太陽(yáng)能光伏發(fā)電材料調(diào)研報(bào)告

1、太陽(yáng)能光伏發(fā)電材料調(diào)研報(bào)告一慨況太陽(yáng)能發(fā)電是指將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。 其中一類(lèi)， 是利用半導(dǎo)體 pn 結(jié)器件 的光伏效應(yīng)，把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能， 稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏發(fā)電。另一類(lèi)，把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成 熱能，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電，稱(chēng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電。太陽(yáng)能發(fā)電的歷史，最早可追塑到 19 世紀(jì)末光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，和其后1905 年愛(ài)因斯坦所做的量子化解釋?！疤?yáng)電池” (Solar Cells) 一詞出現(xiàn)在 50年代初， 1954年美國(guó) 貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一只擴(kuò)散pn 結(jié)單晶硅太陽(yáng)電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6這是繼晶體管發(fā)明之后，晶態(tài)固體理論結(jié)出的又一碩果由于太陽(yáng)能發(fā)電擁有無(wú)污染，安全，長(zhǎng)壽命，維 護(hù)簡(jiǎn)單，

2、資源水不枯竭和資源分布廣等特點(diǎn)， 太陽(yáng)能發(fā)電被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能 源太陽(yáng)屯池的發(fā)明， 為人類(lèi)空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一項(xiàng)重要的能源 從五十年代至今， 太陽(yáng)電池作為空間能源，起著不可替代的作用空間應(yīng)用首先要求電池的高效率 ( 功率重量 比)和可靠性，空間應(yīng)用單晶硅太陽(yáng)電池組件的效率(AMO)已從最初的a %提高到現(xiàn)在的16-18%;近幾年發(fā)展的高效砷化鎵基系(GaInP /GaAs/Ge)疊層電池組件效率(AMO)已達(dá)26-27%。太陽(yáng)電池的地面應(yīng)用， 長(zhǎng)期受到價(jià)格昂貴的制約 它的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段： 起步：從70年代至80年代中期，世界光伏發(fā)電累積裝機(jī)容量只有30MW左右,主要

3、用于無(wú)電網(wǎng)地區(qū)和特殊場(chǎng)合作為獨(dú)立電源系統(tǒng)。 成長(zhǎng)： 80 年代末一 1996年在世界各國(guó)大規(guī)模國(guó)家光伏發(fā)展計(jì)劃的推動(dòng)下，世界光伏工業(yè)平均年增長(zhǎng)率達(dá)到 13%在太陽(yáng)電池效率不斷上升的同時(shí)，隨著制造規(guī)模的擴(kuò)大，成本持續(xù)下降。 大發(fā)展： 1997年以后(2002 年)，受到日、德、美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家屋頂計(jì)劃的刺激，世界光伏工業(yè)的發(fā)展加速，平均年增長(zhǎng)率達(dá)到36%，發(fā)電方式也從離網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展到并網(wǎng)發(fā)電目前世界光伏發(fā)電累積裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)1500MW太陽(yáng)電池商用組刊：效率達(dá)到15-18 %商用發(fā)電成本在 0. 150 25美元仟瓦時(shí)之間，在不少領(lǐng)域和地區(qū)已經(jīng)具有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。2002年世界光伏工業(yè)產(chǎn)量已達(dá)5

4、95 MWp相當(dāng)于5億美元，正在形成規(guī)模宏大的產(chǎn)業(yè)。2002年8月Mr. HarryShimp（BPSolar總裁）宣稱(chēng)：世界最終將走向可再生能源.在20-25年后液態(tài)碳?xì)浠衔锏膬?chǔ)量開(kāi)始下降我們現(xiàn)在正處于這樣的一段時(shí)間窗口，從傳統(tǒng) 能源轉(zhuǎn)變到可再生能源。為了使光伏發(fā)電能夠替代相當(dāng)一部分傳統(tǒng)能源，使能源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變化，成為二十一世紀(jì)最重要的基礎(chǔ)能源之一，還需要光伏工業(yè)和技術(shù)有20-30年持續(xù)的加速發(fā)展.光伏界任重而道遠(yuǎn)然而，只要不斷引入新工藝，進(jìn)行深入的基礎(chǔ)研究，這是可以實(shí)現(xiàn)的日本、歐洲和英國(guó)不同地區(qū)的市場(chǎng)開(kāi)拓計(jì)劃，增加了太陽(yáng)電池的市場(chǎng)需求，光伏將長(zhǎng)期保持高速度增長(zhǎng)，即便有時(shí)由于經(jīng)濟(jì)環(huán)境的

5、影響，暫時(shí)有些波動(dòng)，也不會(huì)改變這一長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì).RoyalDutch / Shell認(rèn)為，未來(lái)兒十年，將迎來(lái)可再生能源的高速增長(zhǎng).圖1給山預(yù)計(jì)90000-fiQOOfr-20 toYn的從2000 2030年日本，歐洲、美國(guó)太陽(yáng)電池裝機(jī)容量的大幅度增長(zhǎng)。 USA Eurofw ODWorW.產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)目前光伏工業(yè)已度過(guò)幼年時(shí)代，而進(jìn)入羽翼串滿(mǎn)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn).這一發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇，也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，并伴隨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，燕井和集中。圖2示出日本、歐洲、美國(guó)和整個(gè)世界光伏產(chǎn)量從 1983年到現(xiàn)在呈指數(shù)式增長(zhǎng)的情況，以及預(yù)計(jì)到2010年的發(fā)展趨勢(shì).世界光伏制造業(yè)和市場(chǎng)主要由美國(guó)、日本和德國(guó)所主導(dǎo)。世界十大光

6、伏制造商中有 8家來(lái)自這三個(gè)國(guó)家，2000年三國(guó)光伏安裝容量約占世界的75%。美國(guó)的優(yōu)勢(shì)和日本的堰起長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)的光伏技術(shù)和產(chǎn)量是相對(duì)領(lǐng)先的.美國(guó)先后發(fā)明了單晶硅太陽(yáng)電池（美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室）、非晶硅太陽(yáng)電池（美國(guó)RCA公司）、高效GaInP/GaAs疊層太陽(yáng)電池（美國(guó) 可再生能源實(shí)驗(yàn)室，NREL).從70年代中期起，美國(guó)高度重視新能源發(fā)展，提出了多個(gè)新能 源發(fā)展計(jì)劃 1986 年以后，美國(guó)光伏產(chǎn)量一直保持每年 20的速度增長(zhǎng) 然而， 日本和 歐洲在 1997 年后加速發(fā)展，日本的平均年增速達(dá)到 52 ，歐洲的平均年增述達(dá)到 32。日本和歐洲先后在 1999年和 2002 年左右趕上和超過(guò)美國(guó)。

7、歐盟聯(lián)合研究中心、可再生能源局的Mr AmulfJger-Waldau 評(píng)論指出：歐洲正在實(shí)現(xiàn)自己 2010 年的目標(biāo)，盡管不那么雄心壯志然而，如果日本、美國(guó)和歐洲目前這種光 伏生產(chǎn)能力的增加趨勢(shì)得以繼續(xù)下去，而歐洲又沒(méi)有做出額外的努力，那么，到2010年日本將在世界光伏市場(chǎng)上占支配地位，擁有超過(guò)75的市場(chǎng)份額光伏產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)在所參與的公司之間袁現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)的集中和兼并圖3 示出光伏電池產(chǎn)量世界排名最大的 10 家公司所占的市場(chǎng)份額他們總共占世界市場(chǎng) 83在這 10 家公司中，日本有 4 家： Shap， Kyocera ， Sanyo， Mitsubishi (EIectrio 和 Heavy

8、) 其 中 Shap 公司產(chǎn)量最大，占市場(chǎng)份額 22。 Sharp 公司Sharp 公司的發(fā)展是根典型的。 Sharp 公司 1997 年 6 月宣布，到 1998 年將建立 20MW 生產(chǎn)廠，并且根據(jù)需求，還可擴(kuò)大到150MW2002 年 2 月，又宣布 2002 財(cái)政年度末擴(kuò)大到200MWSharp 在 1997 年作上述宣布時(shí)， 是引起懷疑的， 因?yàn)樗?dāng)時(shí)的生產(chǎn)能力只有 51010MW /年.然而，2001年Sharp銷(xiāo)售達(dá)到75MW變成世界第一，占19%的份額，2002年7月23 日Sharp在新聞發(fā)布會(huì)上宣布，生產(chǎn)能力達(dá)到148MW完成了 1997年預(yù)定的目標(biāo).日本光伏公司在實(shí)踐自己

9、宣布的時(shí)間表方面比較美國(guó)和歐洲公司更為可靠。這種發(fā)展趨勢(shì)將影響到中、小公司的生存和發(fā)展。如果大公司利用他們的成本優(yōu)勢(shì)向消費(fèi)者提供更廉價(jià)的產(chǎn)品，消費(fèi)者將買(mǎi)更多太陽(yáng)電池系統(tǒng)， Pv市場(chǎng)將加速發(fā)展為抵抗大公司的價(jià)格壓力， 小公司需要有自己的特色， 或能提供更先進(jìn)、 更廉價(jià)的太陽(yáng)電池技術(shù)PV 工業(yè)的發(fā)展和評(píng)價(jià)的變化， 還吸引了一些傳統(tǒng)的重工業(yè)公司開(kāi)始投資于太陽(yáng)電池 產(chǎn)業(yè)。如 Mitsubishi Heavy 2002 年秋建立了 10Mwa-Si 電池生產(chǎn)線現(xiàn)在，PV制造業(yè)已被日本工業(yè)界視為關(guān)鍵工業(yè)，提出日本不應(yīng)向中國(guó)和亞洲其他國(guó) 家轉(zhuǎn)移。國(guó)1円腫一2訓(xùn)0年世算比伏產(chǎn)；!的壇匕ASE AnwkMH R

10、est of US2% USSCR#«OfW(xW3務(wù)Shell Sat5%MittutMhiElectric3%Refit of Ej.ihOpe4%4%Isoplvkton4%Kan«ka5%Sanyo_Mft»ut>i«iii Heavy SheM Solnr Europe' 性WerM Solflir CV4I.+ N f .1 U FMJM 血* 胛劃 ilyip tonrvi(4WVI*w« trt中IM i.科* 3wH*Mdinoz4M”Nkx*m *»審* gdZvbpr 血“胡 2CU2 棗片尊Wpi

11、圖3光伏電淮產(chǎn)氏肚界排名J&人10家公司的市場(chǎng)份額三.美國(guó)、日本、歐盟 PV工業(yè)路線圖3 . 1羹國(guó)光伏工業(yè)路線圖 (2 0 O O 2 O 2 0)美國(guó)PV工業(yè)路線圖（圖4,表1）的宗旨是幫助美國(guó)光伏工業(yè)取得成功一一保持美國(guó) 伏技術(shù)在國(guó)際上的領(lǐng)先地位，使之成為主要的盈利力量。為此,計(jì)劃要求PV產(chǎn)量保持25%年增長(zhǎng)率。 到2020年，PVL業(yè)年產(chǎn)？OOOMWp其中3200MWp用于美國(guó)國(guó)內(nèi)，并成為 150億美元 /年的產(chǎn)業(yè)。圖4為路線圖計(jì)劃的美國(guó) PV32業(yè)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的增長(zhǎng)。 同時(shí)，降低PV系統(tǒng)的終端用戶(hù)成本（包括運(yùn)行和維持費(fèi)）到2010年3美元/瓦（Ac）,2020 年 1 .

12、 5 美元/瓦（AC）. 2030年滿(mǎn)足10%美國(guó)峰電生產(chǎn)能力。25年內(nèi)，美國(guó)PV工業(yè)提供15萬(wàn)人就業(yè)。表1美國(guó)丹工業(yè)路線圖計(jì)劃指標(biāo)2W塑etime衛(wèi)聊購(gòu) ©n p靜t單祜and prognoses to turth& tethnologtcai progresi, iHe Pmram sets geheraf mid- and rdng*tOrg0ate?(tbsts given in 19$9 dohars).胞sales砂 w硬劇從銅1000-1 SOO制 fxt cprwenlrator modules500然而，美國(guó)PV工業(yè)路線圖計(jì)劃大部分 PV產(chǎn)量用于出口.不像日

13、本有一個(gè)加速膨脹的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，這可能是美國(guó)為什么失去了保持多年的市場(chǎng)領(lǐng)先地位，而落后于日本和歐洲。而且，美 國(guó)最大 5 家制造商(BPSolar , ShellSolar , AstroPower ,ASEAmericas 和 UnitedSolarSystems)中3家屬歐洲公司。在未來(lái)20年，為使美國(guó)PV工業(yè)發(fā)展為世界領(lǐng)先.計(jì)劃要求國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和Pv。 公司合作，遵循熟知的國(guó)家范例。PV計(jì)劃幫助建立全國(guó)的努力，支持在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究和發(fā)展（R&D），制造技術(shù)（Manufacturing Technology），系統(tǒng)工程和市場(chǎng)應(yīng)用（Systems En gi neeri ng&

14、;Applicati on s）之間建立合作關(guān)系.參加的單位有；國(guó)家光伏中心（NCPV）相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL,Sandia,Bmokhaven）和來(lái)自美國(guó) 40個(gè)州的180個(gè)領(lǐng)先PV公司、 大學(xué)和單位。美國(guó)PV公司完成合同，分擔(dān)完成合同經(jīng)費(fèi)50%，集成研究成果和他們自身的努力,并應(yīng)用于制造工藝和產(chǎn)品。工業(yè)界一般對(duì)基礎(chǔ)、應(yīng)用研究和發(fā)展(R&D)起支持作用，但當(dāng)技術(shù)發(fā)展到制造利商業(yè)化階段時(shí)，則以工業(yè)界為首。美國(guó)大學(xué)同國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界緊密合作，從事先進(jìn)的R&D揭示基礎(chǔ)科學(xué)現(xiàn)象,產(chǎn)生創(chuàng)新概念，為明天的 PV科學(xué)和工程提供豐富的學(xué)習(xí)基地。NCPV相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL Sandi

15、a,Brookhaven)對(duì)PV界進(jìn)行合同管理，提供技術(shù)支持,對(duì)材料和器件特性分析，研究基本概念，以及對(duì)材料、器件和工藝進(jìn)行創(chuàng)新性研究。國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在技術(shù)發(fā)展早期階段起領(lǐng)導(dǎo)作用，而技術(shù)接近商業(yè)化階段時(shí)提供手段上 的幫助。研究計(jì)劃聯(lián)邦經(jīng)費(fèi)，由國(guó)會(huì)每財(cái)政年度撥款，經(jīng)能源部光伏中心和 NREL組織分配，將公司、大學(xué)和研究所統(tǒng)合在三個(gè)層次工作中：RAD；Manufacturing Technology ；SysmsEnginring&Applications 。聯(lián)邦經(jīng)費(fèi)的分配，以 1999年為例，在 0722 億美元的 聯(lián)邦支持經(jīng)費(fèi)中，三個(gè)層次各占47%，26%和27%. PV公司在R&

16、D工作中占29%,而在制造技術(shù)和系統(tǒng)工程方面起支配地位。過(guò)去10多年，美國(guó)花費(fèi)17億美元公共基金發(fā)展光伏技術(shù). 2001年美國(guó)支持PV計(jì) 劃4. 7億美元，其中聯(lián)邦政府支持 0. 66億美元.33個(gè)州采取了措施，促進(jìn) PV發(fā)電公平 聯(lián)網(wǎng)。目前，主要還是離網(wǎng)應(yīng)用，市場(chǎng)潛力很大。聯(lián)網(wǎng)PV近年來(lái)發(fā)展也很快主要在傳統(tǒng)電價(jià)高于4. 5 7美元/ W的15個(gè)州。美國(guó)Clinton總統(tǒng)1997年提出了 PV系統(tǒng)百萬(wàn)屋頂 計(jì)劃，以促進(jìn)戶(hù)用PV聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展從 1997年以來(lái)，已安裝了 15萬(wàn)個(gè)產(chǎn)用PV系統(tǒng)。聯(lián) 邦政府和許多州，通過(guò)減免稅收等促進(jìn)PV聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。然而，由于美國(guó)政治形勢(shì)(如退出京都議定書(shū)等)，

17、對(duì)百萬(wàn)屋頂計(jì)劃缺乏專(zhuān)門(mén)的預(yù)算支持，所以它對(duì)美國(guó)Pv工業(yè)發(fā)展所起的加速推動(dòng)作用不像在日本那樣顯著。3. 2 日本光伏工業(yè)路線由 (2000 2030)日本計(jì)劃的基本目標(biāo)是將新能源作為國(guó)家的能提供始 這是由 1993 年“新陽(yáng)光計(jì)劃” (NewSumhinProject) 確定的， “新陽(yáng)光計(jì)劃”是 1974 年第一次石油危機(jī)期間日本制定“陽(yáng) 光計(jì)劃”的延續(xù)。在新陽(yáng)光計(jì)劃成功的基礎(chǔ)上，2001年制定了”先進(jìn)的 PV發(fā)電計(jì)劃(AdvancedPVGeneration) 優(yōu)先考虐降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴(lài) ( 占日本能源消耗 53) 和本在 京都議定書(shū) (KyotoProtoc01) 中減排溫室氣體的承諾

18、(2008-2012 年比 1990年減排 6擬通過(guò) 發(fā)展新能源、 節(jié)能和核能來(lái)實(shí)現(xiàn)。 然而， 最近有些問(wèn)題使核發(fā)電受到愈來(lái)愈大的反對(duì)日本溫 室氣體排放同 1990年相比， 1 999年增加了 68，估計(jì) 2010年將增加 74。也就是說(shuō) 按京都議定書(shū)中減律溫室氣體的承諾，日本需要降低 13. 4 的溫室氣體排放在 2010年 使新能源供應(yīng)占日本總能源供應(yīng)的9 2計(jì)劃綱要提出 45 條措施 (征收環(huán)境稅等 ) ，要求能源公司實(shí)現(xiàn)一定的新能源份額： 自 己建新能源發(fā)電或購(gòu)買(mǎi)，以促進(jìn)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。日本新能源計(jì)劃的另一特點(diǎn)是提出明確的“繁榮市場(chǎng)”目標(biāo)，為新能源發(fā)展提

19、供依據(jù)。這是有競(jìng)爭(zhēng)力的、成功的。如2000年計(jì)劃在日本安裝 400MWp基本實(shí)現(xiàn)了，只延后一年；2010年4.8SGWp的目標(biāo)，從生產(chǎn)和市場(chǎng)的增長(zhǎng)看，也將會(huì)實(shí)現(xiàn).日本提山第一個(gè) PV魔頂計(jì)剃(94-96年，7萬(wàn)戶(hù)用)，每套(3.5 3.7 kWp)安裝經(jīng)費(fèi) 補(bǔ)貼50%。使成本從1994g2百萬(wàn)日元/ kWp降到1996年I百20萬(wàn)日元凡 Wp通過(guò)增加 產(chǎn)量和PV建筑集成，1997-2001年平均系統(tǒng)的價(jià)格從I百萬(wàn)降低到75萬(wàn)日元kWp雖然補(bǔ) 貼率逐漸下降。到 201030-50萬(wàn)日元/kWp, kWp價(jià)格目標(biāo)也應(yīng)當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)。日本還有一些 地方政府增加額外補(bǔ)貼，PV系統(tǒng)增長(zhǎng)速度明顯加快由于這一計(jì)

20、劃，日本到 2001年底己安裝PV系統(tǒng)441MWp其中屋頂系統(tǒng) 309MWp為實(shí)現(xiàn)低成本 PV系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)，建筑公司 起著重要的作用。在日本每年建大約 6萬(wàn)新樓，約50% PV系統(tǒng)是隨新樓出售的。PV集成建筑的成本降低，使成本返問(wèn)只需要4-15年，而PV系統(tǒng)的壽命為20-25年，促進(jìn)了市場(chǎng)的發(fā)展和公 司投資。經(jīng)過(guò)NEDO十劃30多年的PV發(fā)展，市場(chǎng)上只剃5-6家日本制造公司(Sharp , Kyocera Sanyo EIectric ， KanekaSoIartech ， MitsubishiHeavyIndustries等) ，集中形成了PV:工業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈.幾乎占世界生產(chǎn)能力的50%

21、 (200 MW). 2001年世界市場(chǎng)太陽(yáng)電池銷(xiāo)售45% （176MW）在日本。這一份額還會(huì)上升。在對(duì)“新陽(yáng)光計(jì)劃”評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，日本NEDO提出了 30年P(guān)VR&D和開(kāi)發(fā)市場(chǎng)路線圖（圖6）.比較“新陽(yáng)光計(jì)劃”，參加單位減少。除增加產(chǎn)量外，更著重降低PV系統(tǒng)的成本，以30日元/ Wp為目標(biāo)。支持產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化技術(shù)（支持50% ）和新PV技術(shù)的研究（支持100% ）。包括：Lei* Cut NHl 宀雖啊£血 flhJ佝K 瞬Fln woW 11110RAItw«KiutH給«飾価film 兇坤巧也血酣 肪 -CtfTdSuper-hvbetU> f

22、fiUeviliU甘輩 dvc MniiEsudLat2 JSGWpSi(1)發(fā)展先進(jìn)太陽(yáng)電池組件： a-Si/ -Si : Kan aka and Mitsubishi Heavy In dustries: 2005 年 n =12% 組件面積 3600gmcm2 100Y/ Wp(按照 100MW/年計(jì)算) CIS : Showa Shell Sakiyuki(玻璃襯底)and Matsushita Electric(不銹鋼卷襯底)：2005年：n =13%，組件面積 3600cm2; 100元人民幣/ WP 超高效化合物電池 Galnp/ GaAs 3結(jié)疊層電池，目前效率32%聚光電池：

23、Sharp(cell) ,Daido Steel(module ; concentrator)andDaidoMetal. 2005 年：n=40% ;1OOY/ Wp 多晶Si電池：KawQkiSteel , SumitomoMe山，Sharp ,支持太陽(yáng)能級(jí)硅的研究， 2003 年：n =13% 15 X 15cm2 147 元人民幣 /WP CdTe :停止發(fā)展評(píng)價(jià)，再循環(huán)和其他系統(tǒng)構(gòu)成技術(shù)：AIST,JET , Sharp , ShowaShell , Asahi Glass ,AIST,PVTE (3)新一代PV系統(tǒng) 電鍍 CulnS2 薄膜電池： Sinko Electric 納米

24、結(jié)構(gòu) Si 薄膜電池： AISt Kyushu Uniersity, ToppanPrinting Stanley, NipponSheetGlass SIGe 基電池： TohokuUniversity 固態(tài)染料敏化電池： University of Tokyo， RITE，TIT 低成本制造工藝 CAT-CVD JAISt Osaka University,GifuUniversiy3 -FeSi2 電池： System Engineers ， AIST 超效率限制： Asahi Glass si 球電池： Clean Venture21(Hamakawa,Wada,Matsushita

25、Electric) 低成本、高效率染料敏化電池： AiSt Sumitomo Osaka Cemen, Furukaw Macninery,HaYashibara ， Biochemicai Lab ， Sharp3 3 歐盟光伏工業(yè)路線圖歐盟的白皮書(shū)“ EnergyfortheFuture ；Renewablesources Of energy ”和綠皮書(shū) “Towardsa European strategy for the security of energy supply”提出的目標(biāo)是，為達(dá)到京都議定書(shū) (Kyoto Protoc01) 中減排溫室氣體的要求和減少對(duì)能量進(jìn)口的依賴(lài)， 總

26、能量 消耗的 12和電能的 22必須由可再生能源產(chǎn)生，如圖7 中的紅線所示應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，歐盟在可再生能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面的進(jìn)展，是世界領(lǐng)先的。Goonary umtod Kinpoom FrarwjaSpainSMRad«nOonnwniNanona h(nGfOMMFimndAauriaB44gitm gong Lu)t«mDOLrg Portugal0%10%20%30%40%50%60% 7Q9L W% 99%Rvnewablo &lActrrty Preductiqh in % 時(shí) Total Ekciritity Production圖71997-20）0

27、年歐姐町仰生ffe源發(fā)迅禮總電腌中所占份額GommnyJrGKhgoomRancetwSpam$vnd«nDenman科的沖伽eGr&oooFmiondAuvtrioBelgiumifatandLuxombowgPaxqai0102034« GO eo 7080 go 1Q0R的0W3bfo Ehctricrty G«n«raljcMi (TMVal圖8歐盟可再生ttflKifAfS (IW-2010)歐洲議會(huì)將在2004-2006每年10月發(fā)表評(píng)估報(bào)告.到2010年光伏系統(tǒng)總安裝生產(chǎn)能力達(dá)到3000MV，為1995年100倍.圖8示出歐盟可再生

28、能源發(fā)電量的增長(zhǎng)（1997-2010年），主要 PV公司有：Isofoton , RWESolar, Photowati , Eurosolare .歐洲國(guó)家之間光伏市場(chǎng)條件差別很大，類(lèi)似于美國(guó)各洲，從而各國(guó)采取不同措施促 進(jìn)其發(fā)展如德國(guó)計(jì)劃 2003 年完成 10萬(wàn)屋頂計(jì)劃 （減息貸款 ） ： 2000 年頒布可再生能源法 案；實(shí)施投資補(bǔ)貼，對(duì)新PV系統(tǒng)減少關(guān)說(shuō)5%。2001年德國(guó)安裝PV系統(tǒng)75MWp相當(dāng)于世界市場(chǎng) 20，成為最大的進(jìn)口國(guó)。RWE Solar 和 Deutsche Cell 新增加的生產(chǎn)能力可以彌補(bǔ)這一情況。到 2002年8月10日KfW銀行宣布還有41 MW PV系統(tǒng)新貸

29、款。德國(guó)聯(lián)邦議 會(huì)財(cái)經(jīng)委員會(huì)支持將太陽(yáng)電池系統(tǒng)安裝計(jì)劃從350MWp增加到1000MWp意大利提出1萬(wàn)屋頂計(jì)劃，實(shí)施經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼。屋頂PV系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，以促進(jìn)集成建筑應(yīng)用。2001年歐盟銷(xiāo)售93. 7MV,占世界市場(chǎng)23. 6%。除晶體硅外，還發(fā)展薄膜電池。 繼日本公司成功發(fā)展 a-Si電池后，也開(kāi)發(fā)窄帶隙材料，發(fā)展a-Si /卩c-Si疊層電池。到2020年，歐盟計(jì)劃將安裝太陽(yáng)發(fā)電54GW提供290 000就業(yè)機(jī)會(huì)。實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展的條件是，太陽(yáng)發(fā)電可以公平的進(jìn)入電網(wǎng)。四.第二代太陽(yáng)電池薄膜太陽(yáng)電池2001 年世界光伏工業(yè)產(chǎn)量為 396MW，p 其中約 85%源自晶體硅電池 （所謂第一代太陽(yáng) 電池）.晶

30、體硅屯池效率高、壽命長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)小。今后，除發(fā)揮規(guī)模效益外，捉高效率、 降低成本仍然是晶體硅電池組件研發(fā)的重要課題。 如發(fā)展： 廉價(jià)的太剛能級(jí)硅襯底： 非晶硅 / 多晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu) （HIT） ；陷光結(jié)構(gòu)：以及等離子，吸雜，快速熱處理等低成本工藝。然而，問(wèn)題是如要保持高速增長(zhǎng)，廉價(jià)的太陽(yáng)能級(jí)硅材料是否供應(yīng)得上。如果假定光伏電池年增長(zhǎng)率為 27%，至U 2010年晶硅電池達(dá)到1500 MW/年，需要12000噸硅材料， 相當(dāng)于現(xiàn)在世界硅總產(chǎn)量的一半。薄膜光伏電池 （ 所謂第二代太陽(yáng)電池 ） 工藝，經(jīng)過(guò)多年的研究利發(fā)展，現(xiàn)正從試生產(chǎn) 線轉(zhuǎn)變到工業(yè)規(guī)模.主要包括非晶硅（a-Si），碲化鎘（CdTe）和

31、銅銦（鎵）硒（Cl（O）Se）。這些薄膜電池，不用硅片做原材料 （300 微米厚 ），而是在玻璃等廉價(jià)襯底上沉積壓微米到 微米量級(jí)的半導(dǎo)體有源層， 因此可望大幅度降低材料成本。 薄膜電池在制造上還有很大優(yōu)點(diǎn)， 它采用低溫工藝，成目倍增加電池制造面積 （從硅片約 100平方厘米增加到玻璃基片 1 平方 米）.隨著PV市場(chǎng)的擴(kuò)大，薄膜光伏電池的增長(zhǎng)會(huì)加速。多種跡象表明，年產(chǎn)50 MWp的薄膜光伏電池生產(chǎn)線不久將實(shí)現(xiàn).然而，為在 2010年達(dá)到 50%的光伏產(chǎn)量份額，薄膜光伏電 池必須年增長(zhǎng) 40%。非晶硅電池薄膜光伏電池中， 非晶硅基系電池發(fā)展比較成熟 從 80 年代規(guī)模試生產(chǎn)以來(lái)， 經(jīng)過(guò) 材料性

32、能和器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從單結(jié) a-Si 到 a-Si a-SiGe 疊層，再到 a-Si pc-Si( 微晶 硅) 疊層，非晶硅基系電池組件的穩(wěn)定效率已達(dá)到10。例如日本 KanekaSolarteeh 發(fā)展非晶硅電池有 20多年了。 1999 年達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)。 該公司Yvanamoto發(fā)現(xiàn)，可在200 C淀積a-S /卩c-Si疊層屯池，申請(qǐng)了專(zhuān)利。而 以前的一些重， 專(zhuān)利 (a-Si ：Hsolarcell ， Carlson ， RCAl976；pina-Sisolarcell， Hamakawa，OsakaUniv 1978；Illltaleda-Sisolarcell， Kuwano,

33、Sanyo 1979 和 a-SiC /a-Siheterojunctionsolarcell 。Tawada. KANEKa1981到 2002 年到期，所以 a-S/ 卩 c-Si 疊層電池有重要的經(jīng)濟(jì)前景。按40Mw/年計(jì)算，這種 a-S /卩e-Si疊層電池的成本為晶體硅 (c-Si)電池的1 /2.現(xiàn)在Kaneka生產(chǎn)能力達(dá)到 25MW/年，2002年出口 15MWp 2003年起將要增加到 40MWpKaneka生產(chǎn)的a-Si組件效率為8%, 20年之內(nèi)效率保有 80%以上。2001年Kaneka生產(chǎn)的a-S/pc-Si疊層屯池效率10. 5%, 1O年之內(nèi)保證效率不低于9. 8%

34、。該公司計(jì)劃： 2005年，a-S/ c-Si疊層組件效率12%,系統(tǒng)價(jià)格1百20萬(wàn)日元/ 3kWp> 2006年，a-S卩c-Si疊層組刊：效率13 %，系統(tǒng)價(jià)格1百萬(wàn)日元/3kWp. 2010年，a-S/卩c-Si疊層組件效率16%，系統(tǒng)價(jià)格60萬(wàn)日元門(mén)kWp值得注意的是，疊層電池的效率取決于所接受的太陽(yáng)光譜在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模擬2S條件下測(cè)試a-S/卩c-Si疊層組件(3738em2)效率11.57 %，功率輸出 43. 24W 而在 Otsu Shiga戶(hù)外ft=31 . 80)測(cè)試 效率 123%,功率輸出 460W。itsubabiHeavy lndustriee 新進(jìn)入 PV2 業(yè)

35、。計(jì)劃 2002 年秋投產(chǎn) a-Si 電池 10MW/年。 Mitsubishi的 a-Si 單結(jié)電池效率 8%( 初始效率 10%,約 34月后光致退化趨于飽和,穩(wěn)定效率8%) 長(zhǎng)期在JQA戶(hù)外實(shí)驗(yàn)表明，穩(wěn)定效率不變，壽命可達(dá)2025年 Mitsubishi正利用卩c-Si /a-Si疊層結(jié)構(gòu)改進(jìn)效率達(dá)到12%, Mitsubishi 組件有50 looV 高電壓,功率輸出 24-100Vp 。2005 年 a-Si日本 NEDO計(jì)戈U Kaneka Sola-tech 和 MitsubishiHeavy Industries/卩c-Si疊層電池n =12%，組件面積 3600em2; 10

36、0日元/ Wp (按照1OOMWP年計(jì)算).Sanyo Eleotrio 在 1975始研發(fā) a-Si 太陽(yáng)電池。 1980 年規(guī)模生產(chǎn) a-Si 電池應(yīng) 用于計(jì)算器等，目前 Sanyo的a-Si組件生產(chǎn)能力為5MW年。美國(guó) United Solar SystellaS 公司是 Energy Conversion Devices ， Inc,(EC0) 和 N. V. Bekaer S . A(BESS Europc)合資經(jīng)營(yíng)的。2001年銷(xiāo)售3. 8 MW不銹鋼柔性襯底 a-Si /a-SiGe/a-SiGe 三結(jié)疊層電池.目前年產(chǎn)5MW. 2002年6月 24日開(kāi)典的新廠年產(chǎn) 30MW.生

37、產(chǎn)線是高度自動(dòng)化的，可同時(shí)在 6卷不銹鋼上淀積非晶硅，每卷不銹鋼長(zhǎng) 1. 5 英里.銅鍺硒電池CIS 電池組件具有比較高的轉(zhuǎn)換效串和穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到18,8%?，F(xiàn)己開(kāi)始小規(guī)模試生產(chǎn).如美國(guó) Shell Solar 擁有世界第一條 CIS 薄膜電池生產(chǎn)線，組件效率 11%. 2001 年銷(xiāo)售 CIS 組件 0. 4MW。 日本計(jì)戈：2005 年，玻璃村底(Showa Shell Sekiyuki)和不銹鋼卷襯底 (MatsushitaElectric)CIS 電池組件面積 3600cm2n =13%，組件成本 100日元/Wp(按照100MW年計(jì) 算).還計(jì)戈發(fā)展電鍍 CIS 薄膜電池 (

38、Shinko Electric) . 碲化鎘電池 (CdTe)CdTe 薄膜電池組件效率達(dá)到 9%，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到 16,4%.美國(guó) First Solar 建立 了 5MV/年生產(chǎn)線，并醞嚷用快速熱蒸發(fā)技術(shù)擴(kuò)建 100Mw/年生產(chǎn)線。由于cdTe電池效率較 高，生產(chǎn)技術(shù)比較簡(jiǎn)單，美國(guó) NREL薄膜光伏計(jì)劃中包含了 CdTe電池項(xiàng)目。然而，Cd足有毒組分元素，日本 NEOO在新光伏計(jì)劃中己停止了CdTe電池項(xiàng)目去年歐盟已禁止含 Cd的電子元器件進(jìn)口所以，去年日本松下電器公司的一條計(jì)算器用CdTe電池組件生產(chǎn)線已停產(chǎn).總之，對(duì)CdTe電池的前景，看法不一，見(jiàn)仁見(jiàn)智。對(duì)于CdTe電池毒性問(wèn)題，美國(guó)

39、有專(zhuān)家認(rèn)為， 生產(chǎn)過(guò)程中的污染已經(jīng)解決. 電池產(chǎn)品散布污染問(wèn)題， 可以通過(guò)回收破損電池 來(lái)解決。而澳大利亞 UNSV的M Green教授認(rèn)為：利用毒性材料的電池技術(shù)，不管它有多少優(yōu)點(diǎn)， 終將在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中樁淘汰，而代之以對(duì)環(huán)境友好的工藝最近，國(guó)際綠色和平組織給美國(guó)California 能源當(dāng)局的一份通報(bào)顯示了該組織對(duì)PV毒性問(wèn)題的關(guān)切。 通報(bào)指出，“有許多PV技術(shù)術(shù)（CdTe電池除外）對(duì)環(huán)境都沒(méi)有什么不利影響，可以滿(mǎn)足Califomia能源當(dāng)局的投標(biāo)要求”。有些公司對(duì)此問(wèn)題已有所洞察，據(jù)報(bào)道Matsushffa公司將停止COTe屯池組件：的生產(chǎn)。五。第三代太陽(yáng)電池在第二代太N1電池的基礎(chǔ)上，將會(huì)

40、發(fā)展第三代光伏太陽(yáng)電池.M Green教授提出，它們應(yīng)當(dāng)擁有以下的特征，薄膜化、高效率 （高于單結(jié)電池的效率 ） 、源材料豐富和無(wú)毒性。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看來(lái)，太陽(yáng)電池 Carnot 極限效率可高達(dá) 95考慮到輻射捐失及轉(zhuǎn) 換過(guò)程的不可逆性， 得到 Landsberg 極 pd 效率為 93 3。考慮到吸收剛光過(guò)程中墑的增加， 極限效率為 86。 8這也就是無(wú)限多結(jié)疊層電池的理論效率。對(duì)于單結(jié)太陽(yáng)電池， Shockley-Quelsser 極pH效率為40. 7%.這些理論計(jì)算結(jié)果表明，太陽(yáng)電池效率的提高還有很大的潛力。如 S和GaAs單結(jié)電池員高效率現(xiàn)達(dá)到 27%左右，為理論極限效率的66%。可望

41、實(shí)現(xiàn)第三代太陽(yáng)電池效率的途徑包括：多閾值2S什，如疊層電池，多帶光伏電池：量子倍增器什，如碰撞離化，光子下轉(zhuǎn)換；熱載流子電池；熱方法，如熱離化，熱光伏 電池等下面介紹幾項(xiàng)相關(guān)的研究進(jìn)展。疊層電池將不同能帶隙的電池， 依帶隙的寬窄順序， 從上到下疊放在一起， 可構(gòu)成疊層電池。 如果疊層數(shù)目足夠大電池的極限效率可達(dá)868%。然而，為避免操作的復(fù)雜性，疊層：電池通常具有電流匹配的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種限制降低了可獲得的效率。而且，使得疊層電池對(duì)于太陽(yáng)光譜的構(gòu)成非常敏感。雙結(jié)和三結(jié)GalnP/GaAs/Ge： U池已廣泛應(yīng)用于空間科學(xué)，其地面效率己達(dá)30%。目前正在發(fā)展效率近 40%的四結(jié)電池其聚光電池組件，

42、成本與薄膜電池相當(dāng)，具有廣闊的地面應(yīng)用前景。三結(jié)疊層a-si / a SiGe: H薄膜屯池穩(wěn)定效率已達(dá) 12%。但地球上 Ge元素是不豐 富的。Kaneka公司發(fā)展的a-Si /卩cSi疊層屯池似乎更具有工業(yè)應(yīng)用前景。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換對(duì)于單帶隙太陽(yáng)電池材料，限制屯池效率的因素主要有兩個(gè)。一是能量低于帶隙的 光子不能被有效吸收； 二是能量遠(yuǎn)高于帶隙的光子一般也只能激發(fā)山一個(gè)屯子空穴對(duì)， 經(jīng)過(guò) 熱馳豫釋放出多余能量后， 以略低于帶隙的能量被收集。 因此，提高電池效率就是要把不能 被有效吸收的低能光于和能量遠(yuǎn)高于帶隙的高能光子的能量充分利用起來(lái)。如果高能光子激發(fā)的高能電子空穴對(duì)不是將能量馳豫給晶格，

43、而是激發(fā)山多個(gè)電子 空穴對(duì)，即產(chǎn)生碰撞離化，那么就可以大幅度提高電池的效率。目前， 己觀察到碰撞離化效 應(yīng)，包倍增效率只略大于一上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換是一種有效的光子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，在光屯子領(lǐng)域已得到實(shí)際應(yīng)用。 上轉(zhuǎn)換是將兩個(gè)低能光子通過(guò)一個(gè)中間能級(jí)激發(fā)為一個(gè)高能光子。而下轉(zhuǎn)換正相反。 下轉(zhuǎn)換器置于電池的正面， 對(duì)于入射的低能光子基本上是透明的， 而且能發(fā)射出高密度的低能光干， 從而提高了電池性能，只要輻射效率超過(guò)50%。上轉(zhuǎn)換器置于屯池的背面，俘獲次帶隙光子后轉(zhuǎn)換并發(fā)射高能 （火于帶隙 ）光子，不影響電池正常操作。 只要有百分之兒的輻射效率就 可顯著改善屯池性能 對(duì)于中間能級(jí)的耦合也沒(méi)有苛刻的要求， 這就大大改善了上轉(zhuǎn)換的效 率多能帶電池標(biāo)推電池材料的光伏效應(yīng)基于:載流子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的激發(fā)。 最近的分析表明，在帶隙中引入第三個(gè)帶或N個(gè)帶會(huì)擴(kuò)大吸收長(zhǎng)波光于的能量范鬧。這第三個(gè)帶可以是在寬帶隙半導(dǎo)體中引入的稀十雜質(zhì)帶，或某些多量子阱結(jié)構(gòu)。N個(gè)帶電池的極限效率為 86 . 8%。值得指出，第三個(gè)帶的引入不應(yīng)帶來(lái)額外的復(fù)合損失。熱光伏