关于我国薄膜太阳能电池研发与产业化问题的探讨-solarbe文库

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网址 www.chinaygny.cnENERGYOBSERVATION DISCOVERY太阳能电池是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能的器件，是太阳能光伏发电系统的核心技术基础组成部件。目前困扰太阳能光伏发电技术发展和广泛应用的主要问题，是提高效率和降低成本两大问题。紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标的各种新型太阳能电池的研究开发工作，一直在各发达国家及一些发展中国家积极进行。其总体发展趋势和目标，是高转换效率、长使用寿命、高稳定性、低成本、低能耗、低污染。所谓新型太阳能电池，是指用新材料、新结构和新工艺制造的太阳能电池。目前晶体硅高效太阳能电池和各类薄膜太阳能电池是全球新型太阳能电池研究开发的两大热点和重点。高效单晶硅太阳能电池实验室的最高光电转换效率已达 24.7，高效多晶硅太阳能电池实验室的最高光电转换效率已达 20.3。薄膜太阳能电池的研发工作主要集中在非晶硅薄膜电池、 cdTe 系薄膜电池、 CIS 系薄膜电池、多晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池等上。非晶硅薄膜电池的研发，重点是研究解决电池的光致衰降和提高效率问题，经过努力已有许多新的突破，实验室的稳定效率已达 12.8。 cdTe系薄膜电池的实验室效率已达 16.9， CIS系薄膜电池的实验室效率已达到 19.9，并且都已建立了效率超过 10的中试规模的生产线。多晶硅薄膜电池的实验室效率已达到 16.6 ，纳米硅电池的实验室效率已达到 10.1 ，染料敏化电池的实验室效率已达到 11.4。目前在我国，高效率、低成本晶体硅新型太阳能电池的研发与产业化受到广泛关注，发展快速，已取得 “ SE” 、“ 冥王星 ” 、“ 熊猫 ” 等高效率、低成本晶体硅太阳能电池研发与产业化的卓有成效的进展；与此同时，各种新型薄膜太阳能电池的研发与产业化，也引起广泛关注，势头强劲，已建、扩建、新建、筹建的项目多、产能大。下面，就我国薄膜太阳能电池的研发与产业化问题讲点一家之言，供研究讨论。一、国外薄膜太阳能电池研发与产业化情况简介进入 21 世纪的十年来，世界薄膜太阳能电池技术的研发和产业化，取得了一系列新成果、新突破，发展快速，不断前进。到2009 年底，全球已有硅基、薄膜、碲化镉（ cdTe）薄膜和硒铟铜（ CIS）薄膜三类薄膜太阳能电池投入工业化生产，进入市场应用。 2008 年全球薄膜太阳能电池产量达到988.8MW（其中硅基电池 403.4MW， cdTe电池 506.2MW， CIS 电池 79.2MW）比 2007年的 445MW 增长 122，占该年世界太阳能电池总产量 7 910MW 的 12.5。预测到2020 年薄膜太阳能电池将会发展到占世界太阳能电池总产量的 20左右。（ 1） cdTe 电池主要生产商为美国第一太阳能和德国的 ANTEC 等。第一太阳能的产品技术特点是采用蒸汽输运法沉积cdTe 薄膜，商品电池的平均效率为 10左右，产品成本为 0.87 美元 /W。该公司 2008年 cdTe 电池产量达到 504MW，占该类电池世界总产量 506.2MW 的 99.57。该公司已在德国和马来西亚分别建设了 100MW 和300MW 产能的生产线。 2009 年 11 月 17日，该公司与我国政府就在内蒙古鄂尔多斯市建设一座 2 000MW 的巨型并网薄膜电池发电站签署了合作框架协议。项目分期完成一期工程为 2010 年 6 月 1 日开工关于我国薄膜太阳能电池研发与产业化问题的探讨北京新能源与可再生能源协会光伏专业委员会主任王长贵38投稿邮箱 bianjibu86 126.comSUN ENERGYOBSERVATION DISCOVERY建设一个 30MW 示范项目；二期、三期和四期工程的规模分别为 100MW、 870MW和 1 000MW；二期和三期工程将在 2014年完成；四期工程将于 2019 年完工。德国ANTEC 的 10MW 全自动化生产线已于2001 年投产，其产品的技术特点是硫化镉和碲化镉薄膜采用近空间升华法沉积。（ 2） CIS 系电池包括 CIS 电池和 CIGS电池，其中 cds/Culnse2 电池组件的实验室效率已达 11， cds/CulnGase2 电池组件的实验室效率已达 19.9，并已建立起效率为 1012的工业化生产线。目前已有德、美、日的五家公司可向市场提供产品，主要代表生产商有德国的务实太阳能、日本的本田和德国的壳牌等。（ 3）硅基薄膜电池主要是指非晶硅（ a- si）电池、微晶硅（ μ c- si）电池和非晶硅/ 微晶硅叠层（ a- si/μ c- si）电池，已在 2008年世界薄膜电池总产量中占到 40.8的份额。目前商品 a- si/μ c- si 电池的最高稳定效率已达 8.5。该电池的主要代表性生产商有美国联合太阳能和克拿卡、日本三菱重工和夏普等。预测到 2020 年工业生产的CIGS和 cdTe 电池效率可分别达到 16和14， a- si/μ c- si 电池效率可达到 10。在上述三类电池中， a- si/μ c- si 电池成本降低的空间最大，主要是设备成本的降低；性能提高的潜力也最大，重要的途径是降低非晶硅材料的带隙，特别是以微晶硅制作叠层双结电池的底电池。另外已进入产业化的两类电池，除在改善稳定性、提高转换效率、降低生产成本、延长使用寿命等方面要积极开展研发工作外，并要重视镉的环境保护问题和铟的资源保障问题。二、关于我国薄膜太阳能电池研发与产业化情况简介我国对新型薄膜太阳能电池技术的研发和产业化高度重视，国家通过 “ 863” 计划、“ 973 计划 ” 、“ 科技支撑计划 ” 、“ 自然科学基金 ” 和 “ 高新技术产业化 ” 等项目，积极支持新型薄膜太阳能电池技术的研发创新和产业化，使科技水平不断提高，与国际先进水平差距逐步缩小，积极有序地发展。在科技创新方面 1. 南开大学建立了CIGS 电池试验平台和中试基地，研制出玻璃衬底小面积效率为 14.3的电池以及效率为 9.2的聚酰亚胺衬底电池和效率为10.6的不锈钢衬底电池；并且突破多项关键技术的瓶颈，贯通了大面积电池中试实验线的全套工艺流程。 2008 年 1 月，成功地研制出了有效面积 804cm2、效率为7的电池组件，实现了由小面积电池实验室技术向大面积电池中试技术的跨跃，为自主知识产权生产线的开发奠定了基础。2.在国家 “ 十五 ” 863 计划的支持下，四川大学研制出了效率为 13.38的小面积 cdTe电池，并通过关键设备的自主研发建立了300kW 规模的电池中试线，生产出的电池组件效率达到 8.25。 3.通过从国外引进生产线和技术、海外华人回国创业、引进技术的国产化和自主研发等多种方式，使我国非晶硅电池技术近年来较快提升并走向产业化生产。单室多片 PECVD 制造非晶硅薄膜电池技术已实现国产化，多室单片型、单室与多室组合型非晶硅电池生产线已引进建成并投入生产，连续卷绕镀膜非晶硅电池生产技术也在调研洽商中。南开大学在 “ 十五 ” 973 计划支持下研发的20cm 20cm 面积非晶硅电池实验室效率达到 9.1， 10cm 10cm 面积的 a- si/μ c- si电池实验室效率达到 11.8。 4.中科院等离子研究所小面积染料敏化电池实验室效率达到 9， 40cm 60cm 面积染料敏化太阳能电池实验室效率达到 5.7。 2003 年其 “ 大面积染料敏化太阳能电池 ” 项目通过中科院高技术研究和发展局组织的专家验收，综合各项关键技术制备的 15cm20cm 面积的电池组件的室内测试效率为5.9。 2004 年 10 月建立了 500W 染料敏化太阳能电池示范系统，进行长期运行试验。 5.其他还有上海交通大学研发制备的渐变带隙低光衰减纳米硅 Pin 薄膜光伏电池，有效面积 75.4mm2 的实验室效率达到11.43，有效面积 121.2mm2 的实验室效率达到 9.82；天津电源研究所研发的砷化镓（ GaAs）电池（ 1cm 1cm）的实验室效率达到 29.25，并有小批量的产品在聚光电池上得到应用；中科院研究生院研发的 HIT电池的实验室效率达到 17.27（ 12cm2）。在产业化方面截至 2008 年底，我国已建成并投产的 14 家薄膜太阳能电池企业的产能约达 125. 9MW ，年产量约为46MW ，比 2007 年 28.3MW 的年产量增长 62.5 ，占当年全国太阳能电池总产量 2 600MW 的 1.77（表 1）。所生产的产品为单结 a- si 电池、双结 a- si/μ c- si 叠层电池。初略统计，目前已开工建设和已开展前期工作宣布建设的薄膜太阳能电池项目将近 40 个，按其规划， 2014 年前全部建成后的产能将高达约 4 000MW，其中双结表 1 2008 年我国薄膜太阳能电池的产能和产量（ MW）序号企业名称已建成的产能当年的产量1 深圳拓日新能源 25 122 上海赛斯新能源 20 63 深圳创益科技 6 54 北京世华创新 15 45 天津津新 2.5 2.56 蚌埠普乐新能源 12 57 黑龙江哈克新能源 1.2 18 深圳庆丰光电科技 1.5 1.59 深圳日月环太阳能 2 210 福建金太阳（均石能源） 12 211 浙江富升太阳能 1.5 112 深圳恒阳光电科技 1.2 113 哈尔滨格瑞太阳能 1 114 南通强生光电 25 2合计 125.9 4639网址 www.chinaygny.cnENERGYOBSERVATION DISCOVERYa- si 叠层电池和 a- si/μ c- si 叠层电池项目最多、产能最大，但也有数个 CIGS 电池、cdTe 电池和染料敏化电池项目。到 2009年底，我国非晶硅薄膜电池的产能上升到约 900MW，年产量达到 150MW，已占光伏电池总产量 4 000MW 的 3.75。三、关于我国薄膜太阳能电池研发与产业化问题的探讨前面对国外薄膜太阳能电池研发及产业化情况和我国薄膜太阳能电池研发与产业化情况作了概述，下面仅就 2020 年前我国薄膜太阳能电池研发与产业化路径、方向与应注意点等问题作一初步探讨。1. 新型薄膜太阳能电池用材少、能耗底、成本低、能量回收期短与环境友好，是大有发展前景的新型太阳能电池，应作为我国太阳能电池技术的发展重点，加强研究，狠抓创新，使其尽快提高光电转换效率、稳定性和使用寿命，进一步改进工艺、提高性能、降低材耗能耗和生产成本，早日走向工业化、规模化生产，力争在 2020 年前后占有太阳能光伏发电应用市场 30左右的份额。2. 我国新型薄膜太阳能电池的研发与产业化水平，与美、德、日等光伏技术先进的发达国家相比，差距较大，应订措施、立项目、增投资、聚人才，在研发创新上狠下功夫，取得更多的自主知识产权，缩小差距，赶上国际先进水平。3. 目前各国正在研发创新的薄膜太阳能电池种类繁多，究竟未来何种会成为有广泛应用前景的电池，众说纷纭，各争高下。我们应在综合考虑、科学分析和从实际出发的基础上选准重点。笔者认为，a- si/μ c- si 叠层电池是可考虑的重点之一，可集中较多的财力、物力和人力加以突破。据了解，国外许多研究机构、著名光伏公司和光伏设备生产商已开始转为对此电池寄予厚望。当然，重点不能只有一个，也不能只抓重点而忽略其他。4. 新型薄膜太阳能电池的研发创新与产业化，需要经历开发电池、微型组件、大面积组件、生产工艺、试生产线、生产线、稳定产品到商品化组件等诸多阶段，一定要认真、科学地一个一个阶段地走，不断克服障碍，一步一个脚印地总结提高，不可马虎，不可期望一蹴而就。5. 生产工艺和生产设备的改进与提高，是搞好新型薄膜太阳能电池研发创新与产业化的关键环节，要切实抓住这个 “ 牛鼻子 ” 。薄膜电池的生产设备比晶体硅电池的生产设备在价格上要高 45倍，是减少生产线建设投资、降低电池生产成本的重要潜力源，应高度重视生产工艺的改进、生产设备的研发创新，尽快改变我国薄膜电池生产设备主要依靠用高价从国外进口的局面，大力提高薄膜电池生产设备的国产化率。6. CIGS 电池和 cdTe 电池是目前效率较高并已进入产业化生产的两种化合物薄膜电池。但这两种电池的主要材料有铟（ In）、镉（ cd）和碲（ Te）三种稀缺元素，应注意其资源保障问题和生态环境保护问题。CIGS 电池铟的用量，以目前效率 10、厚度 3μ m 计，每 MW 电池约需 50kg；如果效率提高到 13、厚度 3μ m，则每 MW 电池需 20kg 左右。目前尚未发现单独的铟矿床，它仅以微量伴生在锌、锡等矿物中，是一种极为稀有的金属。全世界铟的地质储量仅为约 1.6 万吨，为黄金地质储量的 1/6。我国拥有世界上最多的铟储量，有含铟矿区 63 个，资源总量约为 12 132 吨。铟作为贵金属广泛应用于电子、航空、航天、合金制造及光伏电池制造等领域。目前粗铟的价格约为 5 000 元 /kg 左右，精铟的价格高达 10 000 元 /kg。对镉的污染问题应予以十分注意。生产 1MW厚 3μ m、效率为 9.3的cdTe电池组件，需 94kg左右的镉。据报道，早就生产 cdTe 电池的日本松下公司就是因为环境问题的社会压力而由逐年减产一直到把整个生产完全关闭的。舆论认为，即使这种电池生产时 “ 没有污染 ” ，万一使用这种电池组件的光伏电站发生火灾， cdTe电池分解的 cd 流失到环境中，其后果不堪设想。碲（ Te）是一种非金属稀有元素，我国虽然已在四川发现了世界首例成矿的碲铋矿山资源，但其世界地质储量十分有限，应对这一资源格外珍惜和保护。7. 我国目前正在掀起一个规模化生产薄膜太阳能电池生产线建设的热潮。许多老厂正在开工建设新的生产线 , 进一步扩大产能，已建成一期工程并投入试生产的企业正在开工建设二期工程，有的刚进入的公司正在积极建设中，有更新的进入者正在编可研、搞设计，并与外国公司开展引进技术、购置设备的谈判。如果按各项目建设单位宣布的规划，这些项目 2015 年前全部建成后的产能将高达 5 000MW 左右，实在惊人，总投资约达 1 000 多亿元之巨。规模化薄膜太阳能电池生产线的建设项目是技术密集、资金密集并具有一定风险的高新技术建设项目，不但要有积极、大胆、热情的精神，更要有科学、求实、慎重的态度。笔者认为，在进行项目建设决策中应认真考虑如下各点 ① 生产何种电池十分重要，一定要切实选准、选好。所选电池是否技术先进成熟，是否效率高、成本低，进一步提高效率、降低成本的潜力如何，均应弄清、弄实。 ② 搞真、搞实、搞科学产品的市场前景和需要量，国内与国外市场如何，现在与未来市场如何，都是决策上此项目与否、规模多大的重要依据。 ③ 该项目在技术上与谁合作，用谁的工艺技术，用谁的生产设备，先进性如何，成熟度怎样，价格是否合理，进一步改进提高的潜力如何，都需要搞得实实在在，清清楚楚，才能作出正确的决策。 ④ 生产上用的主要原料和配套件的来源在哪里，能否长期保障，价格是否可以接受，也要搞清、搞实，不可马虎。例如，生产a- si 叠层电池用的超白玻璃或透明导电膜的 TCO 玻璃及高纯硅烷等是否有稳定的来源和合理的价格； cdTe 电池和 CIGS 电池的主要原材料铟和碲的供应和价格问题。 ⑤ 拥有技术优良的技术团队和管理现代化的管理团队，是搞好项目建设和项目建成后正常生产运营的重要条件，切勿忽视。 ⑥ 薄膜太阳能电池从总体上来说尚是一个不断发展进步的高新技术产业，在进行产业化生产能力建设时，一定要认真考虑技术进步与创新，一定要预测未来的发展趋势与技术更替。40