发展新一代薄膜太阳能电池先进技术和产业化3课件

发展新一代先进技术薄膜太阳能光电池

产业的综合分析及产业化Dr.XinMa2008科技奥运委员奥运安保顾问2012伦敦奥运顾问北京市市政府顾问中国科学技术协会第七次全国代表大会代表国家标准委会委员,国家发改委欧洲货币基金组织2008新能源论坛光伏论坛主席,2008年中国科博会新能源主题报告人中国国家安全论坛CNSF大会报告人（综合安全，能源安全）中国人民解放军军事统筹学会科技委委员北京青联委员科协委员我作为中国科协七大全国代表，见证了七大上胡主席,温总理非常重视新能源的情形.七大代表中有不少人是在毛主席周总理带领下制定国家一五规划的专家科学家，“一五”规划出了两弹一星，保证了中国37年和平稳定发展.新的一代领导人的治国思路是建设创新型国家，尤其重视以太阳能为代表的新能源，更重视中国对新能源核心技术的掌握和太阳能电池板的规模化生产。这将实现国家领导和国家发改委提出的中国成为世界最大能源输出国的伟大理想和目标。作为2008年国家发改委和欧洲货币基金组织世界新能源大会光伏论坛主席，我和与会的其他新能源分论坛有过深入交流，风能不稳定，生物质能原料不足等难以大规模推广。先进市可以在全国首先树立集中发展非晶硅薄膜电池产业，作为正在兴起的第二波太阳能光电池的产业化浪潮代表，低能耗，低成本，完全绿色生产，这也是先进工业可以率先超越江苏等省金融危机下陷入颓势的多晶硅高能耗高污染产业的机遇。措施是建立市政府支持，企业为主的产学研相结合研究中心、装备制造和大批量生产。以行者集团SinoSolar等为代表的掌握核心装备制造和工艺技术的企业在第一轮光伏浪潮多晶硅投资1000亿元的指标型多个大省迅速取代多晶硅，成为拉动内需的骨干项目。太阳光辐射是地球上光和热的主要源泉。太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变，4个氢原子聚变成1个氦原子。对于“质子－质子”循环核聚变，反应过程的质量亏损∆m＝4mH－mHe，按照爱因斯坦质能关系∆E=∆mC2(C为光速)计算，相当于25MeV的能量。在太阳核心，每秒大约有700亿吨氢聚变成氦，其质量亏损分数约为0.7％，每秒释放的能量大约相当于3.9×1026焦耳，主要以γ射线的形式放出。经过对流、辐射和吸收、再发射等复杂而漫长的（以百万年计）能量传递过程，这一能量到达太阳表面，维持太阳表面光球温度约为5758K。太阳从诞生至今大约已经过了46亿年，估计太阳寿命至少还有50亿年。所以，太阳光辐射，对于现今人类社会活动而言，实际上是无穷无尽的薄膜太阳能电池是爱因斯坦光电效应的原理由光子直接和电子交换能量，电子能级跳跃，通过薄膜材料的结构，产生光电压光电流，能量转化效率目前已经可达到63%；而且没有任何热和污染。光电转化中光是广义的，可见光，红外光，激光甚至核射线都可以通过光电池特别是薄膜光电池发电，比如行者的专利技术”稳定的B伏长寿命核电池”就是15年以上不用充电不用阳光能稳定发电的电池。来自量子电子学理论的核能—光子—电子能量转换的效率是化学燃烧所不能比的。煤和石油都来自太阳能，是不可再生化石能源，传统煤电是化学燃烧温度升高电子运动速度加快，金属锅炉电子和水分子电子交换能量带动水蒸汽升温推动汽轮机发电，这个过程能量转化率不足1%，而且产生没用的热量和污染排放；科学分类：两类（外延和非单晶）薄膜电池技术薄膜电池并不仅是非晶硅薄膜电池，科研规划必须有广阔的视野才能保证长久发展晶体衬底上外延生长单晶薄膜：有序度更高，完整性更好，迁移率高，少子寿命长，光谱尖锐。晶体衬底上外延生长单晶薄膜.应用举例:高密度、高速度光电子器件和微电子器件;高效III-V族三结叠层太阳电池（40.7%）;低阻Si衬底外延薄膜太阳电池（15%）;;理提纯Si衬底外延薄膜太阳电池;介质衬底上淀积的非单晶薄膜大面积薄膜材料，一般是在低温下沉积在廉价的异质衬底上的，如玻璃、不锈钢带、塑料薄膜等都是常用的薄膜电池衬底材料，从而成本低。这样制备的薄膜材料具有多晶、微晶或非晶态结构,大面积薄膜太阳电池,由于对光电转换的速度没有高的要求，器件结构又相对简单，薄膜材料可以胜任。

硅基薄膜太阳电池的极限效率对于非聚光和全聚光6000K黑体辐射条件而言，电池极限效率分别约为31.0％和40.7%；对于AM1.5G光谱而言，电池极限效率在1.13eV

和1.35eV处存在两个十分相近的峰值，大约为32.8%。在具有Lambertian理想织构表面下，俄歇复合限制的晶硅电池极限效率与厚度有关。80微米时效率极大值29%；对于硅基薄膜电池，厚度2微米时~26%；

目前全世界应用和研究最多的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓（GaAs）以及非晶硅（α-Si）薄膜、碲化镉（

CdTe）、铜铟硒（

CuInSe2，或缩写为

CIS）等薄膜材料等。砷化镓电池成本高，用于面积小的特种场合，原材料有毒。CdTe是剧毒制癌材料，生产和环保问题严重。镉处理技术最近有突破，将来。南非。多晶硅/单晶硅：是最老的技术之一，二战后即出现，最近30年提高很慢，发展潜力很小，现在随着欧元贬值投资多晶硅生产的各省已经陷入颓势，国际上投资重心已经转移到本技术的高效非晶硅薄膜电池上来。铜铟镓硒：技术尚在实验阶段、原料稀缺、因用重金属做原料而严重污染环境，

30年前即已发明，始终没能产业化，有3个致命缺点：1）所用铟材料，是地球上最短缺的材料之一，若从小批量试验到大批量生产材料根本难以供应，现在仅仅是小规模1MW级的小试验线已经带来材料价格飞涨）；2）所用材料中，硒也是剧毒材料，生产过程始终有严重环保和排放问题，最早从事CIGS研究的德国西门子公司失败后把全部业务卖给更大的壳牌Shell公司，壳牌公司Shell也不能解决问题，最终关闭了在美国加州的CIGS生产线。3）成本问题，CIGS的电池需要的工作温度在600度以上，能耗高，设备本身成本高，在真空系统中，能耗测算有一个简单公司，工作绝对温度之比的5次方，此CIGS的制造工作绝对温度为（600+273=873K）;而不到200度制造工作温度的更有希望的非晶硅+微晶硅薄膜电池工作绝对温度为

200+273=473K：所以CIGS的能耗比非晶硅+微晶硅薄膜电池能耗比相差几十倍以上。CIGS系统实际成本是非常高的。实验室效率和大面积组件效率难点，近期发展硅基薄膜太阳电池的关键技术和装备，下面发展的技术路线

太阳能电池做大面积保持均匀性和效率比实验室的小面积产品是很大的难点。高效非晶硅电池的技术路线是用高纯度99.999%以上硅烷、磷烷、硼烷等电子特气在超大真空室（2.5立方米以上）超高真空（10-7torr以上）高温（200多度以上）作超大面积（8000平方厘米以上）高均匀度高度可控等离子放电沉积，是当今前沿学科等离子体和半导体材料物理的交叉学科，是各个国家巨额投入的战略性技术，难度巨大，如1970年东方红卫星上中科院就做出了太阳能电池，但是面积很小，需要数以10年计的积累中科院仍未能突破产业化技术；我们现已实现了上述突破作出了拥有全部自主知识产权的装备和电池板生产。从2006年完成全套图纸攻关和三百项专利申请后，仍花费了2年时间，可见从图纸到实现的技术难度之大。实验室小面积三结叠层a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si电池稳定效率已达到13%；我们已经科研攻关成功完全掌握的产业化工艺而大面积商品a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si电池组件稳定效率7-9%生产线设备的改进;掺杂层隔离;针孔密度的降低;衬底清洗;避免聚合物黄粉产生工艺条件;趋肤效应、干涉驻波效应等经过这些年的努力，发展了一种新的高气压VHF－PECVD沉积模式，即用甚高频激励等离子体，在高气压、高功率密度、喷淋气流和小电极间距下沉积微晶硅膜。在这种模式下沉积，不仅提高了微晶硅膜生长速率，而且提高了微晶硅膜的致密度和质量。源气体硅烷或乙硅烷也得到充分的分解和利用，几近耗尽模式。据报道，器件质量微晶硅膜的生长速率可达到30埃/秒以上；

关于以薄膜为代表的非晶硅电池的发电成本（发改委2007数据，广东，阳光一类地区）根据世界自然基金会报告，和国内国家最大电力公司共同研究结果：达到集约化生产的非晶硅和纳米硅太阳能发电发发电成本可带到7分钱人民币/度，即1个美分，低于火电的最低成本2美分，甚至核电的1.2个美分。成本

（kw）投资折旧年折旧运营费年发电（h）年发电量（kwh）发电成本（元/kwh）减排成本发电成本火2000600060000.2300.23水电16000203000.0100550055000.060.083373-0.02核电115400207700.0400750075000.140.0833730.06风电16000203000.0100150015000.210.0833730.13行者太阳

(5$/wp50.0010326032600.300.0833730.21集约化生产(2GW)发电成本下降:集约化生产时：总成本下降为0.9457/2.26=0.42;既原来的42%；规模化电站本公司的新一代非晶硅光电池的成本：每kwH成本：=2.26万元x0.42/5.2955万度=0.17元/度;减排效益：利用太阳能发电，每发1万度相当于代替4吨煤，减少4顿煤的4项大的污染（二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和烟尘）排放；减排效益：使得成本进一步下降为：2.26-0.44=1.82万元，下降为原来的约80%，使得成本进一步降低为：0.17元/度x0.80=0.13元/度；可配合聚光镜在高温下工，成本下降50%到0.07元/度。编号项目晶体硅电池比例%薄膜万元比例1前期费用0.2550.25

2太阳能电池3.5700.76

3并网逆变器0.480.4

4变压器、配电0.360.3

5设备,运输0.240.2

6安装调试0.240.2

7税金及其他0.1530.15

8合计51002.26

项目(按年产十兆瓦计算,10MW/yr)比例（中国）同比下降直接材料(Directmaterials)0.514045间接材料(Indirectmaterials)0.099251电力(Utilities)0.053371维修,其它材料(Replacementparts,etc.)0.04588

材料总计(理想值),Totalmaterials0.7125470.498783废品率14%(Yieldloss)所至消耗0.1161050.005805实际生产材料和消耗总成本0.828652直接劳动成本(Directlaborwithbenefits)0.054213间接劳动成本(Indirectlabor)0.014232人工成本总和

(Totallabor)0.068446其它(场地,保险等)(Othercosts)0.030712人工及其它成本总计(Laborplusothers)0.0992510.029775生产设备分期清偿债务(10years,10%)0.0720970.036049所有成本总和

(Totalcost,allinclusive)10.570412附：已经可以实现的生产成本明细非晶硅光电模板制造成本分析(每一瓦的人民币成本,元/瓦)

未封装光伏片成本(￥)1,2$密封成本(￥)间接成本(￥)$已镀氧化锡玻璃0.1012玻璃$0.0199液化氮$0.0000(SnO2coatedglass)

铝箔$0.0020去离子水$0.0011硅烷0.0078聚乙烯胶带$0.0007喷砂金属$0.0003硼化物0.0262醋酸乙烯酯$0.0596溶剂/清洗剂$0.0011亚瞵0.0003Sylgard$0.0166真空泵油$0.0004氢气0.0003铝托架$0.0046乙烯手套$0.0009氩气0.0004二级管$0.0013其它原料$0.0061甲烷0.0005导线$0.0028电力$0.0075铝0.0100商标$0.0002生