太阳能电池行业技术比较与分析.doc

太阳能电池行业技术比较与分析1.1 不同类别太阳能电池制造技术现状太阳能光-电转换主要采用太阳能电池来实现。按照大类划分，目前太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两大类。晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，是光伏电池的主流产品，在全球前10大太阳能电池生产商中，有9家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。尽管晶硅太阳能电池技术相对市场占有率有下降趋势，但总体上多晶硅太阳能电池在以年增长率40%-50%的速度发展，未来市场相当可观。预计未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜电池的发展等原因而下降，但主导地位仍不会根本改变。薄膜电池近年来发展较快。和晶体硅电池相比，薄膜电池制作成本、能耗均低于晶体硅电池。同时，薄膜电池透光性好，对于光伏建筑一体化等领域更加实用。无论是对哪种太阳能电池技术的发展，主要都是解决以下几个问题：首先是上游原材料加工成本和能耗；其次是提高光电转换效率；最后是运用到光伏产业中的寿命和维护成本，简单概括就是：高效率、长寿命、高可靠、低成本和零污染。不同类别的太阳能电池技术发展也是围绕这几个目的的。1.1.1 晶体硅电池技术现状晶体硅太阳能电池的发展可划分为三个阶段，每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。1954年贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备工艺日趋完善、硅材料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这一期间电池效率在15%。1972年到1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17%，电池成本大幅度下降。1985年后是电池发展的第三阶段，光伏科学家探索了各种各样的电池新技术、金属化材料和结构来改进电池性能提高其光电转换效率：表面与体钝化技术、Al/P吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。许多新结构新技术的电池在此阶段相继出现，如效率达24.4%钝化发射极和背面点接触（PERL）电池。目前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生产当中来。1.1.1.1 表面织构减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门槛低、产量大；但绒面质量不易控制、不良率高，且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方式。反应离子刻蚀技术（RIE）是最有发展前景的技术，它首先在硅片表面形成一层MASK（掩膜）再显影出表面织构模型，然后再利用反应离子刻蚀方法制备表面织构。用这种方法制备出的减反射绒面非常完美，表面反射率最低可降至0.4，单多晶技术统一，生产工艺与设备都可移植于IC工业，如果生产成本能够进一步降低可望取代化学腐蚀方法而大规模使用。京瓷产业化17.2%17.7%的多晶硅电池就是采用等离子刻蚀工艺的一个成功典范。1.1.1.2 发射区扩散PN结特性决定了太阳能电池的性能。传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。PN结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。为了在提高电池的填充因子的同时避免表面“死层”，选择性扩散发射极电池技术是最有望获得产业化生产的低成本革命性高效电池技术，其技术原理简单且通过现有装备已经在实验室实现，但如何降低制造成本是该技术产业化过程中所面临的主要挑战。目前国内某些大公司对外宣传的超过17.6%以上的高效电池其技术核心均来源于此，相信随着配套装备与辅助材料的及时解决近二年内将会迅速普及与推广。在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前主流生产技术，其特点是产量大、工艺成熟操作简单。随着电池向大尺寸、超薄化方向发展以及低的表面杂质浓度（表面方块电阻80120口、均匀性3%以内），减压扩散技术（LYDOP）优势非常明显，工艺中低的杂质源饱和蒸汽压、提高了杂质的分子自由程，它对156尺寸的硅片每批次产量400片的情况下其扩散均匀性仍优于3%，是高品质扩散的首选与环境友好型的生产方式。链式扩散设备不仅适应Inline自动化生产方式，而且处理硅片尺寸几乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重视，其工艺有喷涂磷酸水溶液扩散与丝网印刷磷浆料扩散二种。在链式扩散技术上，BTU、SCHMID以及中电集团第48所均已有长时间的研究及工业化应用，只要能在扩散质量上获得突破其一定会取代目前管式扩散成为主流生产装备与技术。1.1.1.3 去边技术产业化的周边PN结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升。激光开槽隔离技术根据PN结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步研究。目前行业出现的另外一种技术化学腐蚀去边与背面腐蚀抛光技术集刻蚀与去PSG一体，背面绒面的抛光极大降低了入射光的透射损失、提高电池红光响应。该方法工艺简单、易于实现inline自动化生产，不存在“钻刻”与刻蚀不均匀现象，工艺相对稳定，因此尽管配套设备昂贵但仍引起业内广泛关注。1.1.1.4 表面减反射膜生长技术早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加对入射光的吸收，但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层1020umSiO2使硅片表面非晶化、且对多晶效果不理想。SixNy膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制Ag的扩散速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调节，而且致密的SixNy膜层是有害杂质良好的阻挡层。同时生成的氢原子对硅片具有表面钝化与体钝化的双重作用，可以很好地修复硅中的位错、表面悬挂键，提高了硅片中载流子的迁移率因而迅速成为高效电池生产的主流技术。双层SiN减反射膜，通过控制各膜层中硅的富集率实现了5.5%的反射率；而另一种SiN与SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前广泛采用的单层SiN膜减反射率最优为10.4%。在电池背面生长一层1030nmSiN膜以期最大限度对电池进行钝化与缺陷的修复从而提高电池的效率是目前的一个热点课题，由于该技术牵涉到与后面的丝网印刷技术、电极浆料技术及烧结工艺的配合目前尚处于实验研究阶段，但它肯定是今后的一个发展趋势。匹配封装材料对光谱的折射率定制减反射膜以获得最佳的实际使用效果是光伏企业技术实力的体现。如何减少电磁波对电池表面PN结辐射损伤以及损伤的有效修复是该工艺的核心技术，处理不好往往导致电池效率一致性较差。装备方面有连续式间接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。1.1.1.5 丝网印刷与金属浆料技术丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术向产业化转换的关键。根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料已经成为国际一流光伏企业领先同行的一个有力武器：如掺P的正银浆料实现低成本的选择性发射极技术；向浆料中添加添加剂实现80100um细栅技术；配合超薄片的低翘曲背铝浆料等等。硅片厚度不断减薄、电池面积不断增大，如何降低碎片率与电池片的翘曲度成为设备制造厂商与电池制造企业共同关注的焦点问题。设备方面已经出现能适应120um厚度硅片的全自动印刷设备。1.1.1.6 晶体硅太阳能电池技术中存在的问题工艺方面：尽管晶体硅太阳能电池制造是一个短工艺生产流程，光伏技术与检测手段也有了长足的发展，但太阳能电池工艺还不能处于完全受控的状态。我们无法从电池的不合理电参数来准确判断问题具体所在，对每一工序质量也还没有完全行之有效的检测方法与手段，在线检测技术远落后于工艺技术的发展。设备方面：目前国内外各制造厂商设备缺乏统一接口标准，导致上下道工序之间无法有效衔接，导致较大的时间与资源浪费，物化新工艺的装备滞后于市场的发展。原材料方面：原材料市场特别是硅片质量良莠不齐，许多企业缺乏自律性，导致我国光伏产品质量不稳定，行业缺乏统一权威标准与准入制度。1.1.2薄膜电池技术现状薄膜电池，常常被称作第二代光伏电池，包括了许多不同的技术。不同的薄膜电池主要区别在：（1）光吸收材料；（2）薄膜电池组件的基板是刚性还是柔性。目前发展的不同薄膜电池技术都有一个共同点，都大幅降低了光吸收材料的用量。薄膜电池使用不到1%的生产硅片电池的原材料，这显著降低了生产成本。薄膜电池的缺点是其转换效率比晶硅电池低很多。目前主流的薄膜电池主要包括：非晶硅电池（a-Si）、CdTe 电池和CIS/CIGS 电池。薄膜电池行业处于发展初期，但未来市场空间巨大，在BIPV等应用需求推动下将迅猛发展。此外，随着技术的快速发展，薄膜太阳能电池成本快速下降，有望先于晶体硅电池实现平价上网。下面将分别讨论三种不同薄膜太阳能电池的技术现状。1.1.2.1 非晶硅电池非晶硅电池是目前发展的主流的薄膜电池技术。非晶硅材料的原子排列无序，没有形成晶体结构，包含大量的结构性和连接缺点。由于其结构不均一，晶带宽度为1.11.7eV，因此非晶硅在光谱的可见区，比晶体硅有更高的光学吸收系数，可以有更薄的结构，甚至可以低于1微米。电池元件中非晶硅层的生长一般通过PECVD实现。该技术允许大面积的生长（最高达1平方米或更多）。非晶硅也可以在低温75摄氏度状态下生长，这样就允许在玻璃甚至不锈钢以及塑料等聚合体上生长而不损坏基板。使用柔性基板就可以实现电池组件与各种建筑结构结合起来。但是，PECVD 设备非常昂贵，初期的资本投入就比晶体硅高很多。像其他薄膜电池一样，非晶硅电池的核心优势就是仅需要很薄一层非晶硅，降低了原材料的用量进而降低了生产成本。低原材料消耗结合相对较低能源消耗意味着非晶硅电池的能源回收期较短。EPBT 基本在1-1.5年之间，接近晶硅电池的一半。非晶硅电池的主要缺点是其转换效率比晶硅电池要低且存在光衰退现象。商业生产的非晶硅电池转换效率为6-8%。非晶硅电池的制造商包括美国的United Solar，德国的Shott Solar 和Ersol Solar，目前国内大部分介入薄膜电池的公司基本都以非晶硅薄膜电池为主。1.1.2.2 碲化镉薄膜电池CdTe被认为是太阳能薄膜电池最有前途的光电材料，有着最适宜的1.5eV的能带隙，很高的吸收效率。实验室中碲化镉薄膜电池可以实现16%的转换效率，商业规模生产的电池组件转换效率超过10%已经获得验证。相比其他薄膜电池，碲化镉薄膜电池拥有以下优点：（1）CdTe容易在基板上生长，更适合大规模生产。高度自动化生产工艺已经成功使用。（2）CdTe电池与传统半导体相比不易受电池温度上升的影响，在高温下CdTe 薄膜电池能够获得相对多的电能。在阴天、拂晓或者傍晚，半导体材料在转化散射光成电能上也比常规电池效率要高。（3）CdTe薄膜电池拥有几乎吸收所有可见光的能带隙。能带隙能量几乎达到了单结电池的最优值，同时产生高电流密度和高电压。CdTe作为光伏电池的材料，它的主要缺陷是重金属镉属于积性毒物，因而CdTe有毒。在运行时，这些电池组件不会产生污染物。但是，使用CdTe技术还是有环境危害和安全隐患，比如在着火或循环利用的情况下，重金属镉就会释放到大气层。目前，First Solar是CdTe薄膜电池市场的主导者，其生产成本已经达到1美元/瓦以下，在德国等光照时间较短的国家和地区有着广泛的市场。1.1.2.3 CIS/CIGS薄膜电池CIS（CuInSe2）有很高的吸收率，在材料的第一微米可以吸收99%的可见光，所以是很有效的光伏材料。增加少量的镓可以增加它的光吸收能带，使它更贴近太阳光谱，改善光伏电池的电压和效率。CIGS电池在实验室已经达到19%的转换率，远高于其他薄膜电池。CIGS也能通过环保和废品处理要求。CIGS的转换效率非常稳定，性能长时间不减退。地球表层铟的储量跟银差不多，因为较为稀缺，铟的价格波动较大。接近70%的铟都用在平板显示器行业。所以，如果CIS电池的产量上升，争夺铟材料令人担忧。当然，用量也不是很大，生产2GW的CIS电池用到2004年铟产量的10%。另外，铟也可以通过退役电池组件的循环利用来获得。在稳定性上，CIS/CIGS不会出现光致衰退现象，通常在运行的第一小时转换效率略有上升，接着就显著稳定。但是，在炎热潮湿的环境下，他们的稳定性存在问题。CIS和CIGS电池的生产商包括Global Solar，Wurth Solar，国内目前孚日股份在建CIS 薄膜电池生产线。1.1.3 新型聚光太阳能电池技术现状一般所说的聚光多结太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池。其核心是采用化合物半导体电池，这些电池在锗衬底上单片集成了GaInP和GaAs薄层，每层吸收光谱中的不同部分。三结电池轻而易举地保持太阳能转换效率的最高纪录42.8%，目前研究较多的III-V族材料体系，就是上述InGaP/GaAs/Ge 三结电池。II-VI族材料目前还处于研究阶段。1.2 太阳能电池技术未来发展趋势1.2.1 太阳能电池技术发展趋势太阳能电池技术未来发展的主要目标仍然是围绕着提高产品的转换效率、降低生产成本和能耗、延长产品的使用寿命这几个方面。具体来看包括：1、继续开发新型环保电池材料。重点包括：纳米晶硅太阳能电池、新型半导体薄膜太阳能电池及有机太阳能电池。2、开发新型晶硅提纯工艺，增加多晶硅提纯效率，降低原材料生产成本3、提高非晶硅太阳能电池的使用寿命。4、提高薄膜太阳能电池的转换效率，并降低生产工艺中的原材料比例。5、完善电池生产工艺的稳定性。1.2.2 太阳能电池制作设备发展趋势太阳能电池制造设备的发展目的是为了提高电池的最终产品质量、光电转换效率及整线生产效率，同时降低生产成本，因此，未来设备的技术发展将始终围绕着以下几方面进行：1、提高单机自动化水平、增加批次装片量、提高单机生产效率。2、设备间机械手自动传送、在线检测、提高整线生产效率，减少人工干预，降低碎片率。3、将更先进的工艺技术物化于设备，进一步提高太阳能电池的光电转换效率、降低每瓦成本。4、进一步发展适合大尺寸（从最初的适用于103mm103mm、125mm125mm方硅片发展到目前主流的156mm156mm方硅片，及未来得210mm210mm方硅片等）、薄硅片的工艺技术设备（300m270m240m210m180m150m等，目前主流硅片厚度为150m180m），以节约硅材料降低成本。