太陽能電池行業(yè)技術比較與分析

太陽能電池行業(yè)技術比較與分析1.1不同類別太陽能電池制造技術現(xiàn)狀太陽能光-電轉換主要采用太陽能電池來實現(xiàn)。按照大類劃分，目前太陽能電池主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩大類。晶體硅太陽能電池的轉換效率較高，原材料來源簡單，是光伏電池的主流產(chǎn)品，在全球前10大太陽能電池生產(chǎn)商中，有9家是以生產(chǎn)晶體硅太陽能電池為主的。盡管晶硅太陽能電池技術相對市場占有率有下降趨勢，但總體上多晶硅太陽能電池在以年增長率40%-50%的速度發(fā)展，未來市場相當可觀。預計未來10年晶體硅太陽能電池所占份額盡管會因薄膜電池的發(fā)展等原因而下降，但主導地位仍不會根本改變。薄膜電池近年來發(fā)展較快。和晶體硅電池相比，薄膜電池制作成本、能耗均低于晶體硅電池。同時，薄膜電池透光性好，對于光伏建筑一體化等領域更加實用。無論是對哪種太陽能電池技術的發(fā)展，主要都是解決以下幾個問題：首先是上游原材料加工成本和能耗；其次是提高光電轉換效率；最后是運用到光伏產(chǎn)業(yè)中的壽命和維護成本，簡單概括就是：高效率、長壽命、高可靠、低成本和零污染。不同類別的太陽能電池技術發(fā)展也是圍繞這幾個目的的。1.1.1晶體硅電池技術現(xiàn)狀晶體硅太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個階段，每一階段效率的提升都是因為新技術的引入。1954年貝爾實驗室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導致效率提升的主要技術是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個發(fā)展階段，背電場電池（BSF）技術、“淺結”結構、絨面技術、密柵金屬化是這一階段的代表技術，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學家探索了各種各樣的電池新技術、金屬化材料和結構來改進電池性能提高其光電轉換效率：表面與體鈍化技術、Al/P吸雜技術、選擇性發(fā)射區(qū)技術、雙層減反射膜技術等。許多新結構新技術的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達24.4%鈍化發(fā)射極和背面點接觸（PERL）電池。目前相當多的技術、材料和設備正在逐漸突破實驗室的限制而應用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當中來。1.1.1.1表面織構減少入射光學損失是提高電池效率最直接方法?；瘜W腐蝕工藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術，也是行業(yè)內最廣泛使用的技術，工藝門檻低、產(chǎn)量大；但絨面質量不易控制、不良率高，且減反射效果有限（腐蝕后的反射率一般仍在11%以上），并產(chǎn)生大量的化學廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。反應離子刻蝕技術（RIE）是最有發(fā)展前景的技術，它首先在硅片表面形成一層MASK（掩膜）再顯影出表面織構模型，然后再利用反應離子刻蝕方法制備表面織構。用這種方法制備出的減反射絨面非常完美，表面反射率最低可降至0.4％，單多晶技術統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝與設備都可移植于IC工業(yè)，如果生產(chǎn)成本能夠進一步降低可望取代化學腐蝕方法而大規(guī)模使用。京瓷產(chǎn)業(yè)化17.2%~17.7%的多晶硅電池就是采用等離子刻蝕工藝的一個成功典范。1.1.1.2發(fā)射區(qū)擴散PN結特性決定了太陽能電池的性能。傳統(tǒng)工藝對太陽能電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負載能力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質濃度過高導致擴散區(qū)能帶收縮、晶格畸變、缺陷增加、“死層”明顯、電池短波響應差。PN結技術是國際一流電池制造企業(yè)與國內電池企業(yè)的主要技術差距。為了在提高電池的填充因子的同時避免表面“死層”，選擇性擴散發(fā)射極電池技術是最有望獲得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的低成本革命性高效電池技術，其技術原理簡單且通過現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)，但如何降低制造成本是該技術產(chǎn)業(yè)化過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前國內某些大公司對外宣傳的超過17.6%以上的高效電池其技術核心均來源于此，相信隨著配套裝備與輔助材料的及時解決近二年內將會迅速普及與推廣。在制造工藝上采用氮氣攜帶三氯氧磷管式高溫擴散是目前主流生產(chǎn)技術，其特點是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡單。隨著電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質濃度（表面方塊電阻80～120Ω／口、均勻性±3%以內），減壓擴散技術（LYDOP）優(yōu)勢非常明顯，工藝中低的雜質源飽和蒸汽壓、提高了雜質的分子自由程，它對156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量400片的情況下其擴散均勻性仍優(yōu)于±3%，是高品質擴散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈式擴散設備不僅適應Inline自動化生產(chǎn)方式，而且處理硅片尺寸幾乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重視，其工藝有噴涂磷酸水溶液擴散與絲網(wǎng)印刷磷漿料擴散二種。在鏈式擴散技術上，BTU、SCHMID以及中電集團第48所均已有長時間的研究及工業(yè)化應用，只要能在擴散質量上獲得突破其一定會取代目前管式擴散成為主流生產(chǎn)裝備與技術。1.1.1.3去邊技術產(chǎn)業(yè)化的周邊PN結去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法技術成熟、產(chǎn)量大，但存在過刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不僅影響電池的轉換效率，而且導致電池片蹦邊、色差與缺角等不良率上升。激光開槽隔離技術根據(jù)PN結深度而在硅片邊緣開一物理隔離槽，但與國外情況相反，據(jù)國內使用情況來看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術，因此該方法有待進一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術——化學腐蝕去邊與背面腐蝕拋光技術集刻蝕與去PSG一體，背面絨面的拋光極大降低了入射光的透射損失、提高電池紅光響應。該方法工藝簡單、易于實現(xiàn)inline自動化生產(chǎn)，不存在“鉆刻”與刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對穩(wěn)定，因此盡管配套設備昂貴但仍引起業(yè)內廣泛關注。1.1.1.4表面減反射膜生長技術早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加對入射光的吸收，但該方法均需先單獨采用熱氧化方法生長一層10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且對多晶效果不理想。SixNy膜層不僅減緩漿料中玻璃體對硅的腐蝕抑制Ag的擴散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范圍更寬易于調節(jié)，而且致密的SixNy膜層是有害雜質良好的阻擋層。同時生成的氫原子對硅片具有表面鈍化與體鈍化的雙重作用，可以很好地修復硅中的位錯、表面懸掛鍵，提高了硅片中載流子的遷移率因而迅速成為高效電池生產(chǎn)的主流技術。雙層SiN減反射膜，通過控制各膜層中硅的富集率實現(xiàn)了5.5%的反射率；而另一種SiN與SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前廣泛采用的單層SiN膜減反射率最優(yōu)為10.4%。在電池背面生長一層10～30nmSiN膜以期最大限度對電池進行鈍化與缺陷的修復從而提高電池的效率是目前的一個熱點課題，由于該技術牽涉到與后面的絲網(wǎng)印刷技術、電極漿料技術及燒結工藝的配合目前尚處于實驗研究階段，但它肯定是今后的一個發(fā)展趨勢。匹配封裝材料對光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的實際使用效果是光伏企業(yè)技術實力的體現(xiàn)。如何減少電磁波對電池表面PN結輻射損傷以及損傷的有效修復是該工藝的核心技術，處理不好往往導致電池效率一致性較差。裝備方面有連續(xù)式間接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。1.1.1.5絲網(wǎng)印刷與金屬漿料技術絲網(wǎng)印刷技術是低成本太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關鍵技術，其主要技術進步與電極漿料及網(wǎng)版制版技術緊密相聯(lián)。電極漿料技術進步是提升電池效率的捷徑，也是一些實驗室技術向產(chǎn)業(yè)化轉換的關鍵。根據(jù)電池表面擴散薄層方塊電阻、擴散結深以及表面減反射膜厚度與密度等開發(fā)相對應的漿料已經(jīng)成為國際一流光伏企業(yè)領先同行的一個有力武器：如摻P的正銀漿料實現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術；向漿料中添加添加劑實現(xiàn)80～100um細柵技術；配合超薄片的低翹曲背鋁漿料等等。硅片厚度不斷減薄、電池面積不斷增大，如何降低碎片率與電池片的翹曲度成為設備制造廠商與電池制造企業(yè)共同關注的焦點問題。設備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應120um厚度硅片的全自動印刷設備。1.1.1.6晶體硅太陽能電池技術中存在的問題工藝方面：盡管晶體硅太陽能電池制造是一個短工藝生產(chǎn)流程，光伏技術與檢測手段也有了長足的發(fā)展，但太陽能電池工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無法從電池的不合理電參數(shù)來準確判斷問題具體所在，對每一工序質量也還沒有完全行之有效的檢測方法與手段，在線檢測技術遠落后于工藝技術的發(fā)展。設備方面：目前國內外各制造廠商設備缺乏統(tǒng)一接口標準，導致上下道工序之間無法有效銜接，導致較大的時間與資源浪費，物化新工藝的裝備滯后于市場的發(fā)展。原材料方面：原材料市場特別是硅片質量良莠不齊，許多企業(yè)缺乏自律性，導致我國光伏產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng)一權威標準與準入制度。1.1.2薄膜電池技術現(xiàn)狀薄膜電池，常常被稱作第二代光伏電池，包括了許多不同的技術。不同的薄膜電池主要區(qū)別在：（1）光吸收材料；（2）薄膜電池組件的基板是剛性還是柔性。目前發(fā)展的不同薄膜電池技術都有一個共同點，都大幅降低了光吸收材料的用量。薄膜電池使用不到1%的生產(chǎn)硅片電池的原材料，這顯著降低了生產(chǎn)成本。薄膜電池的缺點是其轉換效率比晶硅電池低很多。目前主流的薄膜電池主要包括：非晶硅電池（a-Si）、CdTe電池和CIS/CIGS電池。薄膜電池行業(yè)處于發(fā)展初期，但未來市場空間巨大，在BIPV等應用需求推動下將迅猛發(fā)展。此外，隨著技術的快速發(fā)展，薄膜太陽能電池成本快速下降，有望先于晶體硅電池實現(xiàn)平價上網(wǎng)。下面將分別討論三種不同薄膜太陽能電池的技術現(xiàn)狀。1.1.2.1非晶硅電池非晶硅電池是目前發(fā)展的主流的薄膜電池技術。非晶硅材料的原子排列無序，沒有形成晶體結構，包含大量的結構性和連接缺點。由于其結構不均一，晶帶寬度為1.1~1.7eV，因此非晶硅在光譜的可見區(qū)，比晶體硅有更高的光學吸收系數(shù)，可以有更薄的結構，甚至可以低于1微米。電池元件中非晶硅層的生長一般通過PECVD實現(xiàn)。該技術允許大面積的生長（最高達1平方米或更多）。非晶硅也可以在低溫75攝氏度狀態(tài)下生長，這樣就允許在玻璃甚至不銹鋼以及塑料等聚合體上生長而不損壞基板。使用柔性基板就可以實現(xiàn)電池組件與各種建筑結構結合起來。但是，PECVD設備非常昂貴，初期的資本投入就比晶體硅高很多。像其他薄膜電池一樣，非晶硅電池的核心優(yōu)勢就是僅需要很薄一層非晶硅，降低了原材料的用量進而降低了生產(chǎn)成本。低原材料消耗結合相對較低能源消耗意味著非晶硅電池的能源回收期較短。EPBT基本在1-1.5年之間，接近晶硅電池的一半。非晶硅電池的主要缺點是其轉換效率比晶硅電池要低且存在光衰退現(xiàn)象。商業(yè)生產(chǎn)的非晶硅電池轉換效率為6-8%。非晶硅電池的制造商包括美國的UnitedSolar，德國的ShottSolar和ErsolSolar，目前國內大部分介入薄膜電池的公司基本都以非晶硅薄膜電池為主。1.1.2.2碲化鎘薄膜電池CdTe被認為是太陽能薄膜電池最有前途的光電材料，有著最適宜的1.5eV的能帶隙，很高的吸收效率。實驗室中碲化鎘薄膜電池可以實現(xiàn)16%的轉換效率，商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的電池組件轉換效率超過10%已經(jīng)獲得驗證。相比其他薄膜電池，碲化鎘薄膜電池擁有以下優(yōu)點：（1）CdTe容易在基板上生長，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。高度自動化生產(chǎn)工藝已經(jīng)成功使用。（2）CdTe電池與傳統(tǒng)半導體相比不易受電池溫度上升的影響，在高溫下CdTe薄膜電池能夠獲得相對多的電能。在陰天、拂曉或者傍晚，半導體材料在轉化散射光成電能上也比常規(guī)電池效率要高。（3）CdTe薄膜電池擁有幾乎吸收所有可見光的能帶隙。能帶隙能量幾乎達到了單結電池的最優(yōu)值，同時產(chǎn)生高電流密度和高電壓。CdTe作為光伏電池的材料，它的主要缺陷是重金屬鎘屬于積性毒物，因而CdTe有毒。在運行時，這些電池組件不會產(chǎn)生污染物。但是，使用CdTe技術還是有環(huán)境危害和安全隱患，比如在著火或循環(huán)利用的情況下，重金屬鎘就會釋放到大氣層。目前，F(xiàn)irstSolar是CdTe薄膜電池市場的主導者，其生產(chǎn)成本已經(jīng)達到1美元/瓦以下，在德國等光照時間較短的國家和地區(qū)有著廣泛的市場。1.1.2.3CIS/CIGS薄膜電池CIS（CuInSe2）有很高的吸收率，在材料的第一微米可以吸收99%的可見光，所以是很有效的光伏材料。增加少量的鎵可以增加它的光吸收能帶，使它更貼近太陽光譜，改善光伏電池的電壓和效率。CIGS電池在實驗室已經(jīng)達到19%的轉換率，遠高于其他薄膜電池。CIGS也能通過環(huán)保和廢品處理要求。CIGS的轉換效率非常穩(wěn)定，性能長時間不減退。地球表層銦的儲量跟銀差不多，因為較為稀缺，銦的價格波動較大。接近70%的銦都用在平板顯示器行業(yè)。所以，如果CIS電池的產(chǎn)量上升，爭奪銦材料令人擔憂。當然，用量也不是很大，生產(chǎn)2GW的CIS電池用到2004年銦產(chǎn)量的10%。另外，銦也可以通過退役電池組件的循環(huán)利用來獲得。在穩(wěn)定性上，CIS/CIGS不會出現(xiàn)光致衰退現(xiàn)象，通常在運行的第一小時轉換效率略有上升，接著就顯著穩(wěn)定。但是，在炎熱潮濕的環(huán)境下，他們的穩(wěn)定性存在問題。CIS和CIGS電池的生產(chǎn)商包括GlobalSolar，WurthSolar，國內目前孚日股份在建CIS薄膜電池生產(chǎn)線。1.1.3新型聚光太陽能電池技術現(xiàn)狀一般所說的聚光多結太陽能電池是指針對太陽光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導體材料做成多個太陽能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結太陽能電池。其核心是采用化合物半導體電池，這些電池在鍺襯底上單片集成了GaInP和GaAs薄層，每層吸收光譜中的不同部分。三結電池輕而易舉地保持太陽能轉換效率的最高紀錄42.8%，目前研究較多的III-V族材料體系，就是上述InGaP/GaAs/Ge三結電池。II-VI族材料目前還處于研究階段。1.2太陽能電池技術