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2009-2011年太阳能电池技术及产业化趋势分析

字体大小: - - yaqian   发表于 10-05-10 14:14     阅读(2049)   评论(0)     分类:薄膜太阳能导体浆料
目前已产业化的薄膜光伏电池材料有三种:非晶硅 (a-Si)、铜铟硒(CIS, CIGS) 和碲化镉(CdTe),其中,非晶硅薄膜电池生产比重最大。2007年,占全球总产量的5.2%。

     太阳电池发展历史可以追溯到1839年,当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应(Photovoltaic effect)。直到1883年,第一个硒制太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来。在1930年代,硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上,例如光度计及照相机的曝光针上。

  而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者Russell Ohl开发出来。接着在1954年,科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到6%左右。随后,太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后,人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974年,Haynos等人,利用硅的非等方性(anisotropic)的蚀刻(etching)特性,慢慢的将太阳电池表面的硅结晶面,蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失,这使得当时的太阳电池能源转换效率达到17%。

  1976年以后,如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后,电池成本降低使得太阳电池进入民间发电领域,太阳电池开始应用于并网发电。

  太阳电池是光伏发电系统的核心。从产生技术的成熟度来区分,太阳电池可分为以下几个阶段:

  第一代太阳电池:晶体硅电池;

  第二代太阳电池:各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电池(CIGS)、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等;

  第三代太阳电池:各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。

  按电池结构划分,太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。

  按照使用的基本材料不同,太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、燃料敏化电池和有机薄膜电池几种。见下图。

  图 1 按基本材料划分的太阳电池分类

  

  

  资料来源:赛迪顾问

   二、各类太阳电池技术发展和产业化情况

  目前,市场上太阳电池以第一代电池为主,已经实现了规模化生产;第二代太阳电池中发展程度差别较大,非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电池(CIGS)基本已经实现了产业化生产,燃料敏化电池相对落后;第三代电池仍处于研发阶段。下图是各类商业化生产电池在2007年所占太阳电池总量比重。

  图 2 2007年各类太阳电池产量比重(单位:%)

  

  1、 硅基太阳电池

 

  硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到14%~20%(单晶体硅电池16%~20%,多晶体硅14%~16%)。目前产业化太阳电池中,多晶硅和单晶硅太阳电池所占比例近90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领域。

  (1)单晶硅太阳能电池

  硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高(16%~20%),技术也最为成熟。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。

  提高转化效率主要是单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm × 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm ×5cm)转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下。

  (2)多晶硅太阳电池

  多晶硅太阳电池成本低,转化效率较高(14%~16%),生产工艺成熟,占有主要光伏市场,是现在太阳电池的主导产品。多晶硅太阳电池已经成为全球太阳电池占有率最高的主流技术。但多晶硅太阳电池效率低于单晶硅电池。比较单位成本发电效率,两者接近。

  (3)非晶硅太阳电池

  非晶硅的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强(比结晶硅强500倍),所以只要薄薄的一层就可以把光子的能量有效吸收。而且这种非晶硅薄膜生产技术非常成熟,不仅可以节省大量的材料成本,也使得制作大面积太阳电池成为可能。主要缺点是转化率低(5%-7%),而且存在光致衰退(所谓的S-W效应,即光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减,使电池性能不稳定)。因此在太阳能发电市场上没有竞争力,而多用于功率小的小分型电子产品市场。如电子计算器、玩具等。

  在1980年代,非晶硅是唯一商业化的薄膜型太阳电池材料,当年非晶硅太阳电池出现,曾引起大量投入。从1985到1990年初,非晶硅太阳电池的比例曾创下全球太阳电池总量三分之一,但之后却因为稳定性不佳问题未能获得有效改善,使得产量下滑。

  2、 薄膜太阳电池

  依据材料种类不同,薄膜电池可细分为:微晶硅薄膜硅太阳电池(Thin Film Crystalline Silicon Solar Cell,简称c-Si);非晶硅薄膜太阳电池(Thin Film Amorphous Silicon Solar Cell,简称a-Si)、Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池(碲化镉(CdTe)、硒化铟铜)、Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池可以利用多层薄膜结构达到高于30%以上的转换效率外,其他的集中薄膜型太阳电池效率一般多在10%以下。

  目前已产业化的薄膜光伏电池材料有三种:非晶硅 (a-Si)、铜铟硒(CIS, CIGS) 和碲化镉(CdTe),其中,非晶硅薄膜电池生产比重最大。2007年,占全球总产量的5.2%。

  (1) Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池

  典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池为砷化镓(GaAs)电池,转换率达到30%以上,这是因为Ⅲ-Ⅴ族是具有直接能隙的半导体材料,仅仅2um厚度,就可在AM1的辐射条件下吸光97%左右。在单晶硅基板上,以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池,因效率较高,应用在太空。而新一代的GaAS多接面太阳电池,因可吸收光谱范围高,所以转换效率可达到39%以上,是目前转换效率了最高的太阳电池种类。而且性能稳定,寿命也相当长。不过这种电池价格昂贵,平均每瓦价格可高出多晶硅太阳电池数十倍以上,因此不是民用主流。

  因为具有直接能隙及高吸光系数,而且耐反射损伤性佳且对温度变化不敏感,所以适合应用在热光伏特系统(thermophotovolaics TRV)、聚光系统(concentrator system)及太空等三个主要领域。

  从2007年8月开始,砷化镓电池从卫星上的使用转变为聚光的太阳能发电站的规模应用。砷化镓高效聚光电池在国外正在被证明是低成本规模建造太阳能电站的有效途径。

  (2) Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池

  Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳电池包括碲化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜电池。

  碲化镉电池具有直接能隙,能隙值为1.45eV,正好位于理想太阳电池的能隙范围内。此外,具有很高的吸光系数。成为可以获得高效率的理想太阳电池材料之一。此外,可利用多种快速成膜技术制作,由于模组化生产容易,因此近年来商业性表现较佳,CdTe/glass已经用于大面积屋顶材料。但镉污染问题是发展该薄膜电池的一项隐患。不过美国和德国已经推行CdTe太阳电池回收及再生机制,为市场注入正面力量。由于该电池制作过程耗时只有几分钟,易于快速批量生产,因此美国方面相当看好市场前景。认为未来可能超过非晶硅太阳电池占有量。

  铜铟镓硒吸光范围非常广,而且户外环境下稳定性相当好。由于其具有高转换效率和低材料制造成本,因此被视为未来最有发展潜力的薄膜电池种类之一。在转换效率方面,若利用聚光装置的辅助,目前转换效率已经可以达到30%左右,在标准环境测试下最高也达到了19.5%水平,可以和单晶硅太阳电池媲美。除了适合用在大面积的地表用途外,Cu(InGa)Se2太阳电池也具有抗辐射损伤能力,所以也具有应用在太空领域潜力。

  经过30年发展,CIGS电池普及性仍然不高。小规模的量产阶段并未明确看到它被世人期待的成本优势。因此,如何使得太阳电池量产技术成熟化大幅降低制造成本是未来努力的课题。另一个发展方向,是发展比较宽能隙(大于1.5eV)的CIGS技术,而不会造成效率损失。发展可以制造高品质的CIGS薄膜低温制造过程,也是降低制造成本的一个重点。在低材料成本及高模组效率的市场潜力吸引下,近年来,除了Shell Solar,Wrth Solar, Showa Shell,ZSW等持续投入研发外,甚至本田也跟进生产。CIGS太阳电池发展的隐患是In及Ga的蕴藏量有限,在其他半导体及光电产业竞相使用下,可能面临目前硅材料不足的同样问题。同时,制造工艺复杂,投资成本高,因而制约市场成长;CdS具有潜在毒性的缺点,因此限制了市场发展。

  3、 其他电池类型

  聚光电池(Concentrator cells)用菲涅尔镜(FRESNEL)等聚光器将光聚焦到一个小区域,聚光倍数达到1 000倍。 在很小的区域覆上用Ⅲ~Ⅴ族化合物(多结坤化镓)半导体制成的材料。其效率可达到30%,实验室效率达40%。该系统有两个弊端:不能使用分散的阳光,必须用跟踪器将系统调整到与太阳精确相对。

  通过分析可知,随着其他不同材料推广,结晶硅太阳电池的使用比例会略减少,但过去几十年晶体硅技术不断成熟,降低了其生产成本,在未来晶体硅仍会是太阳电池的主流。而薄膜电池,凭借其较低的原料成本优势,也会有很广阔的发展空间。其中,碲化镉电池在现有规模化生产基础上,凭借技术优势,可能会有较大的发展潜力。而近两年,在国外光伏电站建设中已经开始应用的砷化镓高效聚光电池,在成本能持续降低、并网光伏电站大量建设推动下,在市场上有望会有不俗表现。

  三、中国太阳电池产业和市场发展趋势

  中国太阳电池产业是在国外强劲的市场拉动和国内政府推动双重驱动下发展起来的。前几年,德国、美国、日本等发达国家通过开展“屋顶计划”、财政激励等措施,极大推动了全球光伏市场发展,也成就了国内一批明星企业。同时,中国政府通过973、863科技攻关计划,启动了我国在薄膜太阳电池领域研究。研究承担单位包括南开大学、中科院、中山大学、云南师范大学、北京太阳能研究所、四川大学等高校和科研单位。通过这些计划的开展,中国培养了一批太阳电池技术人员,也具备了自主研发能力,成就了一批拥有自主知识产权的光伏企业。

  但总体来看,我国太阳电池自主研发脚步仍要落后于发达国家。不过近年来我国太阳电池产业规模迅速扩张,我国已经成为全球太阳电池第一大生产国,在全球太阳电池产业中发挥着举足轻重的作用。自2004年起,中国光伏产业就呈现井喷式发展,年增速超过100%。2008年,中国太阳能电池产量2000MW,而国内累计装机仅有120MW。但是,国内市场需求与产业发展极端不匹配,我们的光伏产业存在“两头在外”的产业格局。薄膜电池是继晶体硅太阳能电池、原料多晶硅投资之后的又一大投资热点,但薄膜电池生产仍处于起步阶段,国内目前主要集中在硅基薄膜电池领域。2008年,中国薄膜电池产量约235MW,已进入该领域的企业有十几家,这些厂家多数是新进入该领域的厂商,产能还未释放,竞争地位尚未成定论。

  国内太阳电池企业也开始注重技术水平提升。产品线不局限于硅基电池生产,薄膜电池、甚至第三代电池也成为众多企业关注焦点。

  预计未来,中国仍将是全球太阳电池重要生产国,产业发展将和国际步伐保持一致。赛迪顾问预测,到2011年,太阳电池产量将达到6975MW,其中薄膜太阳电池产量占比将超过20%。

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