太阳能电池费用接近于普通电能

1、300nm 波段可有适中波长调谐性。这个范围对许多应用已足够 。N d YA G 激光器的四次谐波输出泵浦可调谐激光腔内的Ce L iSA F 晶体,然后Ce L iSA F 腔的输出再去泵浦Ce L i L uF 4晶体,在308nm 波长附近产生可调谐紫外输出脉冲Ce L iSA F 晶体的输出被双色高反镜折向后再去泵浦Ce L i L uF 4平板晶体。Ce L i L uF 4晶体装在由两块平面 平面镜组成的25c m 长的激光腔内,可以在水平c 轴或垂直c 轴方向(分别相应于和偏振泵浦。双色腔输入反射镜在300370nm 波长范围有高反射(>99%,在泵浦波长有高透射(>

2、95%。泵浦光束用一离输入双色镜约5c m 、焦长为1815c m 的球面透镜在晶体之后处聚焦。晶体上泵浦光束的光斑直径为015mm 量级。当晶体C 轴水平安置时,也就是作偏振激发和发射时,获得最佳激光性能。原则上说,这些条件相应于比偏振的更低吸收系数和更低发射强度。试验表明,在使用偏振泵浦和对308nm 波长采用透射为23%和60%的输出耦合镜时,透射60%的输出耦合镜获得最好性能。使用23%透射输出耦合镜时,激光阈值约为015m J ,用60%透射耦合镜时,阈值约为0185m J 。该阈值相当低,激光器可在没有腔镜下运转。达到的最大激光效率为55%,据研究人员说,该效率是类似紫外固体激光器

3、报导的最高效率。输出波长可在两个发射峰附近的3071831315nm 和32432815nm 波长范围调谐。激光线宽的典型半高全宽值为0135nm ,308nm 波长的最高输出能量是2J 。研究人员指出,Ce L i L uF 4似乎比Ce L iSA F 更有伸缩性,前者可承受约4J c m 2能量密度而没有曝照作用损伤或明显效应出现,而Ce L iSA F 的损伤通常出现在1J c m 2附近。另外,Ce L i L uF 4的热效应似乎也小于Ce L iSA F 。因此,Ce L i L uF 4是非常引人的激光晶体,尽管在其整个发射范围尚未获得激光发射。这意味着,通过采用更薄晶体或更低

4、浓度的掺杂以减少再吸收损耗,而不是提供较特殊的激发态吸收过程和解决曝照效应,预期可以获得进一步改善,当然,后一效应尽管还没有亲眼见到,但肯定存在,因为它以前已经见过。(从征供稿太阳能电池费用接近于普通电能几种光伏技术制作方法的进展正在降低制造商品化光伏组件的成本,同时也创造了光伏光电池效率的新记录。光伏光电池组件本身相对于它所产生的电能必须低成本。正如许多商业化生产制造商正在扩大他们的产量一样,制造技术的推进已使美国主要制造商的光伏组件成本降低了约三分之一。但单靠实验室的研究并不能进行经济合算的太阳能发电。由于光伏光电池可用各自方法制造,几乎不存在普适性的制造方法。所用材料也有好几类,但所有光

5、伏光电池基本上都是大面积的p 2n 结光电二极管。本文讨论商业化生产中的普遍问题及每类光电池的制造技术。91激光与光电子学进展1999年第4期(总第400期光伏制造技术项目(PVM aT是美国政府和工业界共同承担费用的项目,针对商业化光伏公司和预商业化光伏公司制造中存在的问题。PVM aT项目由能源部投资和国家能量更新实验室(N R EL运行。图1制造能力和每瓦平均制造成本的比较,以美国12家制造商1996年的实际数据和到2003年估计为基础。各制造商的生产能力正在增长实验室项目经理E1W itt说,美国五个主要光伏制造商中的四个以及8个较小制造商都与PVM aT项目有关。本项目的制造商制作一

6、个光伏组件的平均成本已降低1 3,最高输出时为每瓦3美元,而所有涉及公司的总制造能力已比过去3年翻一番。光伏工厂的年生产能力以一年所制作的所有组件和光电池提供的最大功率W p计算。制造商确信,成本还可进一步下降,市场将继续发展。1999年低,参加者预期,他们的平均成本将为1179美元 W p,生产能力将提高18714 MW,为1996年全世界生产能力的2倍以上(见图1 普通生产问题单晶硅片是一种成熟技术,并继续占据市场优势,其次是用浇铸法或条带生长法制作的多晶硅(图2。其它商品化光伏光电池用非晶硅薄膜或碲化镉(CdT e薄膜制作。有些晶态硅电池专供太阳能收集器组件使用。A stropow er

7、公司跨在体块材料和薄膜材料间,在低成本衬底上生长较厚的多晶硅厚膜。图21996年全世界生产的光伏光电池和组件总计为8816MW。其中5314%为单晶硅,27%为多晶硅,1312%为无定形硅,314%是带形多晶硅,118%是碲化镉(其中3 4是用于室内,如计算器中,018%是结晶硅,用于集光器组件,013%是低成本衬底上的硅每种晶片材料都需用不同处理技术,但所有类型的光伏光电池组件都要使材料费用最低。虽然组件的生产效率始终低于单个优质光电池,各类组件必然存在效率降低的问题,防止电池不受环境影响的包封必须做得很牢,以便有效应用和长寿命。光电池之间以及光电池到连接盒之间的电连接也必然要化一些劳力。材

8、料晶体系统公司总经理F.Schm id说,对于单晶和多晶光电池,硅片约占组件费用的三分之一。研究薄膜硅的部分动力是它只使用几微米厚的硅层而不使用几百微米厚的独立式硅片。如果光伏光电池制造商不需使用半导体级硅作初始材料,也可实现成本的某些节省。02激光与光电子学进展1999年第4期(总第400期半导体级硅不仅价格昂贵,纯度也比光伏应用所需的高1000倍。较低级的冶金级硅为99%纯度,所含杂质约比光伏光电池多1000倍。Schm id说,最近,存在生产太阳能电池级硅的要求,这种硅可能比半导体原料便宜。Schm id说,产业界每年需要10万吨左右较低价格和添加较多杂质后光伏效率不致下降的供货。为浇铸

9、多晶硅制作提供炉子的晶体系统公司已建议用他的炉子工艺来生产这种级别的硅。除光伏材料的成本费用外,组件框架成本也很可观,少数公司正在试验无框架组件。麻省埃佛格林太阳公司正在开发使用聚合物框架的组件,这种框架可作为封装工艺的一部分通过加热而形成到组件上。公司B. Kanzer说,铝框架是组件第二昂贵的部件,使用一种与发展中聚合物框架相同材料制成的新型仿鞣式织物可比普通后部聚物T edlar更厚更坚韧。这种试验性聚合物框架比典型铝框架更轻和更薄。它包括背部的铝安装横条。研制者预计,无框架组件可使组件制作和安装成本节省015美元 W。相互连结为了提高输出电压,各光电池串联式连接。在晶态光电池中,导电接

10、片把光电池上部的接触条附到下一个光电池的金属化底部。在做这一步之前,每一光电池并不附着另一个,因此,这步工艺需要对光电池作对准和使导线相连,这是一个复杂的工艺。对准调整和接片机械已使这个过程部分自动化,正在开发把所有接触都安排在一侧的光电池结构的研究,这将使相互连接工艺大为简化,使连接操作成为一种平面工艺而不是三维工艺。光电池相互连接是薄膜光电池可以胜过晶态光电池的另一生产技术:薄膜光电池通过把淀积在大面积上的薄膜划分成段而制成,虽然它仍需要进行相互连接,但薄膜光电池已经集成。封装除了光电池实用材料的寿命外,组件寿命大多还与其它因素有关。Kanzer指出,材料可以持续很久,那就是金属化和封装。

11、晶态组件的金属接片最后是氧化和腐蚀。工业标准封装聚合物乙基乙烯酸酯(EVA经高温和紫外辐照后变成黄色和褐色。EVA的替代物正在国家能量更新实验室、几家光伏光电池制造商和聚合物公司中研究。理想封装物应当能像EVA那样进行处理,而费用和光学质量差不多,但要求在2030年时间里不太变黄。晶态硅的类型单晶硅为了制作光电池,要用恰克拉斯基法生长出毛坯,并切割成晶片,然后通过形成结的方法进行制作,镀上增透膜,再加上前(指条和母条、后(面接触。由于晶片是圆的,抛光组件在晶片之间有很多空隙,有些晶片材料因晶片做成方形而浪费掉。然而,恰克拉斯基法的优点在于生长工艺的成熟,因此,半导体晶片生长者也可利用。世界最大

12、的光伏光电池生产商是单晶硅制造商西门子太阳能公司(在加州的卡马里奥。1996年,西门子生产了世界产量的约26%。E1W itt报导说,由于有了光伏制造技术项目计划的支持,西门子可使它的单晶硅组件成本降低50%以上,同时使它在美国的制作能力翻一番。其中的改进是自动化和改变毛坯锯成晶片的方法。采用丝锯法可把1英寸厚的毛坯片锯成45片晶片。多晶浇铸硅熔融硅熔化后再慢慢(在坩埚或模具内冷却成矩形大颗粒半结晶铸锭,然后切成晶片。这种生长方法比单晶生长随便些,并且矩形晶片解决了晶片和组件的包装匹配问题,留下较小空隙。制造商So larex通过使组件装配自动化(在不增加工人情况使产量翻番、减小晶片厚度、改变

13、光电池背面的接触12激光与光电子学进展1999年第4期(总第400期提高了效率,并在光伏制造技术计划的帮助下增大了铸锭尺寸。增大铸锭尺寸可在较小切割下暴露出较大面积。晶体公司销售的自动热交换炉,可以生产大至200kg(约450磅的浇铸多晶铸锭。Schm id指出,多丝划片技术减少了划片期间材料的损耗量。带形多晶硅晶片割锯导致硅以锯末形式的消耗。带形生长法由于以单独带状形式生长硅而避免了割锯问题,然后将此带切割成可操作尺寸,做成光电池。美国A SE公司采用边缘限制馈膜生长(EFG法,模具在氩气氛下在熔融硅中提拉。公司用8边形模具制作15英寸的8边形多晶硅管,壁厚约为300m。整根管子生长时间只化

14、4h,可以做360个10c m×10 c m的光电池衬底。埃佛格林太阳公司也制作带状多晶硅片,但带片是在两根通过熔融硅的高温绳之间形成。国家能量更新公司的光伏光电池项目经理T.Su rek入,该公司工艺“非常振奋人心”。薄膜多晶硅避免锯铸锭的另一方法是把硅淀积到衬底上。A stropow er公司制作了较厚的多晶硅薄膜。国家能量更新实验公司薄膜合作经理K.Z w eibel说,这个方法提供了低成本材料的薄膜。试验厂在软性衬底上制作了15c m 宽的材料片。形成p2n结的多晶生长和n型掺杂都是连续性工艺。光电池尺寸不受铸锭尺寸的限制(浇铸或单晶技术则不然,公司已演示了尺寸为30c m&

15、#215;60c m的光电池,公司认为,这是世界上最大的光伏光电池。薄膜Z w eibel说,薄膜有些方面还有待验证。虽然薄膜是作为晶态硅的较廉价替代方法而发展,但在商业上还没有得到证明。薄膜淀积在很大面积上,然后割开。透明氧化物导体可用作前表面接触。虽然薄膜已发展几年了,但由于制造方面的问题,它们还没有像预期那样快速商业化。Z w eibel还说,薄膜光伏组件的目标是在所有方面与晶态光伏光电池竞争。Su rek说,从论文情况看,所有大规模制造的薄膜看来都有希望,它们甚至可使成本降到每瓦1美元以内。非晶硅薄膜然而,1997年已有三个厂走向联机,薄膜非晶硅已进入市场。单单这三个厂每年就提供199

16、6年全世界硅2氢合金光电池总产量2倍多的组件。So larex公司弗吉尼亚厂跃增了10MW,日本佳能公司建立了一个10 MW工厂,密执安州联合太阳能系统公司已建立了一个5MW工厂,生产柔软衬底的光电池。Z w eibel告诫说,制造才刚刚开始,还没有最佳化。虽然他没有预言硅光电池将压倒光伏光电池市场,但他确实预言了今后5 10年制造方面的改进。联合太阳能系统公司是佳能和能量转换器公司的合资企业,正在制作可作为屋面瓦盖材料使用的非晶硅组件。组件不是玻璃作阵面,而是由EVA和T efgel聚合物作盖面并衬有不锈钢衬底。制造厂采用逐卷连续淀积工艺,把9层薄膜淀积在35c m宽、762m 长的衬底上。

17、公司已发展了一种用于100 MW工厂的设计构思。碲化镉薄膜用p型掺杂CdT e层上n型硫化镉(CdS层制作的光伏光电池是一种高风险高潜能技术。Z w eibel说,这种技术最有希望突破,如果行之有效,一夜之间就可使成本降低50%,这是相当罕见的。俄亥俄州太阳能光电池公司制作了效率9%的组件,现在的成本是小于100美元 m2。主要挑战是均匀CdS 层的制作,同时又要相当薄,以便使光通过结。光电池稳定性和有害镉的处理也是一个(下转封四22激光与光电子学进展1999年第4期(总第400期验工作。以前的长距离传输实验是基于高速光学调制器和电子学线路。在本实验中,光学时分复用首次产生了40Gb it s

18、孤子信号。本光纤试验装置由140km长的再分配循环回路构成,回路含有四段色散漂移光纤、两卷色散补偿光纤、五个掺铒光纤放大器和一个具有5nm带宽的光学带通滤光片。为了加强光纤所固有的相位调制,使用了额外相位调制。通过采用这种调制,获得了8600km传输距离,而比特差错率小于1×10-9。研究人员相信,这个演示是不用激活元件时40Gb it s 速率的最长距离的单通道传输。(友清光互连器用部件的塑料成形技术日本电报电话公司推出光纤连接必不可少的光互连器用部件的塑料成形技术。一直认为以10m 为界限的塑料成形精度成功地提高到与陶瓷部件同等的1m。连接的试验证实,能得到平均光损耗012 dB的连接特性,已具备可供实用的足够精度。与需要绕结和内外径研磨的陶瓷部件相比,工序能简化4 5,成本可大幅度下降。公司预计不只停留在光连接器部件,还可望在要求高精度的光相关装置和光部件等方面得到应用。公司计划至迟到2年后在公司内采用。(国月超声波相位共振波的高效率产生东京大学生产技术研究所高木坚志郎教授等着眼于非线性性能好的压电陶瓷,开发出能以高效率(50%,为过去的500倍产生超声波相位