非晶硅薄膜太阳能电池项目建设可行性报告

1、- - TOC o 1-5 h z 第一章项目概述-3 -1.1项目的国内外行业技术背景 -3 -1.2我省行业技术背景及项目对我省经济、社会发展的意义和价值-4 -1.3概述项目的目标产品、主要内容、主要研发和产业化前期工作、未来研发 和产业化的目标任务-8 -1.4项目可行性简要分析 -12 -1.5项目计划目标-13 -第二章 项目的技术可行性分析 -14 -2.1本项目的基本原理及关键技术内容 -14 -2.2工艺路线-25 -2.3论述项目创新点（包括技术创新、产品结构创新、生产工艺创新、产品性 能及使用效果的显著变化等。）-28 -2.4项目的成果和技术来源、知识产权的情况与归属

2、-32 -2.5简述本项目国内外相关行业发展现状、项目需要解决的关键技术，并与国 内外此类产品及技术现行指标进行比较分析 -32 -第三章 项目产品市场分析 -35 -3.1本项目产品的主要用途、应用领域、需求量及未来市场预测；项目产品的 经济寿命期；相关替代产品及其竞争力比较 -35 -3.2.本项目产品国内主要研制单位及主要生产厂家的研制开发情况；国内同类在建和已建项目的生产能力、预计投产时间 -41 -第四章 项目计划目标及技术指标 -44 -4.1总体目标-44 -4.2技术创新目标-45 -4.3 技术、质量指标 -45 -4.4经济与社会发展目标 -46 -第五章 项目实施方案 -

3、46 -5.1技术方案-46 -5.2生产方案 -47 -5.3.市场方案 -51 -第六章围绕本项目的厂址选择和劳动安全、卫生、消防 -52 -6.1厂址地理位置现状 -52 -6.2建设条件-52 -6. 3劳动安全、卫生及消防 -54 -第七章环境保护 -56 -7.1执行标准-56 -7.2 项目区环境现状 -56 -7.3主要污染源及污染物 -56 -7.4环境治理措施 -56 -7.5 环境保护结论 -57 -第八章节能-57 -8.1设计依据-57 -8.2节能措施-57 -第九章 投资预算与资金筹措 -59 -9.1总投资-59 -9.2资金预算和来源说明 -59 -9.3项目

4、支出预算-59 -第十章 经济、社会效益分析 -59 -10.1产品成本分析 -59 -10.2产品单位售价与盈利预测 -59 -10.3经济效益分析 -60 -10.4项目投资评价 -60 -10.5社会效益分析 -60 -第十一章 项目风险分析与控制 -60 -11.1技术风险-60 -11.2市场风险-60 -第一章项目概述1.1项目的国内外行业技术背景随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对能源消耗的可持续性 发展日益重视，尤其引起了各国政府对清洁的、 可再生能源的关注和青睐，新型 能源成为国际学术界和各国研究、 开发的重点，而太阳能是新能源发展的主要方 向之一。根据美国能源信

5、息管理局的预测，到 2010年，世界煤炭、水力和核能 发电将有6.4%的电力供应缺口；至V 2020年，这一缺口将增至10.7%;这一供应 缺口不得不用可再生能源去弥补，而利用太阳能发电将起着重要的作用。 如下表 1列出了由国家发改委提供的未来几十年预计我国太阳能产业发展情况：产业规划2010E2020E2030E2040E装机容量30 万 KWp180 万 KWp1000 万 KWp10000 万 KWp年发电量4.2 亿 KWH21.6 亿 KWH140 亿 KWH1500 亿 KWH发电比例4.2%8%14.6%22.5%表1全国太阳能装机容量及发电量规划太阳能光伏发电是太阳能利用的一个

6、主要方面，目前常用的太阳能电池有单 晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅薄膜电池。在欧美一些国家，因为政府的一些优 惠政策及单晶硅、多晶硅电池具有研发早、转化效率高、生产工艺成熟等优点， 得到了一定数量的推广。但是单晶硅、多晶硅电池组件的硅料提纯、制取过程中 消耗大量的电能，发电成本远高于其他能源形式。经分析，单晶硅、多晶硅电池 成本下降有两种途径：提高转化率和降低硅片厚度。根据电池转化率和硅片厚度 变化趋势可以测算多晶硅系统价格变化趋势，最高值分别是22呀口 150卩m这个数值接近晶硅的成本极限；根据模型测算，按照年日照1000h测算，2020年多晶硅电池系统的发电成本为 2.02元/kW2 h;年

7、日照1 300 h的发电成本为1.55 元/kW2 h,这一数据接近晶硅的成本底线，但仍不足以与煤炭等常规能源相比， 市场前景日益黯淡。单晶硅、多晶硅电池的这些缺点在客观上为非晶硅薄膜电池 的发展提供了契机。自从1976年非晶硅太阳能电池诞生以来，到现在已经有27年的历史了。随 着研究的深入与产业化技术的完善， 非晶硅电池的质量不断提高，能量转换效率 从最初的2.4%已经可以提高到15%非晶硅电池已经应用于各种领域，并显示出 了强大的生命力。2001年非晶硅电池的世界总产量已经达到 33.68MV，占世界总 产量的8.62%。如今，非晶硅薄膜太阳能电池技术已步入成熟，单条生产线的总 输出能量为

8、25.8 MWp。1.2我省行业技术背景及项目对我省经济、社会发展的意义和价值 1.2.1我省太阳能资源情况及光伏产业发展的优势青海省地处中纬度地带，平均海拔4000米左右，高原大气层相对稀薄，日光 透过率高，加之气候干燥、降雨量少，云层遮蔽率低，太阳能资源十分丰富，仅 次于西藏，属第二高值区。青海省的太阳能资源我国年日照时数分布在 2500-3650 小时，年均日照率达60-80%,年辐照总量5860-7540兆焦耳/平方米。柴达木地区 我国年日照时数为3600小时，是著名的“阳光地带”，具有很高的开发利用潜力。有效地利用青海的综合资源优势，大力发展太阳光伏产业，优化青海省能源 结构、保护生

9、态环境、推动工业和经济的快速发展，实现青海省能源、工业、经 济和社会的可持续发展。我国西部地区，青海省的太阳能资源不是最好的、 荒漠土地面积不是最大的、 电网架构和容量也不是最完善的。但是结合太阳能资源、土地资源、气象、电网、 地理、交通及光伏产业链等因素，青海的光伏发展综合条件是全国最优的。1）丰富的太阳能资源青海省地处青藏高原，全省均属于太阳能资源丰富地区，太阳能资源全国第 二，仅次于西藏。全年日照时数在 25003650小时，年辐照总量 58607540兆 焦耳/平方米，折合约1623亿吨标煤，合360万亿千瓦时。太阳能资源分布均匀， 海西州和玉树州西部年辐照总量在 7000兆焦耳/平方

10、米以上，相当于2000KWh/M 光伏发电一年满发小时数可达到 1800小时（系统效率0.9 ）以上。其他地区辐照 量略低，但绝大部分区域也在 6000兆焦耳/平方米以上。在青海省建设光伏发电系统，发电成本将远低于欧洲国家，同时也低于国内 大多数区域，具有良好的经济性。青海省丰富的太阳能资源，是除西藏外其他省 份无法比拟的资源优势。2）土地等自然资源青海省具有建设大型光伏发电系统非常理想的土地资源。全省土地面积72万平方公里，未利用土地面积为 24.6万平方公里，仅海西州就有未利用土地20万平方公里，主要为荒草地、盐碱地、沙地、裸土地、裸岩石砾地等，仅柴达木盆 地就有荒漠化土地约3.5万平方公

11、里。青海省的荒漠和戈壁相对比较集中，广阔而且平坦，无遮挡，地质、地形和 地貌等条件非常适合于建设光伏电站。海西州是青海省降水量最小的地区，柴达木盆地比较干旱，年降水量从东南部的200毫米降到西北部的15毫米，格尔木周边仅为38毫米。柴达木盆地的土地等综合自然资源非常适合于建设大型荒漠光伏高压并网系 统。1平方公里可以建设固定式光伏电站 4万千瓦，或者建设跟踪型光伏电站1万 千瓦。以海西州四分之一未利用土地（5万平方公里）建设光伏电站的年发电量将 超过2007年全国总发电量。3）电网容量与架构理想青海省电力负荷容量较小，2007年度全网最大发电负荷为398万千瓦，2010 年预计全网负荷为940

12、万千瓦，2020年全网也仅1670万千瓦左右。青海省电网是西北电网的一部分，电压等级较高。2012年预计建设5座750KV 变电站，电网建成750千伏“西电东送”两个通道。南通道 750KV直通兰州东， 北通道750KV通过西宁通过永登。建成750千伏西宁格尔木输变电工程、青海 西藏联网工程。2020年，青海经过锡铁山750KV变电站通往新疆的土 500千伏直 流联网工程计划建成。海西州将具备 3座750KV变电站，2条土 500千伏直流通往 外省的输电线路，1条750KV通往西宁的输电线路。2020年青海省电网与周边的西藏、新疆、甘肃等邻省通过交流750KV和土 500 千伏直流超高压电网联

13、网。青海省本地负荷小，但输电网架构非常完善，电压等 级高，电网四通八达。建设超大规模的光伏发电基地的电力输变电设施基本具备。4）硅矿石资源青海省有丰富的硅矿石资源，储量在 10亿吨以上，矿石质量好，主要分布在 西宁和海东地区，素有“硅石走廊”之称。我国制造太阳电池所需的高纯多晶硅 材料绝大部分依靠进口，利用青海省丰富的硅矿石资源，发展硅材料提纯生产具 有一定的优势。5）电价水平较低青海省电力结构以水电为主，电力充足且电价水平较低。对于光伏产业链中“沙子到冶金硅、多晶硅生产、硅锭/切片” 3个耗能比较高的生产环节，电力成 本低具有较大的优势。6）交通设施便利青海省交通运输条件较好，由公路、铁路构

14、成的交通运输网络覆盖全省，是 工业经济持续快速发展的坚实基础，同时也为光伏产业的发展和电站的建设提供 了便利条件。通往海西州内贯穿荒漠地区的公路均为二级以上，去各工业区或变电站的道 路也全部为油路。青藏铁路的建成通车也为全省的交通运输奠定了强有力的支撑。7）完整的光伏产业链青海省具有较为完整的光伏产业链。从硅材料、硅锭 /切片、太阳电池生产、 组件封装、平衡部件研发及生产、系统集成、销售网络及售后服务体系等光伏产 业中各个环节都有专业的生产企业。同时，青海省拥有多年的光伏系统设计、安 装等工作基础和丰富的工程应用经验。青海省逐渐成为了西部光伏产业发展中心。1.2.2我省光伏产业现状及发展规划1

15、）我省光伏产业现状近年来，我省积极实施优势资源转换战略，在一批龙头企业的带动下，光伏 产业不断壮大。通过引进资金和技术，使全省多昌硅、单晶硅这一产业链中关键 环节走在了全国前列；同时一批多晶硅、单晶硅锭片项目的启动和实施，为全省 光伏产业发展，技术、人才集聚创造了良好的条件。一、产业发展初具规模目前，青海省光伏产业正在政府宏观调控下稳步发展。多晶硅提纯制造业发 展迅速，预计2009年亚洲硅业（青海）公司、黄河水电集团形成年产3250t多晶桂生产能力，青海华硅能源有限公司已形成单1000r晶硅产能的目标；以青海尚德尼玛太阳能电力有限公司为主的太阳能电池组件封装产业形成了50MW生产能力；太阳能产

16、品制造业方面，已形成青海新能源（集团）有限公司为代表的20多家生产企业，产品不仅满足青海省为中心的西部光伏电源区域市场，一些产品还 远销尼泊尔、蒙古、乌兹别克斯坦等国。二、产业链逐步形成目前，省内光伏新材料产业的范围覆盖了多晶硅、单晶硅、硅切片、电池组 件、系统集成等各个环节。以东川工业园区为主体，集聚了一批光伏产业生产企 业，如甘河、民和工业园可用于多晶硅生产原料的金属硅高纯工业硅企业和项目， 亚洲硅业（青海）有限公司、青海华硅能源有限公司的多晶硅、单晶硅生产，青 海尚德尼玛等太阳能电池组件封装的生产，企业间形成了相互依存，配套协作的 密切关系。通过积极引进新一代西门子生产工艺技术，突破了多

17、晶硅产业关键技 术，从材料生产、工艺技术、重大装备、循环利用的产业化生产线，形成了“金 属硅一多晶硅一单晶硅一硅片一太阳能组件一太阳能照明灯具”的产业链，太阳 能光伏产业的上下游环节已初步贯通，标志全省以硅材料为主的光伏新材料产业 链初步形成。三、产业技术水平不断提高结合国内外硅产业的发展趋势，在省、市相关部门的推动下，光伏新材料生 产企业注重与高校和科研院所的产学研合作，加强关键技术攻关，提高产业技术 水平。四、市场应用取得初步成效从市场构成分析，省内光伏市场以解决农村、牧区用电的离网发电为主，占 累计装机容量的70.65%,居光伏发电市场的首位；其次为户用电源，占累计装机 容量的28.62

18、%。上述市场构成反映了国家加快农村及边远地区电气化的政策扶持 机遇。省内离网光伏电站主要应用于乡村级光伏电站、移动通讯机站、公路道班、 气象台站等领域。2003年以来，国家发改委正式启动了“送电到乡”工程，总投 资37312万元，总装机容量3943千瓦，在全省6州1地23县112个无电乡，已 建设完成太阳能光伏电站112座（含风光互补电站），解决了我国省112个无电 乡1.5万户、5.5万人的基本生活用电问题，青海省也彻底告别了存在无电乡的 历史。另外，中德财政使用的“西部光伏村落电站”项目自2002年起实施，将建成180个光伏电站，解决约1万户农牧民及学校、卫生所等公益设施的基本用 电需求，

19、受益人口约4万多人，一定程度上解决了省内偏远地区的用电问题。2004年建成青海省第一座运行发电的并网光伏示范电站，年发电量约5000多KWh2006年计划55KWp勺电站建设，目前已完成40KWp2007年建设的300KWp 光伏并网电站年发电量为42万KWh 2009年计划开建的柴达木太阳能电站规划 装机容量为1GW建成后将成为目前中国最大的并网光伏电站。由于省内光伏产业具有相对完整的产业链， 在下游特别是照明应用领域已开 始对接融合，全省已经在西宁多个路段和小区采用了太阳能路灯、庭院灯、草坪 灯，随着新农村、新牧区的建设，将在格尔木市、同德县、花土沟镇、西海镇等地建设太阳能路灯示范工程，市

20、场应用取得了阶段性的成效。2）发展方向与重点近年来，全省通过引进资金和技术，形成了一定规模的多晶硅、单晶硅生产 能力，奠定了高纯硅材料产业基础，具备了发展国内大规模的光伏产业条件。如 何继续加大结构调整力度，积极贯彻落实国家产业政策，以资源高效利用为突破 口，延长产业链，培育新的经济增长点，积极发展流光伏产业，全力推进工业项 目建设，努力扩大工业经济总量，在这一领域跟上全球的步伐，以及能够走在全 国前列，是我省重要的课题之一。青海省光伏发电应用的发展整体定位为：全国最大的光伏发电基地，为本省、 邻省、华北乃至全国提供电力。发展阶段如下：1）2020年以前，光伏发电为全省电网补充电力2020 年

21、以前，青海省光伏发电的应用重点是满足省内自身用电需求，利用青 海省现有电网架构，补充青海电网电力供应，调整能源结构，解决偏远地区用电 问题，为快速发展的青海省工业和经济提供电力供应保障。发展目标为：到2020年，光伏发电总装机占青海省电力装机的8%达到200万千瓦（即2GWP，年发电量达到34亿千瓦时左右，约占全省电力规划消耗总量 的 3.4%。2）2012年2030年，光伏发电为邻省提供清洁型电力20212030年，青海省光伏发电的应用重点是为电力紧缺的邻省提供电力。发展目标为：到2030年，光伏发电总装机达到2千万千瓦（即20GWP，年发 电量达到340亿千瓦时左右。3）2031年2040

22、年，光伏发电为华北供电20312040年，青海省光伏发电的应用重点是为华北地区提供电力。发展目标为：到2040年，光伏发电总装机达到2亿千瓦（即200GWP,年发 电量达到3400亿千瓦时左右。4）2041年2050年，光伏发电为全国供电发展目标为：到2050年,青海省光伏发电总装机达到10亿千瓦（即1000GWP, 年发电量达到1.7万亿千瓦时左右，成为全国能源基地，可以为全国提供电力。青海省光伏产业发展定位为：青海省第 5大支柱产业。结合青海省光伏应用的发展定位和现有的光伏产业链，青海省太阳光伏产业 的发展重点是：硅材料提纯、硅锭/切片、太阳电池生产。青海省已有盐湖化工、水电、石油天然气、

23、有色金属四大支柱产业，在2008年政府工作报告中，省政府明确提出要依托本地得天独厚的太阳能应用综合资源 优势，将太阳能产业打造成国内新的产业支柱。这也是青海省大力发展高新技术 产业，推动传统产业结构优化升级，形成特色经济框架，保证能源需求的持续增 长得以满足的迫切需要。光伏产业是青海省特色经济的首选产业，是拉动青海省工业和经济进一步发展 的新增长点。大力发展青海省太阳光伏产业，积极引进省外优质资本和国内外先 进技术，建设并完善具有产业竞争力的光伏产业链，积极进行光伏发电产品测试、 综合示范应用等能力建设，将青海省建设成为我国西部光伏产业基地、综合示范 基地、规模推广应用基地，这也将成为青海省经

24、济持续增长的强大动力。123项目对我省经济、社会发展的意义和价值充分发挥多晶硅、单晶硅等上游原料的优势，着力提高光电转换效率和组件 封装技术水平，减少电池片厚度，密切跟踪薄膜晶硅电池及组件、非晶硅薄膜电 池等前沿技术走势，加快研发和产业化步伐。大力发展高转换率多晶硅薄膜太阳 能电池、单晶硅太阳能电池制造产品。改革开放以来青海省对外贸易工作克服远离口岸、交通不便等困难，积极应 对国际经济形势的变化，大力推进以开放带动进出口，不断开创对外贸易发展的 新局面。特别是进入21世纪后，青海省对外贸易工作在省委、省政府的领导下， 紧紧把握国际经济变幻和国内产业转移的时机，以科学发展观统领发展全局，努 力改

25、善对外贸易的环境，对外贸易工作取得了新成绩。但是青海省对外贸易水平 较低，外贸对经济的巨大拉动作用和对配置的优化作用远远没有发挥出来。金融 危机的爆发打破了原有相对比较稳定的国际贸易格式，随着国际经济一体化进程 加快及我国加入世界贸易组织后，为青海省提供了良好的发展机遇。该项目依托 企业的技术优势，发展太阳能光伏系统，主要产品出口到俄罗斯、巴基斯坦、缅 甸等国家。实施后年出口创汇 115万美元。因此该项目的实施，是走青海外贸之 路、创名牌出口商品的需要。1.3概述项目的目标产品、主要内容、主要研发和产业化前期工作、 未来研发和产 业化的目标任务1.3.1目标产品非晶硅薄膜太阳能电池。1.3.2

26、主要内容非晶硅太阳能电池作为一种新型太阳能电池，其原材料来源广泛、生产成本 低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。它具有较高的光吸收系数，在0.4-0.75卩m的可见光波段,其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对 太阳能辐射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1卩m厚）就能吸收约 80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用中对低光强光有较好的适应，特别 适用于制作室内用的微低功耗电源，这些都是非晶硅材料最重要的特点，也是它 能够成为低价太阳能电池的重要因素。133主要研发和产业化前期工作非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求，可以不考虑 制备晶体所必须考

27、虑的材料与衬底间的晶格失配问题，在较低的温度（200 C左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单,单片电池面积大，便于工业化大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成 本。由于非晶硅半导体材料（a-Si）最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、 短程有序,原子之间的键合类似晶体硅，形成的是一种共价无规网络结构，它含有 一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此载流子迁移率低、扩散长度小、寿命 短,所以这种材料是不适合直接做成半导体器件的。为了降低非晶硅中缺陷态密 度,使之成为有用的光电器件，人们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部 分的悬挂键被氢补偿,形成硅

28、氢键，降低了态隙密度。1976年研究人员成功实现 了对非晶硅材料的p型和n型掺杂,实现了 a-Si-pn结的制作。但这种氢化非晶 硅pn结不稳定,而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。因此为了 把非晶硅材料做成有效的太阳能电池，常采取的结构模式为pin结构,p层和i层 起着建立内建电场的作用,i层起着载流子产生与收集的作用。此外,非晶硅材料 的光学带隙为1.7eV,材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就 限制了非晶硅太阳能电池的转换效率，解决这个问题的方法就是制备叠层太阳能 电池，一方面增加太阳光利用率，另一方面提高非晶硅太阳能电池效率。但是，非 晶硅薄膜太阳能电池光电效

29、率会随着光照时间延续而衰减，即所谓的光致衰退 （S-W效应）效应,主要是因为Si-H键很弱,在光照下H很容易失去,形成大量Si 悬挂键,并且非晶硅薄膜电池转换效率低,一般在10流右。Back reflectorZnOn-Sii-Sip-SiZnOGlass图1典型p-i-n薄膜非晶硅太阳电池示意图图1典型p-i-n薄膜非晶硅太阳电池示意图Light为了提高非晶硅薄膜太阳能电池组件在市场上的竞争力， 影响非晶硅太阳电 池性价比的方方面面显得尤为重要，从产品性能和生产工艺角度可以分为以下几 占：八、1.提高非晶硅太阳电池的传换效率。效率的提高可以从提高对光的管理系统出发，如陷光结构。对于沉积在玻璃

30、衬底上的太阳电池（亦称“顶层式” 太阳电池），影响光散射特性的透明导电膜（TCO前电极的表面形态就显 得至关重要；对于沉积在不透明载体上的太阳电池（亦称“底层式”太阳 电池），后接触器的反射率和纹理显得尤为重要。非晶硅薄膜太阳电池更 进一步发展与光电质量的提高非晶硅吸收层， 掺杂层和介于掺杂层和内置 层之间的分界层。2.消除非晶硅薄膜太阳能电池光电效率会随着光照时间延续而衰减的影2.响，即消除所谓的光致衰退(Staebler-Wro nski effect)影响。这种影响可以使得初期非晶硅太阳电池组件的性能减少15-30%经研究采用薄的吸收层可以有效抑制光致衰退效应。然而，为了提供充足的光吸收

31、能力， 薄的吸收层必须依赖于太阳电池中高效的光诱导技术。为了降低非晶硅薄膜太阳电池组件制备的成本，限制在非晶硅沉积机器的投资，吸收层的沉积速率需要控制在10-20A /s。如何在提高了的沉积 速率基础上避免增加的光诱导衰减成为了沉积速率的中心问题。除了无线电频率的等离子体增强的化学气相沉积(PECVD技术，以下几种沉积技 术也被探究具有可以制造出沉积速率很高的吸收层，如高频等离子体增强的化学气相沉积技术，热丝化学气相沉积技术和夸大化的热等离子体化学 气相沉积技术。大批量生产工艺的选择。尽管a-Si:H薄膜太阳能电池各层的沉积技术是其最重要的制造工艺部分，但是成品还包括很多制造步骤影响太阳能组件

32、 的总费用。这包括：透明导电膜(TCO前电极的沉积，多层后电极的沉 积，亚电池系统的激光划片，封装和构架系统等。太阳电池结构和组件设 计取决于应用的制造步骤和沉积顺序的选择。目前，有三种主要的a-Si:H薄膜太阳能电池沉积方法：一室过程，多室过程和连续式的卷对卷 (roll-to-roll)制程生产。普遍的趋势是增加衬底的大小，来减少每单位面积的成本。通常的产品设备的必要条件是充分的沉积过程信任度，高的正常生产时间，高效率和正确的清洗工作室时间的选择。降低材料成本。材料成本主要归功于全部的 a-Si:H模块。其中重要的一部分是基底，玻璃材料和高温抗性的聚合金属层。因此，更加低价的薄金属层连续式

33、的卷对卷(roll-to-roll)技术是一项更好的选择。通常相对厚的含氟聚合物封装技术被应用来保证一个模块具有20年的寿命。由此封装成为了模块加工中花费最高的项目，因此寻找一种便宜的圭寸装技术成为最 重要的降低成本的手段之一。衬底的选择决定了加工各过程的温度和加工 步骤。a-Si:H各层沉积时气体的选择以及他们的纯度和利用度也具有经济 影响，例如，在a-SiGe:H多结太阳电池各层中利用锗烷可以很大程度上增 加材料成本。1.4项目可行性简要分析 1.4.1项目的可行性研究依据由于薄膜太阳电池的成本优势，始终是我国政府在光伏发电方面重点支持的 领域，早在“七五”期间，国家科委就投入2000多万

34、元，在北京有色金属研究院 建成年产100kWE晶硅太阳电池生产线。进入21世纪，国家通过科技攻关计划、“ 863”计划、“973”计划以及各项创新计划，对薄膜太阳电池的研究开发和产 业化给以了大力支持，使我国在非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒、染料敏化以及微晶 /非晶太阳电池等诸多方面距均取得了很好的进展，为我国薄膜太阳电池的产业 化打下了良好的基础。多晶硅或单晶硅之生产程序可排放超过10倍之有毒物质（包括最危险的氯硅 烷）于2009年8月，国务院总理温家宝发布一项紧急指令，重申国家必须减少生 产晶体硅，其中更是提到多晶硅属于高耗能和高污染产品。路透社根据一份太阳 能研究公司iSuppli发出的报告显

35、示，非晶硅薄膜太阳能电池的市场占有率将于 2013年以前增加一倍以上。通用电气公司最近宣布，他们将改以薄膜太阳能作为 集团未来的太阳能项目发展重点，并在 2011年开始生产。142市场预测在各类太阳能发电技术中，目前晶硅电池仍然占主导地位。但薄膜电池的出 货量比例不断增加，从2002年的3%曾加到2008年的14%而2009年更是增加到19% EPIA数据显示，2009年薄膜电池的产能占到总产能的22%，到2013年将上升到 23%。其中硅基薄膜新增产能将集中在中国和台湾，而CdT罰CIGS新增产能将集 中在美国、欧洲和日本。截至2009年年底，全球大约有50家公司已经或计划生产 硅基薄膜电池

36、，领先的厂商主要包括夏普（日本）、三菱（日本）、Uni ted Solar （美国）、Ersol （德国）、新奥光伏（中国）、创益科技（中国）和佰世德太阳能 （中国）等。1.4.3项目的实施方案本项目计划实施期限为三年通过本项目的实施，应用非晶硅薄膜太阳能电池的研发和生产方面积累的研究成果，综合国际和国内先进的非晶硅薄膜太阳能电池研究成果，就非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率、杂质掺杂浓度、光致衰减效应、沉积工艺等关键技术， 开展深入研究，掌握非晶硅薄膜太阳能电池的关键技术和制造工艺，开发出具有国际先进水平的新型非晶硅薄膜太阳能电池，并形成产业化。144预期效益分析社会效益项目的实施符合国家产业

37、政策，是青海省重点建设项目，项目建成后可促进 和带动地方经济的发展。项目产品的推广使用，不仅可节省巨大的电能消耗量， 节省能源开支，提高经济效益；而且可大幅提高能源利用效率，对促进可持续发 展具有重要的作用，促进资源的节约型和环境友好型社会的建设。项目实施的是 项目实施单位贯彻落实我国能源利用基本方针政策的具体体现。在当前就业压力较大的情况下，增加就业岗位，尤显重要，该项目的建设对 促进就业具有重要的现实意义和作用。本项目可提供直接就业岗位若干个，通过 项目建设和运营，每年还可增加更多的间接就业岗位和就业机会。项目实施是促 进就业的迫切需要。经济效益本项目的实施，新增固定资产 363万元，实现

38、利税166万元，财政收入增加 100万元。加大了西宁市地区的固定资产的投入，带动了局部经济的增长。项目实 施后年出口额115万美元，对青海省出口创汇具有重要的意义。1.5项目计划目标项目执行期间计划新增投资 4830万元，实施期三年，达产时形成年产 50MW 非晶硅薄膜太阳能电池的能力。预计目标产品国内市场占有率将达到 20%左右，实施期内累计销售非晶硅薄膜 太阳能电池2.3万KVy累计实现新增销售收入9200万元，净利润992万元，税收 1024万元，替代进口 150万美元。第二章项目的技术可行性分析2.1本项目的基本原理及关键技术内容 2.1.1基本原理非晶硅（a-Si）太阳电池是在玻璃（

39、glass）衬底上沉积透明导电膜（TCO）,然后 依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si （单结），接着再蒸镀金属 电极铝（Al），光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出， 其结构可表示 为glass/TCO/pin/Al ，最后用EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）、底面玻璃封装，衬 底也可以是不锈钢片、塑料等作衬底。非晶硅双结玻璃薄膜电池组件的结构如图 2所示，自上到下依次为顶面玻璃、SiO2导电膜、双结非晶硅薄膜电池（非晶硅 薄膜电池还可做成单结或三结非晶硅薄膜电池）、背电极、EVA（乙烯-醋酸乙烯 共聚物）、底面玻璃。非晶硅玻璃薄膜电池发电原理与单晶硅、多晶硅电池相似，当太

40、阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子一空穴对，在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P侧，电子漂移到N侧，形成光生电势，外电路接通时，产生电流。图2非晶硅双结玻璃薄膜电池结构为了要了解不同于晶体硅太阳能电池的非晶硅薄膜太阳能电池的设计和操 作,我们将会概述非晶硅薄膜太阳能电池的结构和材料特性并且与单晶硅电池进 行比较。 一些广泛被应用于a-Si:H的技术也提到了。原子结构C)-C)-C)C)-C)-C)-C)(Si momunpassivated dangling bondCovalent bond 入、H passivateddangling bond图3单晶硅和a

41、-Si:H原子结构示意图图3举例说明不同在单晶硅和a-Si:H原子结构的不同.每个硅原子以共 价以联结四个邻近的原子。所有的联结键有相同的长度并且各联结键之间的角度是相等的。 在原子结构中，一个原子与它直接相邻的原子的联结数目叫做配 位数。因此，在单晶硅中，所有硅原子的配位数是四；我们也能说硅原子是四重 配位。一个电池单元能被定义为晶格完全相同，能被复制而且彼此堆积。如此的规律性的原子排序用长程有序来描述。图3 b举例说明a-Si:H不呈现出长程有序的结构。然而，在原子规模上有相似的原子组态，即有四个硅原子组成相邻 的共价键，在其近邻的原子也有规则排列，但更远一些的硅原子其排列就没有规 律了。

42、虽然a-Si:H中缺乏长程有序，但它有与单晶硅相同的短程有序作用。这一个结论已经从X光衍射测量中获得.那些在a-Si:H中相邻原子中的联结键的 角度和长度上的小偏离会导致在超出几个原子的距离上局部结构的完全损失。 结果是a-Si:H产生原子结构叫做一个连续无规网络。由于短程有序，通常的半 导体能带观念（由倒带和价带表示）能仍然被用于 c。在a-Si:H中相邻原子联 结键角度和长度发生较大偏离时会导致所谓的禁带。当充足的能量可以满足的时候,例如以热能的形式，禁带就容易地被打破。这一个过程导致在原子的网络中的缺陷的形成。在连续的无规网络，缺陷的定义被有关于晶体的结构修正。在晶 体中，任何一个原子处

43、于不合适的格子空间则形成一个缺陷。在连续的无规网络 一个原子不能够位置不合适。因为a-Si:H缺陷是连续无规网络结构中，任意一个原子的具体结构特征与其近邻是同等的，因此此缺陷是配位缺陷。当一个原子有太多或太少束缚键时容易发生配位缺陷。在a-Si:H中,缺陷主要发生在有三个共价键和一个不成对电子，即一个悬挂键的硅原子上。因为这种结构在a-Si:H 占主导地位，因此缺陷通常与悬挂键有关。其中一些悬挂键在图3中描述了。另 外缺陷结构是一个硅原子与五个近邻原子联结成键造成的。这种结构称为是漂浮键，在图3中以圆圈标识。在纯净的a-Si（非晶硅中只有硅原子而没有其他原子）,每立方厘米大约有 1021个缺陷

44、的浓度。如此大的缺陷密度材料很难作为性能优良的设备。当非晶硅掺杂氢沉积后（利用辉光放电），氢原子联结了绝大多数的硅的悬挂键，作用力 强的硅氢键就形成了。如图2,氢纯化后悬挂键的密度从没立方厘米1021个减少 到1015-1016个，相当于每一百万个硅原子中存在不到一个悬挂键。在这种材料中，氢原子掺杂后的非晶硅薄膜电池已经被证明具有合适的电学应用。电子自旋共振一项实验数据可以提供半导体中缺陷的微观结构的信息，包括非晶硅，那就是电子自旋共振（ESR。电子自旋共振只能鉴别与中性悬挂键有关的一种形式 的缺陷。ESR被认为是一项决定a-Si:H缺陷的实验标准，并且其结果被认可准 确的。然而，这种方法的灵

45、敏性被薄膜中较低的自旋密度所限制并且这种方法只 提供了顺磁性的缺陷信息，它无法表达出无配对电子产生的缺陷信息。基于此， ESR低估了缺陷密度，因为悬挂键中不包含无配对的自旋产生的缺陷。因此，ESR的结果十分依赖于费米能级的位置，因为它影响着电子自旋产生的缺陷。氢化的非晶硅中氢的特性_c=eB0iMuu_c=eB0iMuu_600 S00 1000 1200 H00 16001800 2000 2200 2400Wave number/cm图4不同温度下a-Si:H的红外吸收光谱图氢在缺陷纯化中扮演着重要角色，氢的掺杂并入和稳定性在a-Si:H中一直是研究的重点。a-Si:H薄膜中氢的引入对薄膜

46、的力学、热学、光学、电学等等 性质有着极大的影响。这是因为它可以钝化非晶硅薄膜中大量存在的悬键，降低薄膜的缺陷密度，减少带隙中的非辐射复合中心，从而显著提高薄膜的稳定性。 a-Si:H的特性不仅与氢的含量也与氢在硅中的结合形式有关,因此研究膜中氢 的含量和结合方式与淀积工艺条件之间的关系是薄膜制备中的重要问题。红外吸收光谱仪被广泛应用于a-Si:H中硅氢键信息的提供。如图4所示，a-Si:H中可 以观察到的三个红外吸收波段：一个尖峰值在 640cm 4，一个双峰在 840-890 cm，吸收峰范围在2000-2200cm，。640cm，处的尖峰反应了所有可能 共价键型，如Si - Hx中X=1

47、,2,3。因此这个峰用来判断a-Si:H中的X。 840-890 cm 4的双峰是二氢化物摇摆模型。2000cm 附近的峰代表着单独的硅氢 键Si - H的拉伸模型（也称为低拉伸模型，LSM，范围在2060-2160cm，的峰 值包含内表面上的硅氢键 Si - H的拉伸模型（也称为高拉伸模型，HSIM，例如 空键、二氢化物键和三氢化物键。一个微观结构吸收，用R*表示，由LSM和HSM 吸收峰共同决定。这个系数 R*经常用来表征a-Si:H网络中的微观结构，它粗略 的代表两个不同“态”，即密集网络和包含空隙的断裂网络。这个微观结构系数 定义为；(1)1 HSM(1)1 LSM 1 HSM其中IH

48、SM和 ILSM分别是LSM和HSM勺全部吸收强度。通常，c元件包含不 到10%勺氢原子，所以R*0.1。氢扩散和演变观测技术帮助分析 a-Si:H中氢的运动。核磁共振（NMR给出 了氢原子所在环境的信息。最近，据报道，基于 NMRS验，由分子组成的氢占据 了 a-Si:H中所有氢中的40%态密度在半导体材料中反应载流子的分布和浓度的一项重要信息是态的能量分布，也称为态密度。对于本征晶体硅，价带和导带被精确的带宽分离，Eg,并且带宽内没有能态。由于a-Si:H原子结构中的长程无序，价带和导带中的能态分布到 带宽中并形成能态区域，称为带尾。可以看作是晶格紊乱对晶体能带中电子态密 度的一种微扰，使

49、得能带出现带尾结构。另外，这些形成的能态区域在价带和导 带之间的中间。也就是在a-Si:H中能带密度是连续分布。能态中载流子可以认为是自由载体 （可以用波函数描述）可以拓宽到整个原 子结构，这些能态是非定态的称为是拓宽能态。a-Si:H中的无序使得尾带和缺陷带呈现出定域波函数，这些态称为是定态。结果是，描述载体运输的移动性在 通过定态是严重衰减。这种在定态中严重衰减的载体移动的特点与在拓宽能态中 的对比用来定义a-Si:H的带宽，这种带宽叫做迁移率，Emob在非晶硅半导体 的能带中，不存在严格意义上的价带顶和导带底， 能级将能带分为两部分，一部 分称为扩展态；另一部分称为定域态。a-Si:H中

50、能级将扩展态和定域态分离成 价带Ev，导带Ec,迁移率边，两者之差也不再具有禁带的意义，而被称为迁移 率隙（或能隙，光学带隙），它比单晶硅的带宽要大，并且典型的能隙值为1.7eV 和 1.8eV。029152Mobility gap-0.4 -0.2 0 0 0.2 04 0.6 0.8 1.0 1.2 14 16 1 8 2 0 2.2Electron energy eV029152Mobility gap-0.4 -0.2 0 0 0.2 04 0.6 0.8 1.0 1.2 14 16 1 8 2 0 2.2Electron energy eV图5典型的态密度模型图4描绘了标准态密度分布

51、模型。在这个模型中，价带和导带由一条能量抛 物线表示，并且出现价带和导带的带尾能态的指数衰减。 缺陷能态由两个相等的 高斯分布曲线表示，由相关能U相互转化，且相关能假设是一个正的常数。正如 之前提到的，悬挂键是a-Si:H中占主导地位的缺陷因素。一个悬挂键可以以下 三种电性：正电（D），中性（D0），负电（DC。进一步而言，对于非晶 态半导体价带的带尾，如果没有被电子占据，则呈正电性，起施主作用；如果被 电子占据，则呈电中性。而对于导带的带尾，如果没有电子占据，呈电中性；如 果被电子占据，则呈负电性，起受主的作用。如果导带和价带的带尾在能隙内交 叠，那么，费米能级就被钉扎在交叠带尾的中央。也就

52、是说，非晶态半导体的费 米能级基本不随着掺杂浓度、缺陷浓度的改变而改变。对于位于费米能级以下的 导带带尾，由于都被电子占据，从而显示负电性；而位于费米能级以上的价带带 尾，由于没有被电子占据，是空着的，所以显示正电性。与晶态半导体中施主能 级的电子可以填充空着的受主能级起到补偿作用一样， 非晶态半导体中费米能级 下的施主也会和费米能级上的受主复合，严重影响非晶态半导体的电学性能。光学特性a-Si:H的光学特性通常用吸收系数，折射率和光学带宽描述。图6所示是典型的a-Si:H光吸收系数随着光子能量函数的变化曲线。在可见光部分，a-Si:H吸收率大概是晶体硅的100倍，这意味着1um厚的非晶硅薄膜

53、太阳能电池可以吸 收90%勺太阳能。实际生产中，a-Si:H的厚度大致是0.3um,比典型的单晶硅电 池薄1000倍。Wavelength micrometers2,481 ”240830.620.500,41EO三芒SEO三芒S方 CO uojdjsqv1051041031021011010 10,51.01,52,0253,0Photon onergy eV图6 a-Si:H吸收系数随光子能量变换函数曲线电学特性a-Si:H的电学特性通常由暗电导率，光电导和迁移率产品寿命来描述。这 些特性是判别a-Si:H材料质量的重要因素。暗电导率a-Si:H中固有的按电导率 J小于1 100*cmV。

54、测量其按电导率需要对一个很小的电流进行测定，为了不影响电流的测量采取除潮或扩散杂质的方法。因此，测量通常是在真空或惰性气体的环境中进行，样品需要退火半小时到 1500C来蒸发所有薄膜表面的潮气。应用100V电压来控制1卩m厚的a-Si:H样品接收10个微安的电流，便于测量。暗电导决定于：-d = - w（2）U ldU是外施电压，I是测得电流，I是电极长度（T-2cm），w是两电极间的距 离（0.5-1mm），d是薄膜的厚度。光电导率光电导率可以给予测量按电导率的样品材料通以合适的光照进行测量。a-Si:H的光电流可以用等式（2）进行计算，且应该高1 10 Jcm_1。光电导和 暗电导的比率称

55、为光电灵敏度。这个系数给出了一种材料是否适合作为太阳能电 池光敏材料重要依据。a-Si:H中比较良好的光电灵敏度系数应高于105。迁移率产品寿命量子效率迁移率产品寿命十分有用，包含着 a-Si:H薄膜的光吸收，运输和 再复合的数据。这个量可以根据在照射到样品的波长相对较长的单色光测量下的 光电流计算得到。通常，600nm波长的光被选为探测光束，且其值由以下式子得到:r- g)600I ph到:r- g)600I phWqUI (1 -R)(1-exp(-： d)当假设非晶硅中的g=1时，意味着一个吸收的光子产生一个电子空穴对，迁移率产品寿命在600nm是10 ；7cm2V 。亚稳性在含氢的非晶

56、硅中，氢能够很好地和悬挂键结合，饱和悬挂键，降低其缺陷 密度，去除其电学影响，达到钝化非晶硅结构缺陷的目的。 氢的加入还可以改变 非晶硅的能隙宽度，随着非晶硅中氢含量的增加，其能隙宽度从1.5eV开始逐渐 增宽。如在硅烷中掺入5%-15%勺氢气，利用等离子增强化学气相沉积技术制备 的非晶硅，其光学带隙为1.7eV，悬挂键缺陷密度为1015-1016c1。但是，氢在非晶硅中也会引起负面作用。 研究指出，含氢非晶硅中能够产生 光致亚稳缺陷。非晶硅在长期光照下，其光电导和暗电导同时下降，然后才保持 稳定，其中暗电导可以下降几个数量级，从而导致非晶硅太阳电池的光电转换效 率降低；然后，经1500C -

57、200C短时间热处理，其性能又可以恢复到原来的状 态，这种效应被称为是Stabler-Wronski效应（S-W效应）。非晶硅薄膜的光致衰减效应没有掺杂的非晶硅薄膜由于其结构缺陷，存在悬挂键、断键、空穴等,导致其 电学性能差而很难做成有用的光电器件。所以，必须对其进行氢掺杂饱和它的部 分悬挂键，降低其缺陷态密度，这样才能增加载流子迁移率，提高载流子扩散长度 延长载流子寿命，使其成为有用的光电器件。然而,氢化非晶硅薄膜经较长时间的 强光照射或电流通过，由于 Si-H键很弱,H很容易失去,形成大量的Si悬挂键, 从而使薄膜的电学性能下降，而且这种H行为还是一种“链式”反应,失去H的悬 挂键又吸引相

58、邻键上的H,使其周围的Si-H键松动,致使相邻的H原子结合为H2, 便于形成H2的气泡。硅悬挂键的产生和缺陷的形成是制约氢化非晶硅薄膜应用 的主要原因，只有正确理解光致衰退效应的机理，才能解决好氢化非晶硅薄膜的 稳定性问题。非晶硅薄膜光致衰减效应的影响因素不同条件制备的非晶硅薄膜的光致衰减效应是不同的，薄膜生长参数和光照条件对光致衰减有着不同的影响。Yang等研究了不同条件下光致衰减的情况， 指出光照强度、光照时的电池温度都影响光致衰减，而且电池在500C以上光照时，还会出现光致衰减的饱和现象。 但是，薄膜内部应力和光致衰减效应的关系 不大。由于非晶硅结构是一种无规网络结构，具有长程无序性，所

59、以对载流子有极 强的散射作用，导致载流子不能被有效地收集。为了提高非晶硅太阳能电池转换 效率和稳定性，一般不采取单晶硅太能电池的p-n结构。这是因为：轻掺杂的非晶 硅费米能级移动较小，如果两边都采取轻掺杂或一边是轻掺杂另一边用重掺杂材 料，则能带弯曲较小，电池开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料 形成p+-n+结，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高,少子寿命低,电池性能会很差。因此，通常在两个重掺杂层中淀积一层未掺杂非晶硅层 （i层）作为有源 集电区,即p-i-n结构。非晶硅太阳能电池光生载流子主要产生于未掺杂的i层,与晶态硅太阳能电池载流子主要由于扩散而移动不同，在非晶硅太阳

60、能电池中，光生载流子由于扩散长度小主要依靠电池内电场作用做漂移运动。当非晶硅电池采取pin结构以后，电池在光照下就可以工作了 ，但因存在光致衰退效应，电池性 能不稳定，电池转换效率随光照时间逐渐衰退，所以电池的结构与工艺还要进一 步优化。影响非晶硅电池转换效率和稳定性的主要因素有：透明导电膜、窗口层性质（包括窗口层光学带隙宽度、窗口层导电率及掺杂浓度、窗口层激活能、窗 口层的光透过率）、各层之间界面状态（界面缺陷态密度）及能隙匹配、各层厚度 （尤其i层厚度）以及太阳能电池结构等。非晶硅薄膜电池的结构一般采取叠层式 或进行集成或构造异质结等形式。非晶硅薄膜光致衰减效应的减少和消除在非晶硅薄膜太阳