薄膜太阳能电池及制造工艺

1、薄膜太阳能电池及制造工艺,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,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,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,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。,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,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,人类未来50年面临的十大问题，以“能源”问题为首。,我们可以怎样解

2、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),缺点： 有限资源；价格昂贵；环境破坏。,非再生能源(non-renewable energy),a. 煤,b. 石油,c. 天然气,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。,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（constantly replenishing） 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,使用其它能源(

3、再生动力资源),水力发电 (h.e.p) 风力发电 (wind power),地热能发电 太阳能发电,潮汐发电,可再生能源的优点,环保（environmental benefits） 可持续（sustainability） 能源安全（energy security）,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。

4、,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！,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。,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

5、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。,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,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,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,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

6、展潜力远远没有挖掘出来。,中国沙漠戈壁分布情况,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,太阳能电池原理 太阳能电池（英文为solar cell）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。,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

7、，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。,太阳能电池转换效率世界记录,高效太阳电池榜,三种主要光伏发电技术比较,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（solar cells） 太阳能电池模组（solar modules） 太阳能电池板（solar panels） 建筑光伏一体化（building integrated photovoltaics，bipv） 非晶硅（amorphous silicon, a-si ） 多晶硅（pol

8、ycrystalline silicon, p-si） 单晶硅（crystalline silicon, c-si） 铜铟镓硒（copper indium gallium diselenide, cigs）,电池,模组,阵列,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（ underwriter laboratories inc. ）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

9、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。,“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（conformite europeenne）。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

10、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。,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,history - 1975,wafered silicon too expensive,history - 1975,wafered silicon too expensive,what

11、 actually happened,issues today,silicon panels past: accidental technology present: clear technology of choice, continued cost reduction future: crossroads, but not going away thin film efficiencies finally becoming competitive but theres more to the story than just efficiencies best on big, commerc

12、ial roofs with lots of space? concentration no longer just thermal-only but installers dont want moving parts predicated on silicon being expensive,benefits and drawbacks,cost development 2002 - 2010,silicon,wafer,cell,module,reduced wafer thickness over 10 years,20002004200520062007 100125156156156

13、156 / 210 mm length of wafer edge,wafer thickness, produced industrially m main thickness 400 340 330330 300300 270 270270 270270 240240 240 210210210210210 210 180 180,100 200 300 400 wafer thickness m,silicon foil technology development,edge defined film-fed growth,string ribbon,silicon sheet from

14、 powder,ribbon growth on substrate,thin-film deposition of 100 meter plus rolls cell / submodule manufacturing module finishing deployment,process to product,products to market,rugged environment,commercial products,standard solar modules,silicon cell replacement,（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

15、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

16、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。,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。,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

17、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。,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

18、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epv solar、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fisrt solar，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。,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,硅基薄膜太阳电池生产线,sola

19、r cell roll-to-roll process flow(w/ 30mw production tool costs),clean substrate (future process step),sputter back electrode,sputter precursor,selenide precursor (13-inch tool under construction),cds plated junction (13-inch tool under construction),sputter top electrode,passivate defects (future pr

20、ocess step),slit into reels edge cells are monolithically integrated using laser/mechanical scribing.,monolithic integration of tf solar cells can lead to significant manufacturing cost reduction; e.g., fewer processing steps, easier automation, lower consumption of materials.,cigs modules are fabri

21、cated on: (cont.),the number of steps needed to make thin film modules are roughly half of that needed for si modules. this is a significant advantage.,cigs modules process sequence,cigs modules are fabricated on: (cont.),ii.metallic web using roll-to-roll deposition; individual cells are cut from t

22、he web; assembled into modules.,iii.plastic web using roll-to-roll deposition; monolithic integration of cells.,vacuum method- co-evaporation,1. in, ga and se were co evaporated at 400 2. cu and se were codeposited while the substrate temperature was ramped up to 580 . 3.in, ga and se were coevapora

23、ted still at 580 ，the samples were then cooled in se atmosphere down to 250 ,3-stage process,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(band discontinuity) 。 使用化學水浴沉積法(chemical bath deposition，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 / stainless steel / polymer,cigs (1.

24、52m),mo (0.51.5m),cds(0.05m),化学浴沉积法,化學浴沉积法 (chemical bath deposition) 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。,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(rf sp

25、utter)達成鍍膜。,glass / stainless steel / polymer,cigs (1.52m),mo (0.51.5m),cds(0.05m),i-zno(0.05m),tco (zno:al)(0.51.5m),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 / stainless steel / polymer,cigs (1.52m),mo (0.51.5m),cds(0.05m),i-zno(0.05m),tco (zno:al)(0.51.5m),laboratory cigs coating system,payou

26、t and takeup rollers,coating drum,cuga magnetron source indium magnetron source selenium evaporation source,future selenization drum,laboratory metal e.g., change in properties of zno. - thin film barrier to water vapor - new encapsulants and less aggressive application process stability of thin fil

27、m modules are acceptable if the right encapsulation process is used. need for better understanding degradation mechanisms at the prototype module level.,processing improvements:,i.uniform deposition over large area: (a) significant for monolithic integration (b) somewhat relaxed for modules made fro

28、m individual cells ii.process speed and yield: some fabrication approaches have advantage over others iii.controls and diagnostics based on material properties and film growth: benefits throughput and yield, reliability and reproducibility of the process, and higher performance,processing improvemen

29、ts: (cont.),iv. approaches to the thin film cigs deposition (cont.) 2. reaction of precursors in se and/or s (selenization)to form thin film cigs: two stage process - variety of materials delivery approaches: (a) sputtering of the elements (b) electroplating of metals or binaries (c) printing of metal (or binaries) particles on substrate - reaction time to form high quality cigs films is limited by reaction/diffusion - modules on glass are processed in batch mode in order to deal with long reaction time - flexibl