太陽能電池費用接近于普通電能

1、太陽能電池費用接近于普通電能幾種光伏技術(shù)制作方法的進展正在降低制造商品化光伏組件的成本，同時也創(chuàng)造了光伏光電池效率的新記錄。光伏光電池組件本身相對于它所產(chǎn)生的電能必須低成本。正如許多商業(yè)化生產(chǎn)制造商正在擴大他們的產(chǎn)量一樣，制造技術(shù)的推進已使美國主要制造商的光伏組件成本降低了約三分之一。但單靠實驗室的研究并不能進行經(jīng)濟合算的太陽能發(fā)電。由于光伏光電池可用各自方法制造，幾乎不存在普適性的制造方法。所用材料也有好幾類，但所有光伏光電池基本上都是大面積的p-n 結(jié)光電二極管。本文討論商業(yè)化生產(chǎn)中的普遍問題及每類光電池的制造技術(shù)。光伏制造技術(shù)項目（PVM aT） 是美國政府和工業(yè)界共同承擔(dān)費用的項目，針

2、對商業(yè)化光伏公司和預(yù)商業(yè)化光伏公司制造中存在的問題。PVM aT 項目由能源部投資和國家能量更新實驗室（NREL）運行。圖1制造能力和每瓦平均制造成本的比較， 以美國12 家制造商1996 年的實際數(shù)據(jù)和到2003 年估計為基礎(chǔ)。各制造商的生產(chǎn)能力正在增長實驗室項目經(jīng)理E.Witt說，美國五個主要光伏制造商中的四個以及8個較小制造商都與PVM aT 項目有關(guān)。本項目的制造商制作一個光伏組件的平均成本已降低1/3，最高輸出時為每瓦3 美元，而所有涉及公司的總制造能力已比過去3 年翻一番。光伏工廠的年生產(chǎn)能力以一年所制作的所有組件和光電池提供的最大功率W p計算。制造商確信，成本還可進一步下降，市

3、場將繼續(xù)發(fā)展。1999 年底， 參加者預(yù)期，他們的平均成本將為1.79 美元/W p ，生產(chǎn)能力將提高187.4MW ，為1996 年全世界生產(chǎn)能力的2 倍以上（見圖1）普通生產(chǎn)問題單晶硅片是一種成熟技術(shù)， 并繼續(xù)占據(jù)市場優(yōu)勢， 其次是用澆鑄法或條帶生長法制作的多晶硅（圖2）。其它商品化光伏光電池用非晶硅薄膜或碲化鎘（CdTe）薄膜制作。有些晶態(tài)硅電池專供太陽能收集器組件使用。A stropower 公司跨在體塊材料和薄膜材料間， 在低成本襯底上生長較厚的多晶硅厚膜。圖21996 年全世界生產(chǎn)的光伏光電池和組件總計為88.6MW。其中53.4% 為單晶硅，27% 為多晶硅，13.2% 為無定形

4、硅，3.4%是帶形多晶硅，1.8% 是碲化鎘（其中3/4是用于室內(nèi)，如計算器中），0.8% 是結(jié)晶硅，用于集光器組件，0.3% 是低成本襯底上的硅每種晶片材料都需用不同處理技術(shù)，但所有類型的光伏光電池組件都要使材料費用最低。雖然組件的生產(chǎn)效率始終低于單個優(yōu)質(zhì)光電池，各類組件必然存在效率降低的問題， 防止電池不受環(huán)境影響的包封必須做得很牢，以便有效應(yīng)用和長壽命。光電池之間以及光電池到連接盒之間的電連接也必然要化一些勞力。材料晶體系統(tǒng)公司總經(jīng)理F. Schmid 說，對于單晶和多晶光電池，硅片約占組件費用的三分之一。研究薄膜硅的部分動力是它只使用幾微米厚的硅層而不使用幾百微米厚的獨立式硅片。如果光

5、伏光電池制造商不需使用半導(dǎo)體級硅作初始材料，也可實現(xiàn)成本的某些節(jié)省。半導(dǎo)體級硅不僅價格昂貴， 純度也比光伏應(yīng)用所需的高1000 倍。較低級的冶金級硅為99% 純度，所含雜質(zhì)約比光伏光電池多1000倍。Schmid 說，最近，存在生產(chǎn)太陽能電池級硅的要求，這種硅可能比半導(dǎo)體原料便宜。Schmid 說，產(chǎn)業(yè)界每年需要10 萬噸左右較低價格和添加較多雜質(zhì)后光伏效率不致下降的供貨。為澆鑄多晶硅制作提供爐子的晶體系統(tǒng)公司已建議用他的爐子工藝來生產(chǎn)這種級別的硅。除光伏材料的成本費用外，組件框架成本也很可觀，少數(shù)公司正在試驗無框架組件。麻省埃佛格林太陽公司正在開發(fā)使用聚合物框架的組件，這種框架可作為封裝工藝

6、的一部分通過加熱而形成到組件上。公司B.Kanzer 說，鋁框架是組件第二昂貴的部件，使用一種與發(fā)展中聚合物框架相同材料制成的新型仿鞣式織物可比普通后部聚合物Tedlar 更厚更堅韌。這種試驗性聚合物框架比典型鋁框架更輕和更薄。它包括背部的鋁安裝橫條。研制者預(yù)計， 無框架組件可使組件制作和安裝成本節(jié)省0.5美元/W。相互連結(jié)為了提高輸出電壓，各光電池串聯(lián)式連接。在晶態(tài)光電池中，導(dǎo)電接片把光電池上部的接觸條附到下一個光電池的金屬化底部。在做這一步之前，每一光電池并不附著另一個， 因此，這步工藝需要對光電池作對準(zhǔn)和使導(dǎo)線相連，這是一個復(fù)雜的工藝。對準(zhǔn)調(diào)整和接片機械已使這個過程部分自動化，正在開發(fā)把

7、所有接觸都安排在一側(cè)的光電池結(jié)構(gòu)的研究，這將使相互連接工藝大為簡化，使連接操作成為一種平面工藝而不是三維工藝。光電池相互連接是薄膜光電池可以勝過晶態(tài)光電池的另一生產(chǎn)技術(shù)：薄膜光電池通過把淀積在大面積上的薄膜劃分成段而制成，雖然它仍需要進行相互連接，但薄膜光電池已經(jīng)集成。封裝除了光電池實用材料的壽命外，組件壽命大多還與其它因素有關(guān)。Kanzer 指出，材料可以持續(xù)很久，那就是金屬化和封裝。晶態(tài)組件的金屬接片最后是氧化和腐蝕。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝聚合物乙基乙烯酸酯（EVA）經(jīng)高溫和紫外輻照后變成黃色和褐色。EVA 的替代物正在國家能量更新實驗室、幾家光伏光電池制造商和聚合物公司中研究。理想封裝物應(yīng)當(dāng)能像E

8、VA 那樣進行處理，而費用和光學(xué)質(zhì)量差不多，但要求在2030 年時間里不太變黃。晶態(tài)硅的類型單晶硅為了制作光電池，要用恰克拉斯基法生長出毛坯，并切割成晶片，然后通過形成結(jié)的方法進行制作，鍍上增透膜，再加上前（指條和母條）、后（面）接觸。由于晶片是圓的， 拋光組件在晶片之間有很多空隙，有些晶片材料因晶片做成方形而浪費掉。然而，恰克拉斯基法的優(yōu)點在于生長工藝的成熟，因此，半導(dǎo)體晶片生長者也可利用。世界最大的光伏光電池生產(chǎn)商是單晶硅制造商西門子太陽能公司（在加州的卡馬里奧）。1996 年，西門子生產(chǎn)了世界產(chǎn)量的約26%。E.Witt 報導(dǎo)說，由于有了光伏制造技術(shù)項目計劃的支持，西門子可使它的單晶硅組

9、件成本降低50% 以上，同時使它在美國的制作能力翻一番。其中的改進是自動化和改變毛坯鋸成晶片的方法。采用絲鋸法可把1 英寸厚的毛坯片鋸成45片晶片。多晶澆鑄硅熔融硅熔化后再慢慢（在坩堝或模具內(nèi)）冷卻成矩形大顆粒半結(jié)晶鑄錠，然后切成晶片。這種生長方法比單晶生長隨便些，并且矩形晶片解決了晶片和組件的包裝匹配問題，留下較小空隙。制造商Solarex 通過使組件裝配自動化（在不增加工人情況使產(chǎn)量翻番）、減小晶片厚度、改變光電池背面的接觸提高了效率，并在光伏制造技術(shù)計劃的幫助下增大了鑄錠尺寸。增大鑄錠尺寸可在較小切割下暴露出較大面積。晶體公司銷售的自動熱交換爐，可以生產(chǎn)大至200 kg（約450 磅）的

10、澆鑄多晶鑄錠。Schmid 指出，多絲劃片技術(shù)減少了劃片期間材料的損耗量。帶形多晶硅晶片割鋸導(dǎo)致硅以鋸末形式的消耗。帶形生長法由于以單獨帶狀形式生長硅而避免了割鋸問題，然后將此帶切割成可操作尺寸，做成光電池。美國ASE 公司采用邊緣限制饋膜生長（EFG）法，模具在氬氣氛下在熔融硅中提拉。公司用8 邊形模具制作15 英寸的8邊形多晶硅管，壁厚約為300 mm。整根管子生長時間只化4 h，可以做360 個10 cm ×10cm 的光電池襯底。埃佛格林太陽公司也制作帶狀多晶硅片，但帶片是在兩根通過熔融硅的高溫繩之間形成。國家能量更新公司的光伏光電池項目經(jīng)理T. Surek認(rèn)為，該公司工藝“

11、非常振奮人心”。薄膜多晶硅避免鋸鑄錠的另一方法是把硅淀積到襯底上。A stropower 公司制作了較厚的多晶硅薄膜。國家能量更新實驗公司薄膜合作經(jīng)理K. Zweibel 說，這個方法提供了低成本材料的薄膜。試驗廠在軟性襯底上制作了15 cm寬的材料片。形成p-n 結(jié)的多晶生長和n 型摻雜都是連續(xù)性工藝。光電池尺寸不受鑄錠尺寸的限制（澆鑄或單晶技術(shù)則不然），公司已演示了尺寸為30 cm ×60 cm 的光電池，公司認(rèn)為，這是世界上最大的光伏光電池。薄膜Zweibel 說，薄膜有些方面還有待驗證。雖然薄膜是作為晶態(tài)硅的較廉價替代方法而發(fā)展，但在商業(yè)上還沒有得到證明。薄膜淀積在很大面積上

12、，然后割開。透明氧化物導(dǎo)體可用作前表面接觸。雖然薄膜已發(fā)展幾年了，但由于制造方面的問題，它們還沒有像預(yù)期那樣快速商業(yè)化。Zweibel 還說，薄膜光伏組件的目標(biāo)是在所有方面與晶態(tài)光伏光電池競爭。Surek 說，從論文情況看， 所有大規(guī)模制造的薄膜看來都有希望，它們甚至可使成本降到每瓦1 美元以內(nèi)。非晶硅薄膜然而，1997 年已有三個廠走向聯(lián)機，薄膜非晶硅已進入市場。單單這三個廠每年就提供1996 年全世界硅-氫合金光電池總產(chǎn)量2 倍多的組件。Solarex 公司弗吉尼亞廠躍增了10 MW ，日本佳能公司建立了一個10MW 工廠，密執(zhí)安州聯(lián)合太陽能系統(tǒng)公司已建立了一個5MW 工廠， 生產(chǎn)柔軟襯底

13、的光電池。Zweibel 告誡說，制造才剛剛開始，還沒有最佳化。雖然他沒有預(yù)言硅光電池將壓倒光伏光電池市場，但他確實預(yù)言了今后510 年制造方面的改進。聯(lián)合太陽能系統(tǒng)公司是佳能和能量轉(zhuǎn)換器公司的合資企業(yè)，正在制作可作為屋面瓦蓋材料使用的非晶硅組件。組件不是玻璃作陣面，而是由EVA 和Tefgel 聚合物作蓋面并襯有不銹鋼襯底。制造廠采用逐卷連續(xù)淀積工藝， 把9 層薄膜淀積在35 cm 寬、762 m長的襯底上。公司已發(fā)展了一種用于100MW 工廠的設(shè)計構(gòu)思。碲化鎘薄膜用p 型摻雜CdTe 層上n 型硫化鎘（CdS） 層制作的光伏光電池是一種高風(fēng)險高潛能技術(shù)。Zweibel 說，這種技術(shù)最有希望突破，如果行之有效，一夜之間就可使成本降低50% ， 這是相當(dāng)罕見的。俄亥俄州太陽能光電池公司制作了效率9% 的組件，現(xiàn)在的成本是小于100 美元/m