳能电池：薄膜太阳能电池，如硅基薄膜电池，CIGS薄膜等。第三代太阳能电池：量子点型新概念，新结构的电池，如染料敏化电池，有机薄膜电池，纳米结构电池等。第四代太阳能电池：热电子型。,27,学习交流PPT,太阳能电池转换效率世界记录,28,学习交流PPT,高效太阳电池榜,29,学习交流PPT,三种主要光伏发电技术比较,30,学习交流PPT,太阳能光伏术语：,光伏(Photovoltaic,PV)光能到电能的直接转换太阳能电池（Solarcells）太阳能电池模组（Solarmodules）太阳能电池板（Solarpanels）建筑光伏一体化（BuildingIntegratedPhotovoltaics，BIPV）非晶硅（amorphousSilicon,a-Si）多晶硅（polycrystallinesilicon,p-Si）单晶硅（crystallinesilicon,c-Si）铜铟镓硒（CopperIndiumGalliumDiselenide,CIGS）,31,学习交流PPT,电池,模组,阵列,32,学习交流PPT,TUV：德国莱茵技术监护顾问公司的简称，它的总部位于德国，是专门测试电子产品安全的研究机构，TUV的测试依据是按照IEC与VDE所订的安规测试规范条例测试，因其产品必须先取得TUV的安全认证后，才能在欧洲市场上销售。UL是英文保险商试验所（UnderwriterLaboratoriesInc.）的简写。UL安全试验所是美国最有权威的，也是界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。它是一个独立的、非营利的、为公共安全做试验的专业机构。在美国，对消费者来说UL就是安全标志的象征。全球，UL是制造厂商最值得信赖的合格评估提供者之一。,33,学习交流PPT,“CE”标志是一种安全认证标志，被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照。CE代表欧洲统一（CONFORMITEEUROPEENNE）。凡是贴有“CE”标志的产品就可在欧盟各成员国内销售，无须符合每个成员国的要求，从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通。在欧盟市场“CE”标志属强制性认证标志，不论是欧盟内部企业生产的产品，还是其他国家生产的产品，要想在欧盟市场上自由流通，就必须加贴“CE”标志，以表明产品符合欧盟技术协调与标准化新方法指令的基本要求。这是欧盟法律对产品提出的一种强制性要求。必须由总部位于欧盟成员国的认证机构才可以签发证书。自80年代末以来，已有一批外资认证机构进驻中国。,34,学习交流PPT,部件名称:太阳能电池：吸收太阳能,将太阳能转换成直流电能；控制器：控制蓄电池的充放电深度,延长蓄电池使用寿命；蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能,必要时,向负荷提供直流电力；逆变器：将直流输入电力转换成交流电力输出。,系统简介,35,学习交流PPT,History-1975,Waferedsilicontooexpensive,36,学习交流PPT,History-1975,Waferedsilicontooexpensive,Whatactuallyhappened,37,学习交流PPT,Issuestoday,SiliconpanelsPast:accidentaltechnologyPresent:cleartechnologyofchoice,continuedcostreductionFuture:crossroads,butnotgoingawayThinfilmEfficienciesfinallybecomingcompetitiveButtheresmoretothestorythanjustefficienciesBestonbig,commercialroofswithlotsofspace?ConcentrationNolongerjustthermal-onlyButinstallersdontwantmovingpartsPredicatedonsiliconbeingexpensive,38,学习交流PPT,Benefitsanddrawbacks,39,学习交流PPT,CostDevelopment2002-2010,Silicon,Wafer,Cell,Module,40,学习交流PPT,Reducedwaferthicknessover10years,20002004200520062007100125156156156156/210mmlengthofwaferedge,Waferthickness,producedindustriallymmainthickness400340330330300300270270270270270240240240210210210210210210180180,100200300400Waferthicknessm,41,学习交流PPT,Siliconfoiltechnologydevelopment,EdgedefinedFilm-fedGrowth,StringRibbon,SiliconSheetfromPowder,RibbonGrowthonSubstrate,42,学习交流PPT,Thin-Filmdepositionof100meterplusrollsCell/SubmoduleManufacturingModuleFinishingDeployment,ProcesstoProduct,43,学习交流PPT,ProductstoMarket,RuggedEnvironment,CommercialProducts,StandardSolarModules,SiliconCellReplacement,44,学习交流PPT,45,学习交流PPT,46,学习交流PPT,47,学习交流PPT,48,学习交流PPT,49,学习交流PPT,50,学习交流PPT,51,学习交流PPT,52,学习交流PPT,53,学习交流PPT,54,学习交流PPT,55,学习交流PPT,56,学习交流PPT,57,学习交流PPT,58,学习交流PPT,59,学习交流PPT,60,学习交流PPT,61,学习交流PPT,62,学习交流PPT,63,学习交流PPT,64,学习交流PPT,65,学习交流PPT,66,学习交流PPT,67,学习交流PPT,68,学习交流PPT,69,学习交流PPT,70,学习交流PPT,71,学习交流PPT,72,学习交流PPT,（三）、薄膜电池制造产业链分析,在金融危机之前，高昂的多晶硅价格制约了光伏产品的应用发展，在这种情况下，不少人对低价的薄膜太阳能电池寄予厚望，认为它将是晶体硅电池最大的竞争对手。但是这场危机冲击得海外市场严重萎缩，导致多晶硅价格暴跌，因此业内又有了“薄膜电池优势不在”的论断。“这些年薄膜电池在太阳能电池领域中一直处于一种非主流位置，主要原因就是效率不高。在发现衰减效应后，当时的非晶硅太阳能薄膜电池变成了一种弱光电池，用于手机、表、计算器等小物品上。我国引进了该技术后发展迅速，挤垮了很多国外企业，现在世界绝大多数的太阳能薄膜弱光电池都在中国生产。”,薄膜和晶体硅的应用领域有差异，晶体硅的转换效率高，使用面积小，用在屋顶非常有优势。但从客户角度看，他们最关心的还是系统电价，例如建大规模电站的话，薄膜电池就更有优势，因为面积大，系统电价就低。此外，做光电建筑一体化的话，薄膜电池也更有优势。”“不能以转换率论英雄，价格才是核心。,73,学习交流PPT,在光伏业内，关于硅基太阳电池与薄膜电池的博弈一直没有停止过，但是我们看到的事实却是：在技术创新意识和能力突飞猛进的21世纪，低价且有极大工艺改良性的产品永远能吸引投资者的目光。所以，在光伏建筑一体化愈演愈烈的今天，在“中国百万屋顶”、“金太阳工程”政策指引下，薄膜电池将在这一领域拥有绝对的优势。,74,学习交流PPT,薄膜电池大规模商用的前提是提高光电转换效率。虽然薄膜电池的技术在几十年间有了突飞猛进的发展，但截至目前，没有一家薄膜太阳能电池公司宣布，转换效率超过10%，一般在6%左右，浙江正泰号称其光电转换效率达到9%，这在行业内已经属于最高。即便如此也只是硅基电池的一半。不过，由于耗电省、造价低，成本优势显现，薄膜电池开始受到青睐。一些多晶硅电池企业，也开始大手笔地引进薄膜电池生产线。更多的企业，直接开始制造薄膜电池，如河北保定的天威英利投资12亿元，从国外引进了46.5兆瓦的薄膜电池生产线，在今年8月28日已经开始量产。总部位于上海的强生光电，也在江苏南通、苏州等地开建薄膜电池示范区。但是，同国际领先水平相比，我国薄膜电池的研究存在一定的差距。,75,学习交流PPT,现在国际上发展比较成熟的太阳能薄膜电池包括三种，非晶硅太阳能薄膜电池、碲化镉太阳能电池和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池，其中应用最普遍的是非晶硅太阳能薄膜电池，我国的很多企业和国外的EPVSOLAR、日本的Kenaka、夏普等都生产此种电池。碲化镉（CdTe）电池的主要生产企业是美国的Fisrtsolar，由于其中的镉元素有毒，该企业承诺回收所有废弃电池。CIGS电池由于所含元素多使其生产稳定性难以把握，重复性较差使其进行大规模产业化生产比较困难。所以尽管BP、壳牌公司等已将其光电转换率大幅提高，但产能扩展有限，现在只有少量企业在进行大规模量产。,76,学习交流PPT,与晶体硅相比，硅基薄膜电池制造产业链短得多，整个工序在一家公司即可完成。,硅基薄膜电池的生产流程图,77,学习交流PPT,硅基薄膜太阳电池生产线,78,学习交流PPT,79,学习交流PPT,80,学习交流PPT,81,学习交流PPT,82,学习交流PPT,83,学习交流PPT,84,学习交流PPT,85,学习交流PPT,SolarCellRoll-to-RollProcessFlow(w/30MWProductionToolCosts),CleanSubstrate(Futureprocessstep),SputterBackElectrode,SputterPrecursor,SelenidePrecursor(13-inchtoolunderconstruction),CdSPlatedJunction(13-inchtoolunderconstruction),SputterTopElectrode,PassivateDefects(Futureprocessstep),SlitintoReelsEdgecellsaremonolithicallyintegratedusinglaser/mechanicalscribing.,MonolithicintegrationofTFsolarcellscanleadtosignificantmanufacturingcostreduction;e.g.,fewerprocessingsteps,easierautomation,lowerconsumptionofmaterials.,96,学习交流PPT,CIGSModulesareFabricatedOn:(cont.),ThenumberofstepsneededtomakethinfilmmodulesareroughlyhalfofthatneededforSimodules.Thisisasignificantadvantage.,CIGSModulesProcessSequence,97,学习交流PPT,CIGSModulesareFabricatedOn:(cont.),II.Metallicwebusingroll-to-rolldeposition;individualcellsarecutfromtheweb;assembledintomodules.,III.Plasticwebusingroll-to-rolldeposition;monolithicintegrationofcells.,98,学习交流PPT,Vacuummethod-Co-evaporation,1.In,GaandSewereCoevaporatedat4002.CuandSewerecodepositedwhilethesubstratetemperaturewasrampedupto580.3.In,GaandSewerecoevaporatedstillat580，ThesampleswerethencooledinSeatmospheredownto250,3-stageprocess,99,学习交流PPT,CIGS太陽能電池元件結構,緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO與CIGS間之能帶上的連續(banddiscontinuity)。使用化學水浴沉積法(chemicalbathdeposition，簡稱CBD)成長可提供CIGS上表面平整的均勻覆蓋。緩衝層要求高透光率，以便能使入射光順利進入主吸收層材料被有效的吸收。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),100,学习交流PPT,化学浴沉积法,化學浴沉积法(Chemicalbathdeposition)是一種製備半導體薄膜的技術，方法是將基板浸入含有金屬離子及OH-、S2-或Se2-離子的水溶液中，藉由控制水溶液的溫度及pH值，使金屬離子與OH-、S2-或Se2-離子產生化學反應，形成化合物半導體沉积在基板上。,101,学习交流PPT,CIGS太陽能電池元件結構,透明導電膜(TCO)要低電阻、高透光率，但ZnO本身是高電阻材料，因此外加鋁重摻雜氧化鋅(ZnO:Al)改善其電性，但是會降低透光率，因此須在此找到最適合的摻雜濃度。多半用RF濺鍍法(RFsputter)達成鍍膜。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO(ZnO:Al)(0.51.5m),102,学习交流PPT,CIGS太陽能電池元件結構,蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)層當作頂層電極，接負極。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO(ZnO:Al)(0.51.5m),103,学习交流PPT,LaboratoryCIGSCoatingSystem,PayoutandTakeupRollers,CoatingDrum,CuGaMagnetronSourceIndiumMagnetronSourceSeleniumEvaporationSource,FutureSelenizationDrum,104,学习交流PPT,LaboratoryMetale.g.,changeinpropertiesofZnO.-ThinFilmBarriertoWaterVapor-NewencapsulantsandlessaggressiveapplicationprocessStabilityofthinfilmmodulesareacceptableiftherightencapsulationprocessisused.Needforbetterunderstandingdegradationmechanismsattheprototypemodulelevel.,109,学习交流PPT,ProcessingImprovements:,I.UniformDepositionoverlargearea:(a)significantformonolithicintegration(b)somewhatrelaxedformodulesmadefromindividualcellsII.Processspeedandyield:somefabricationapproacheshaveadvantageoverothersIII.Controlsanddiagnosticsbasedonmaterialpropertiesandfilmgrowth:benefitsthroughputandyield,reliabilityandreproducibilityoftheprocess,andhigherperformance,110,学习交流PPT,ProcessingImprovements:(cont.),IV.ApproachestothethinfilmCIGSDeposition(cont.)2.ReactionofprecursorsinSeand/orS(Selenization)toformthinfilmCIGS:twostageprocess-Varietyofmaterialsdeliveryapproaches:(a)sputteringoftheelements(b)electroplatingofmetalsorbinaries(c)Printingofmetal(orbinaries)particlesonsubstrate-ReactiontimetoformhighqualityCIGSfilmsislimitedbyreaction/diffusion-Modu