薄膜太陽能電池及制造工藝PPT優(yōu)秀課件

1、薄膜太陽能電池及制造工藝,地球天然資源有限，物以稀為貴，原油價(jià)格將持續(xù)飚漲,世界和中國主要常規(guī)能源儲(chǔ)量預(yù)測,I.太陽能電池技術(shù)及光伏產(chǎn)業(yè)背景知識(shí),全球能源短缺，而且分布不均勻，尤其是發(fā)展中國家能源匱乏。,NASA拍攝的地球夜晚衛(wèi)星圖片,1928年與2004年阿根廷的冰川消退對照,溫室效應(yīng)使地球平均氣溫持續(xù)升高,京都議定書的實(shí)施，世界各國降低溫室氣體排放，實(shí)行減碳措施，重視地球環(huán)保，開發(fā)潔凈新能源刻不容緩。,2006年中國一次能源消費(fèi)構(gòu)成,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理煤炭比例過高,中國未來電力發(fā)展的預(yù)測（中國電力科學(xué)院）,電力缺口逐年增加,人類未來50年面臨的十大問題，以“能源”問題為首。,我們可以怎樣解

2、決能源危機(jī)？,1. 增加及改善能源 (煤、石油、天然氣)的生產(chǎn),2. 節(jié)約及保護(hù)能源,3. 利用其它能源(可再生能源),缺點(diǎn)： 有限資源；價(jià)格昂貴；環(huán)境破壞。,非再生能源(Non-renewable energy),A. 煤,B. 石油,C. 天然氣,節(jié)約及保護(hù)能源,把不需要的電器用品關(guān)掉。 減少在夏季使用冷氣的機(jī)會(huì)。 盡量使用公共交通工具。 使用節(jié)省能源的汽車或機(jī)器。,尋找新型清潔能源是解決問題的唯一途徑,可再生能源 不斷補(bǔ)充（Constantly replenishing） 用之不竭（Inexhaustible） 分類 太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮?、水利發(fā)電、氫能、 海洋能,使用其它能源(

3、再生動(dòng)力資源),水力發(fā)電 (H.E.P) 風(fēng)力發(fā)電 (Wind Power),地?zé)崮馨l(fā)電 太陽能發(fā)電,潮汐發(fā)電,可再生能源的優(yōu)點(diǎn),環(huán)保（Environmental benefits） 可持續(xù)（Sustainability） 能源安全（Energy security）,太陽給地球1.5天提供的能量相當(dāng)于全球可 供開采石油的總量（3萬億桶）。 太陽給地球1小時(shí)的能量可供全球人類使用 一年。 太陽提供給地球1秒鐘的能量，相當(dāng)于2008 年汶川8.0級地震所釋放的能量。,1、數(shù)量巨大：太陽能夠給地球提供驚人的能量。,太陽能的優(yōu)點(diǎn)：,太陽能：唯一的兆兆瓦量級再生能源！,地球上幾乎所有地方都能使用太陽能。

4、,世界能源發(fā)展趨勢,2、時(shí)間長久： 太陽能發(fā)電在全球未來能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要的地位。,太陽能：取之不盡，用之不竭！,3、普照大地,太陽輻射能“送貨上門”，既不需要開采和挖掘，也不需要運(yùn)輸。普天之下，無論大陸或海洋，無論高山或島嶼，都一視同仁“。既無”專利“可言，也不可能進(jìn)行壟斷，開發(fā)和利用都極為方便。,世界太陽能資源地圖,陽光對地球各個(gè)地區(qū)的供應(yīng)比其他資源的供應(yīng)公平得多。,4、清潔安全,對防止地球溫暖化，減輕對地球環(huán)境的貢獻(xiàn)從太陽能發(fā)電系統(tǒng)排放的二氧化碳，即使是考慮其生產(chǎn)過程的排放量，也絕對少于傳統(tǒng)的燃料發(fā)電設(shè)備，是防止地球溫暖化的環(huán)保設(shè)備。同時(shí)在發(fā)電時(shí)，不排放氧化硫，氧化氮等污染物, 減輕了

5、對環(huán)境的壓力。,太陽能素有“干凈能源”和“安全能源”之稱。它不僅毫無污染，遠(yuǎn)比常規(guī)能源清潔；也毫無危險(xiǎn)，遠(yuǎn)比原子核能安全。,例:3W太陽能發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染物的削減量,石油替代量:729L/年,減排放CO2能力:540kg-C/年,森林面積換算:5544m2,對能源和節(jié)能的貢獻(xiàn),太陽能電池2.2年的發(fā)電量即可收回制造太陽能電池時(shí)使用的電力,三分之二的國土面積年日照小時(shí)數(shù)在2200小時(shí)以上 年太陽輻射總量大于每平方米5000兆焦。,中國太陽能資源分布情況,中國有12%國土面積為沙漠或戈壁灘，這些地區(qū)年日照小時(shí)數(shù)在3200小時(shí)以上，如果在這些地區(qū)全部安裝太陽能電池發(fā)電，其電力足于供給全球使用。其發(fā)

6、展?jié)摿h(yuǎn)遠(yuǎn)沒有挖掘出來。,中國沙漠戈壁分布情況,太陽能的利用,太陽能的利用可以分為兩種：即光-熱轉(zhuǎn)化利用和光-電轉(zhuǎn)化利用。,太陽能集熱器 太陽能熱水系統(tǒng) 暖房,太陽能熱水器,太陽能灶,太陽能電池原理 太陽能電池（英文為Solar Cell）是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照射，瞬間就可輸出電流。在物理學(xué)上稱為光伏（Photovoltaic）。 簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收一定波長的太陽光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。,太陽能電池技術(shù)發(fā)展：,第一代太陽能電池：結(jié)晶硅類，單晶硅、多晶硅太陽能電池。 第二代太陽能電池：薄膜太陽能電池，如硅基薄膜電池

7、，CIGS 薄膜等。 第三代太陽能電池：量子點(diǎn)型新概念，新結(jié)構(gòu)的電池，如染料 敏化電池，有機(jī)薄膜電池，納米結(jié)構(gòu)電池 等。 第四代太陽能電池：熱電子型。,太陽能電池轉(zhuǎn)換效率世界記錄,高效太陽電池榜,三種主要光伏發(fā)電技術(shù)比較,太陽能光伏術(shù)語：,光伏 (Photovoltaic, PV)光能到電能的直接轉(zhuǎn)換 太陽能電池（Solar cells） 太陽能電池模組（Solar modules） 太陽能電池板（Solar panels） 建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV） 非晶硅（amorphous Silicon, a-Si ） 多晶硅（pol

8、ycrystalline silicon, p-Si） 單晶硅（crystalline silicon, c-Si） 銅銦鎵硒（Copper Indium Gallium Diselenide, CIGS）,電池,模組,陣列,TUV：德國萊茵技術(shù)監(jiān)護(hù)顧問公司的簡稱，它的總部位于德國，是專門測試電子產(chǎn)品安全的研究機(jī)構(gòu)，TUV的測試依據(jù)是按照IEC與VDE所訂的安規(guī)測試規(guī)范條例測試，因其產(chǎn)品必須先取得TUV的安全認(rèn)證后，才能在歐洲市場上銷售。 UL是英文保險(xiǎn)商試驗(yàn)所（ Underwriter Laboratories Inc. ）的簡寫。 UL安全試驗(yàn)所是美國最有權(quán)威的，也是界上從事安全試驗(yàn)和鑒定

9、的較大的民間機(jī)構(gòu)。它是一個(gè)獨(dú)立的、非營利的、為公共安全做試驗(yàn)的專業(yè)機(jī)構(gòu)。在美國，對消費(fèi)者來說UL就是安全標(biāo)志的象征。全球， UL是制造廠商最值得信賴的合格評估提供者之一。,“CE”標(biāo)志是一種安全認(rèn)證標(biāo)志，被視為制造商打開并進(jìn)入歐洲市場的護(hù)照。CE代表歐洲統(tǒng)一（CONFORMITE EUROPEENNE）。凡是貼有“CE”標(biāo)志的產(chǎn)品就可在歐盟各成員國內(nèi)銷售，無須符合每個(gè)成員國的要求，從而實(shí)現(xiàn)了商品在歐盟成員國范圍內(nèi)的自由流通。在歐盟市場“CE”標(biāo)志屬強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)志，不論是歐盟內(nèi)部企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是其他國家生產(chǎn)的產(chǎn)品，要想在歐盟市場上自由流通，就必須加貼“CE”標(biāo)志，以表明產(chǎn)品符合歐盟技術(shù)協(xié)調(diào)與

10、標(biāo)準(zhǔn)化新方法指令的基本要求。這是歐盟法律對產(chǎn)品提出的一種強(qiáng)制性要求。必須由總部位于歐盟成員國的認(rèn)證機(jī)構(gòu)才可以簽發(fā)證書。自80年代末以來，已有一批外資認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)駐中國。,部件名稱: 太陽能電池：吸收太陽能, 將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能； 控制器：控制蓄電池的充放電深度, 延長蓄電池使用壽命； 蓄電池：儲(chǔ)存太陽能電池板產(chǎn)生的電能, 必要時(shí), 向負(fù)荷提供直流電力； 逆變器：將直流輸入電力轉(zhuǎn)換成交流電力輸出。,系統(tǒng)簡介,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）、薄膜電池制造產(chǎn)業(yè)鏈分析,在金融危機(jī)之前，高昂的多晶硅價(jià)格制約了光

15、伏產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展，在這種情況下，不少人對低價(jià)的薄膜太陽能電池寄予厚望，認(rèn)為它將是晶體硅電池最大的競爭對手。但是這場危機(jī)沖擊得海外市場嚴(yán)重萎縮，導(dǎo)致多晶硅價(jià)格暴跌，因此業(yè)內(nèi)又有了“薄膜電池優(yōu)勢不在”的論斷。“這些年薄膜電池在太陽能電池領(lǐng)域中一直處于一種非主流位置，主要原因就是效率不高。在發(fā)現(xiàn)衰減效應(yīng)后，當(dāng)時(shí)的非晶硅太陽能薄膜電池變成了一種弱光電池，用于手機(jī)、表、計(jì)算器等小物品上。我國引進(jìn)了該技術(shù)后發(fā)展迅速，擠垮了很多國外企業(yè)，現(xiàn)在世界絕大多數(shù)的太陽能薄膜弱光電池都在中國生產(chǎn)?！?薄膜和晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域有差異，晶體硅的轉(zhuǎn)換效率高，使用面積小，用在屋頂非常有優(yōu)勢。但從客戶角度看，他們最關(guān)心的還是系統(tǒng)

16、電價(jià)，例如建大規(guī)模電站的話，薄膜電池就更有優(yōu)勢，因?yàn)槊娣e大，系統(tǒng)電價(jià)就低。此外，做光電建筑一體化的話，薄膜電池也更有優(yōu)勢。” “不能以轉(zhuǎn)換率論英雄，價(jià)格才是核心。,在光伏業(yè)內(nèi)，關(guān)于硅基太陽電池與薄膜電池的博弈一直沒有停止過，但是我們看到的事實(shí)卻是：在技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)和能力突飛猛進(jìn)的21世紀(jì)，低價(jià)且有極大工藝改良性的產(chǎn)品永遠(yuǎn)能吸引投資者的目光。所以，在光伏建筑一體化愈演愈烈的今天，在“中國百萬屋頂”、“金太陽工程”政策指引下，薄膜電池將在這一領(lǐng)域擁有絕對的優(yōu)勢。,薄膜電池大規(guī)模商用的前提是提高光電轉(zhuǎn)換效率。雖然薄膜電池的技術(shù)在幾十年間有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但截至目前，沒有一家薄膜太陽能電池公司宣布，轉(zhuǎn)

17、換效率超過10%，一般在6%左右，浙江正泰號(hào)稱其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9%，這在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)屬于最高。即便如此也只是硅基電池的一半。不過，由于耗電省、造價(jià)低，成本優(yōu)勢顯現(xiàn)，薄膜電池開始受到青睞。一些多晶硅電池企業(yè)，也開始大手筆地引進(jìn)薄膜電池生產(chǎn)線。更多的企業(yè)，直接開始制造薄膜電池，如河北保定的天威英利投資12億元，從國外引進(jìn)了46.5兆瓦的薄膜電池生產(chǎn)線，在今年8月28日已經(jīng)開始量產(chǎn)?？偛课挥谏虾５膹?qiáng)生光電，也在江蘇南通、蘇州等地開建薄膜電池示范區(qū)。 但是，同國際領(lǐng)先水平相比，我國薄膜電池的研究存在一定的差距。,現(xiàn)在國際上發(fā)展比較成熟的太陽能薄膜電池包括三種，非晶硅太陽能薄膜電池、碲化鎘太陽能電池和銅

18、銦鎵硒(CIGS)太陽能電池，其中應(yīng)用最普遍的是非晶硅太陽能薄膜電池，我國的很多企業(yè)和國外的EPV SOLAR、日本的Kenaka、夏普等都生產(chǎn)此種電池。碲化鎘（CdTe）電池的主要生產(chǎn)企業(yè)是美國的Fisrt solar，由于其中的鎘元素有毒，該企業(yè)承諾回收所有廢棄電池。CIGS電池由于所含元素多使其生產(chǎn)穩(wěn)定性難以把握，重復(fù)性較差使其進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)比較困難。所以盡管BP、殼牌公司等已將其光電轉(zhuǎn)換率大幅提高，但產(chǎn)能擴(kuò)展有限，現(xiàn)在只有少量企業(yè)在進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。,與晶體硅相比，硅基薄膜電池制造產(chǎn)業(yè)鏈短得多，整個(gè)工序在一家公司即可完成。,硅基薄膜電池的生產(chǎn)流程圖,硅基薄膜太陽電池生產(chǎn)線,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(jié)構(gòu),緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO 與CIGS 間之能帶上的連續(xù)(band discontinuity) 。 使用化學(xué)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(jìn)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),化學(xué)浴沉積法,化學(xué)浴沉積法 (Chemical bath deposition) 是一種製備半導(dǎo)體薄膜的技術(shù)，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(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物半導(dǎo)體沉積在基板上。,CIGS太陽能電池元件結(jié)構(gòu),透明導(dǎo)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?fù)诫s氧化鋅(ZnO: Al) 改善其電性，但是會(huì)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(dá)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(jié)構(gòu),蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)層當(dāng)作頂層電極，接負(fù)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