薄膜太陽能電池路線圖(5-20)VIP

1、青島市薄膜太陽能電池技術(shù)路線圖銅銦鎵硒、非晶硅、染料敏化薄膜太陽能電池二一年五月目 錄一、薄膜太陽能電池簡述2二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池4（一）國內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池研發(fā)情況4（二）技術(shù)壁壘7（三）研發(fā)需求7（四）資源狀況8（五）人才團隊8（六）技術(shù)路線圖9三、非晶硅(a-si)薄膜太陽能電池11（一）非晶硅薄膜電池的特點11（二）技術(shù)壁壘12（三）研發(fā)需求13（四）技術(shù)路線圖14四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽能電池15（一）染料敏化薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理15（二）染料敏化薄膜太陽能電池的前景16（三）技術(shù)壁壘17（四）研發(fā)需求17（五）資源狀況18（六）技術(shù)

2、路線圖18一、薄膜太陽能電池簡述由于傳統(tǒng)能源的日漸減少和對環(huán)境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。在這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點，豐富的太陽輻射能是一種取之不盡、用之不竭、無污染、廉價、人類能夠自由利用的重要能源。光伏太陽能技術(shù)就是直接將太陽光能轉(zhuǎn)變成電能的技術(shù)?！肮夥币辉~源于物理學(xué)里的“光生伏特效應(yīng)”，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。利用光伏發(fā)電效應(yīng)原理而制成的將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱之為光伏太陽能電池或光伏電池，由多個太陽能電池經(jīng)過封裝而形成光伏太陽能電

3、池板（組件）。光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展最快的行業(yè)，是其它領(lǐng)域無法比擬的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是各個國家積極鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界有超過130個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中，其中有90多個國家正在大規(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā)，積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達到3436MW，較2006年增長56%，2008年全球太陽能電池產(chǎn)量高達6850MW，增速近100%。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池等。其中，硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。但由于在過去的幾年中，國際多晶硅現(xiàn)貨價格猛漲，

4、一度從2005年的35美元公斤攀升至2008年的480美元公斤，因此價格低廉的薄膜電池得到了迅速的發(fā)展。薄膜太陽能電池是在廉價的玻璃、不銹鋼或塑料襯底上附上厚度只有幾微米的感光材料制成。與硅基太陽能電池相比，薄膜太陽能電池具有用材少、重量輕、外表光滑、安裝方便等優(yōu)點。目前已經(jīng)能進行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種：非晶體硅（a-Si）太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池(CIGS)、碲化鎘薄膜太陽能電池(CdTe)。2007年光伏電池分類(按原材料)及市場份額各類薄膜太陽能電池性能比較非晶硅碲化鎘銅銦鎵硒光電轉(zhuǎn)換效率6-7%8-10%10-11%光伏組件效率6-78-1010-11受光面積m

5、2/KWp151110制造能耗低低低制造成本低中中資源豐富度豐富較貧乏較貧乏運行可靠程度中較高較高污染程度小中中目前非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和碲化鎘（CdTe）電池己商業(yè)化，染料敏化納米晶電池也有少量市場份額。而碲化鎘（CdTe）電池中的碲為稀少元素之一，擴大產(chǎn)能將面臨上游原料缺乏的危機，且電池中的鎘為污染元素，未來在歐洲恐被納入環(huán)保管制標準內(nèi)。因此青島市薄膜太陽能電池以非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和染料敏化納米晶電池為發(fā)展方向。二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池20世紀70年代發(fā)展起來的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池，屬于多晶化合物半導(dǎo)體

6、異質(zhì)結(jié)太陽電池。是各種薄膜太陽電池中效率最高、最有發(fā)展前途的薄膜太陽電池之一，是最具潛力的光伏太陽能電池，是新一代太陽能電池的投資熱點。（一）國內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池研發(fā)情況日本和歐美在CIGS太陽電池的研究方面投入大量人力物力，并取得相當(dāng)快的進展。日本從1994年啟動CIGS產(chǎn)業(yè)化開發(fā)項目。由昭和殼牌石油和松下電器分別以濺射硒化工藝和共蒸發(fā)工藝為中心進行研發(fā)，研究開發(fā)總投資達到2OO億日元(相當(dāng)1 4億人民幣)以上；美國以國家再生能源實驗室（NREL）為中心進行研究，以GSE及Shell Solar為主進行產(chǎn)業(yè)開發(fā)；德國則以風(fēng)險投資型企業(yè)Wurth SoIar為主，由政府投入巨

7、資進行開發(fā)，開發(fā)總經(jīng)費都達到了數(shù)億美元。目前，世界上有8個公司(德國的Wurth Solar、美國的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌、德國的Sulfurcell、美國的Daystar、美國Ascent以及美國的Miasole)致力于CIGS薄膜光伏的商業(yè)化生產(chǎn)，其年產(chǎn)量為l20 MW(見下表)。2007年，世界CIGS薄膜光伏的產(chǎn)能約為42 MW在未來的23年將得到快速地發(fā)展。預(yù)計到2010年的產(chǎn)量將達到917 MW 。 CIGS薄膜光伏電池生產(chǎn)能力(2O07-2010年) 單位：MW序號地區(qū)公司2007產(chǎn)能增加產(chǎn)能20l0總產(chǎn)能1美國MiaSole550552美國Global

8、 Solar360633美國Dayster Trchnologies110114美國Acent225275美國Nanosolar4304306美國SoloPower20207美國ISET338美國Heliovolt20209日本Showa Shell20608010日本Honda3273011歐洲Wurth Solar3151812歐洲Sulfur Cells5513歐洲Aleo Solar303014歐洲Juhanna Solar Tech303015歐洲Solisbro303016歐洲Global Solar303017歐洲Avancies202018歐洲Scheuten Solar101

9、019歐洲Odersun55合計428759172001年以前，我國從事CIGS薄膜太陽能電池研究的單位極少，稍有影響的是天津南開大學(xué)光電子所和清華大學(xué)機械工程系功能薄膜研究室。之后北京大學(xué)重離子實驗室、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系、中國科技大學(xué)等也開始開展了銅銦硒（C I S）系太陽能電池的研究。（二）技術(shù)壁壘典型的CIGS柔性薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)上圖所示，由柔性襯底、下電極、吸收層、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極構(gòu)成的。CIGS柔性薄膜太陽電池制備工藝的關(guān)鍵點在于吸收層的制備，而襯底材料的選擇、底電極、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極的制備對太陽電池的性能影響也很重要。根據(jù)我市的具體情況，CIG

10、S太陽電池存在以下技術(shù)壁壘：1、材料：CIGS合金制材料研制不易；2、工藝：CIGS吸收層工藝簡化、防護層與吸收層及窗口層晶界配合、貧銅及薄膜太陽能帶隙雙梯度的研究；3、設(shè)備：自動連續(xù)電子束重發(fā)臺、高刻劃精度激光設(shè)備研制、可刻劃圖像的激光設(shè)備研制；（三）研發(fā)需求針對以上存在的技術(shù)壁壘，需開展以下技術(shù)攻關(guān)：1、材料：開展CIGS合金靶材研制、高純、（）氣體研制、合金靶材研制、合金靶材研制、合金靶材研制、及合金靶材研制和可刻畫圖像的激光設(shè)備研制；2、工藝：CIGS合金靶材研制、CIGS薄膜太陽能電池、吸收層核心工藝研發(fā)、疊層CIGS吸收層工藝研發(fā)、柔性襯底疊層吸收層工藝研發(fā)、無鎢絲型離子源研制、高

11、刻畫圖像的激光設(shè)備研制；3、設(shè)備；電子束蒸發(fā)臺設(shè)備研制、柔性襯底自動鍍膜設(shè)備研制、智能型逆變器研制（四）資源狀況提供技術(shù)支撐的院校和研究院所有：中國海洋大學(xué)、青島科技大學(xué)、生物能源與過程研究所、腐蝕與防護研究所。企業(yè)有：青島昌盛日電科技有限公司（銅錮鎵硒）、青島昌盛日電設(shè)備有限公司、青島正翔半導(dǎo)體材料有限公司、青島天源氣體有限公司（提供高純、（）氣體）、青島新正鋰業(yè)公司（蓄電池）、青島浮法玻璃公司（提供鈉石灰玻璃）。（五）人才團隊初步調(diào)研，我市已有足夠的人才來發(fā)展CIGS的薄膜太陽能電池事業(yè)，若能提供更好的政策，讓人才能安心的在青島發(fā)展，相信太陽能事業(yè)必能得到良好的發(fā)展。（六）技術(shù)路線圖三、非

12、晶硅(a-si)薄膜太陽能電池非晶硅太陽電池是20世紀70年代中期才發(fā)展起來的一種新型薄膜太陽電池。非晶硅太陽電池的發(fā)展對整個光伏電池的發(fā)展起了巨大的推動作用，并成為光伏能源中的一支生力軍。因光誘導(dǎo)衰減影響，非晶硅電池的效率隨時間增加而逐漸降低(SW效應(yīng))，其發(fā)展速度逐漸放緩。（一）非晶硅薄膜電池的特點非晶硅太陽能電池具有以下優(yōu)點：1、非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)，比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1m厚）就能吸收90%有用的太陽能。這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。2、非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，開路電壓相對較高。3、制備非晶

13、硅的工藝和設(shè)備簡單，淀積溫度低，時間短，適用大批生產(chǎn)。4、非晶硅幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價的玻璃襯底，易于實現(xiàn)大面積化。5、制備非晶硅太陽能電池能耗少，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短得多。上述獨特的技術(shù)優(yōu)勢，使得非晶硅(a-si)薄膜電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽能照明光源。由于非晶硅薄膜電池的良好前景，許多企業(yè)正大規(guī)模進入非晶硅薄膜太陽能電池領(lǐng)域。國內(nèi)主要非晶硅薄膜電池生產(chǎn)廠家詳見下表。表 國內(nèi)主要非晶硅薄膜電池廠家與技術(shù)來源廠家類型技術(shù)來源生產(chǎn)能力電池生產(chǎn)廠家天津津能非晶硅匈牙利廊坊新奧非晶硅微晶硅美國40保定天威非晶硅瑞士40南陽宏威非

14、晶硅東莞宏威數(shù)碼30威海中玻非晶硅匈牙利10杭州正泰非晶硅微晶硅瑞士40杭州天宇非晶硅日本25蚌埠普樂非晶硅自有技術(shù)20南通強生非晶硅自有技術(shù)上海尚德非晶硅美國40南昌百世德非晶硅微晶硅美國40泉州金太陽非晶硅北儀30深圳拓日非晶硅自有技術(shù)20深圳創(chuàng)益非晶硅自有技術(shù)20深圳宇光非晶硅自有技術(shù)5深圳杜邦非晶硅日本25中山銓欣非晶硅北儀10設(shè)備制造商北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司東莞宏威數(shù)碼機械有限公司深圳宇光高科新能源技術(shù)有限公司（二）技術(shù)壁壘非晶硅薄膜電池有兩個致命缺點：一是不穩(wěn)定，壽命短。在光的不斷照射下會發(fā)生光致衰減效應(yīng)（即Staebler-Wronski效應(yīng)，簡稱S-W效應(yīng))，光電轉(zhuǎn)化

15、效率會下降到原來的25。二是它的光電轉(zhuǎn)化效率遠比晶體硅低，最近面世的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)提高到18%，而非晶硅的光電轉(zhuǎn)化效率一直沒有超過10%。解決非晶硅薄膜電池穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率的關(guān)鍵分材料、工藝、設(shè)備三個方面。材料方面主要瓶頸在于非晶與晶體的摻混比例、化學(xué)計量的摻雜非晶硅、高性能透明導(dǎo)電層的研制等；工藝方面，我國尚不具備成套組件的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)工藝需要自國外引進；設(shè)備方面需要解決設(shè)備集成技術(shù)、真空傳遞機械手、生產(chǎn)設(shè)備（如：在線檢測設(shè)備、高質(zhì)量pecvd、鍍膜、光刻、封裝切割設(shè)備）等的國產(chǎn)化生產(chǎn)。（三）研發(fā)需求1、電池材料（1）高效低成本硅薄膜材料：研究非晶與晶體的摻混比例，進一步降低非

16、晶硅薄膜電池的成本，對非晶硅薄膜電池的發(fā)展具有重大意義。（2）寬光譜光電轉(zhuǎn)換多帶隙材料的研制研究兩類納米材料。一類是禁帶中具有中間帶的納米材料。第二類是納米多層膜，研究多帶隙納米Si、ZnSe、CdTe、CdSe等材料和全光譜多層膜的制備方法。2、高轉(zhuǎn)換效率技術(shù)3、工藝與設(shè)備工藝方面將研究膜層厚度的優(yōu)化和摻雜工藝的優(yōu)化；設(shè)備則進行核心設(shè)備國產(chǎn)化研究、大面積鍍膜設(shè)備的開發(fā)集成和真空傳遞機械手的控制研究。（四）技術(shù)路線圖四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽能電池染料敏化薄膜太陽能電池自瑞士洛桑高等理工學(xué)院Gratzel M教授在1991年取得突破性進展以來，得到國際上廣泛關(guān)注和重視，其廉價的生產(chǎn)成本和

17、易于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)、較短的能量回收周期以及廣闊的應(yīng)用前景，被認為是太陽能電池走向大規(guī)模應(yīng)用的先導(dǎo)，吸引了眾多科學(xué)家與企業(yè)進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。國外產(chǎn)業(yè)化剛剛開始，現(xiàn)在僅英國和澳大利亞的兩家公司宣傳已經(jīng)成功將其產(chǎn)業(yè)化，我國目前雖尚未產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已日益成熟。中國科學(xué)院化學(xué)所、等離子體所等單位正在與一些企業(yè)合作，進行產(chǎn)業(yè)化的演示，現(xiàn)在大面積轉(zhuǎn)換效率為6，具備實用化的基本條件，但效率和穩(wěn)定性還需進一步考驗。（一）染料敏化薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理染料敏化薄膜太陽能電池與傳統(tǒng)硅太陽電池原理不同，其工作原理是當(dāng)入射光照射到電極上時，染料分子吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，釋放的電子快速注入

18、到緊鄰的TiO2的導(dǎo)帶上，進入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。被氧化了的染料分子通過電解液擴散過來的I-還原回到基態(tài)，使染料分子得到再生，I-被氧化成I3-；同時電解質(zhì)中的I3-擴散回到對電極被電子還原成I-。然后DSSC電池在光作用下將進行下一個循環(huán)。（二）染料敏化薄膜太陽能電池的前景與傳統(tǒng)的硅系太陽電池相比，染料敏化薄膜太陽能電池有良好的優(yōu)勢：第一，制備工藝簡單，成本低。與硅系太陽電池相比，染料敏化電池沒有復(fù)雜的制備工序，也不需要昂貴的原材料，產(chǎn)業(yè)鏈不長，容易實現(xiàn)成本低的商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)估計DSSC太陽電池的制造成本只有硅系太陽電池的1/101/5。第二，對環(huán)境

19、危害小。在硅電池制造中，所用的原料四氟化碳是有毒的，且需要高溫和高真空，同時這一過程中需要耗費很多的能源；而DSSC電池所用的二氧化鈦是無毒的，對環(huán)境沒有危害不存在回收問題。第三，效率轉(zhuǎn)換方面基本上不受溫度影響，而傳統(tǒng)晶體硅太陽電池的性能隨溫度升高而下降。第四，光的利用效率高，對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光。DSSC太陽電池雖然有光明的前景，但其研究仍在起步階段，還有較多難以克服的缺陷使其不能被廣泛應(yīng)用。DSSC目前研究較有成果的是液態(tài)電解質(zhì)電池，但這種電池存在一系列問題，如容易導(dǎo)致染料的脫附，容易揮發(fā)給密封性帶來問題，含碘的液態(tài)電解質(zhì)具有腐蝕性，且本身存在不逆反應(yīng)導(dǎo)致電池壽命縮短。解決這個問題的辦法就是研制固態(tài)染料敏化電池，但目前這種固態(tài)電池的仍處于研究階段，光電轉(zhuǎn)換效率很低。（三）技術(shù)壁壘染料敏化太陽能電池目前比較成熟的染料光敏化劑是金屬釕配合物，該染料不但具有很寬的可見光吸收區(qū)域，而且使用壽命很長，滿足應(yīng)用于光電池的基本條件。但是核心的釕染料價格昂貴，我國目前尚無自主知識產(chǎn)權(quán)，這也直接制約到染料敏化薄膜太陽能電池的進一步低價格推廣。有機空穴傳輸材料作為染料敏化太陽能電池的全固態(tài)電解質(zhì)，研究十分活躍，但由于納米多孔膜存在孔徑大小、分布和形貌等許多復(fù)雜因素