薄膜光伏技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題

1、薄膜光伏技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題作者：Harin S. Ullal, Bolko von Roedern, National Center for Photovoltaics, National Renewable Energy Laboratory薄膜光伏在美國(guó)的市場(chǎng)占有率持續(xù)快速上升，已從2003年的10%升至2006年的44%。預(yù)計(jì)到2010年全世界薄膜光伏4小，圖1.美國(guó)歷年薄膜 光伏產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)占有率。產(chǎn)能將大于3700MW。德國(guó)的薩克森州目前在正在建設(shè)一個(gè)40MW的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能 電池廠，耗資1.3億歐元，相當(dāng)于整個(gè)光伏系統(tǒng)的平均建設(shè)費(fèi)為3.25歐元/W。這創(chuàng)造了 世界已建光伏系統(tǒng)的最

2、低價(jià)格。有關(guān)薄膜CIGS和CdTe關(guān)鍵問(wèn)題的研究、開(kāi)發(fā)及技術(shù)問(wèn) 題的解決仍在進(jìn)展中。在過(guò)去幾年內(nèi)，隨著基于銅鋼鎵硒（CIGS）和碑化鎘（CdTe）的薄膜光伏技術(shù)繼續(xù) 進(jìn)入各種應(yīng)用市場(chǎng)，光伏技術(shù)取得了重大的突破。2006年全世界薄膜光伏市場(chǎng)占有率低于 6%。然而，美國(guó)的薄膜光伏市場(chǎng)占有率持續(xù)快速增長(zhǎng)，據(jù)報(bào)道在2006年已超過(guò)44%1 （圖1）。實(shí)現(xiàn)這一成功的主要原因是由位于俄亥俄州Perrysburg的First Solar 公司， 其制造能力表現(xiàn)出咄咄逼人的增長(zhǎng)前景。在o-Si方面，位于密歇根州Auburn Hills市的 Uni-Solar 公圖2. First Solar公司在美國(guó)的90M

3、W薄膜 生產(chǎn)廠。司繼續(xù)在美國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位。兩家公司2006年的報(bào)告都顯示出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，2007年預(yù)計(jì) 會(huì)更好。我們將CIGS薄膜和CdTe薄膜的研究、開(kāi)發(fā)及技術(shù)問(wèn)題歸結(jié)為生產(chǎn)規(guī)模增至數(shù)千瓦 而帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題。僅就CIGS薄膜的吸收層而言，目前世界各地就有約10個(gè)沉積工藝正 在開(kāi)發(fā)中。急需對(duì)吸收層的沉積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才有助于薄膜光伏產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，以及降低產(chǎn)品模塊的單位成本。對(duì)于CdTe薄膜而言，穩(wěn)定的背面接觸為研究人員提供了一個(gè) 制造更加可靠的薄膜光伏產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。大量采用薄膜光伏技術(shù)的應(yīng)用正在開(kāi)展，包括建筑一體化光伏（BIPV），屋頂應(yīng)用， 以及工具尺度應(yīng)用。薄膜光伏的商業(yè)化美國(guó)及世界范圍

4、內(nèi)的幾家薄膜光伏公司正在積極地參與a-Si、CIGS及CdTe薄膜光伏技術(shù)的擴(kuò)大化及商業(yè)化。表1伏技術(shù)的擴(kuò)大化及商業(yè)化。表1總表1美國(guó)的薄膜PV公司結(jié)了眾多美國(guó)公司的關(guān)注領(lǐng)域。約有16家公司正在美國(guó)開(kāi)展a-Si及薄膜Si光伏產(chǎn)品的研發(fā)和商用。顯然，美國(guó)的領(lǐng) 導(dǎo)者是Uni-Solar公司，其2006年的安裝量為60MW。2007年又一個(gè)60MW即將上馬， 總計(jì)產(chǎn)能120MW。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）支持Uni-Solar公司進(jìn)行多結(jié)太 陽(yáng)能電池的技術(shù)開(kāi)發(fā)。應(yīng)用材料公司為單結(jié)及疊層a-Si/nano-Si太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)提供整 套方案。到目前為止，應(yīng)用材料公司已經(jīng)在世界各地完成了超過(guò)2

5、00MW的銷售，例如中 國(guó)、印度、德國(guó)、西班牙和臺(tái)灣地區(qū)。在美國(guó)，已有15家CIGS公司采用幾種沉積方法以 促進(jìn)薄膜CIGS吸收層的生長(zhǎng)。對(duì)這些新興公司而言，這既是機(jī)會(huì)，同時(shí)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。 最終，8家公司正在擴(kuò)大CdTe薄膜光伏技術(shù)的規(guī)模。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)irst Solar公司在所有薄膜光伏技術(shù)公司中全球銷量第一。他們?cè)诙砗ザ碇?的Perrysburg擁有超過(guò)90MW的裝機(jī)能力，能夠生產(chǎn)CdTe薄膜功率模塊（圖2）。公 司最近又在德國(guó)新建了一家具有120MW安裝產(chǎn)力的工廠。此外還將于2009年在馬來(lái)西 亞完成240MW的制造能力。到2009年全球總目標(biāo)約為450MW，將使其成為世界領(lǐng)先 的光伏圖3

6、.歷年CdTe薄膜的產(chǎn)能與成本縮減的趨勢(shì)。（來(lái)源：First Solar）公司之一。此外，NREL曾將首份轉(zhuǎn)包合同授予其前身公司一一俄亥俄州Solar Cells公司 以用于1991年CdTe薄膜太陽(yáng)能電池和模塊的技術(shù)開(kāi)發(fā)，并曾支持該公司進(jìn)行薄膜光伏產(chǎn)品商用性的技術(shù)開(kāi)發(fā)。圖 3 顯示了 First Solar 公司 CdTe 薄膜光伏模塊的制造成本。隨著經(jīng)營(yíng) 規(guī)模的擴(kuò)大可實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約，制造 成本已經(jīng)大幅度下降，從2004年的 2.94 美元/W（6MW）降至現(xiàn)在的 1.25 美元/W（90MW）2。由于成 產(chǎn)力、模塊效率以及成品率的提高， 預(yù)計(jì)到2012年生產(chǎn)成本將降低到 0.70 美元/W

7、，因此這將使太陽(yáng)能技 術(shù)獲得對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)。光伏產(chǎn)品商用性的技術(shù)開(kāi)發(fā)。圍在每年5至27MW之間。同時(shí)，表2用于CIGS沉積的方法全球有5家公司目前可提供商用CIGS薄膜光伏產(chǎn)品：Wurth Solar（德國(guó)）、Global Solar 圍在每年5至27MW之間。同時(shí)，表2用于CIGS沉積的方法正積極開(kāi)發(fā)CIGS薄膜光伏技術(shù)。這些公司采用大約10種不同的沉積方法來(lái)生長(zhǎng)薄的 CIGS吸收層，如表2所示。商用產(chǎn)品的吸收層通常采用共蒸發(fā)或像硒化后濺射沉積前驅(qū)體 兩步的工藝。所有的公司都通過(guò)采用濺射鉬來(lái)作為背面接觸，并且大多數(shù)采用濺射或化學(xué) 氣相沉積ZnO鋅作為正面接觸技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題盡管新

8、興公司全力研發(fā)薄膜光伏技術(shù)，但幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)仍待解決。對(duì)于CIGS薄膜光 伏技術(shù)而言，在開(kāi)發(fā)低成本高可靠性產(chǎn)品時(shí)，下面六類問(wèn)題是至關(guān)重要的：用于生長(zhǎng)CIGS吸收膜設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。更高的模塊效率。防止水氣進(jìn)入柔性CIGS模塊中。用替換工藝沉積柱狀的CIGS結(jié)構(gòu)，用于高效單元及模塊。更薄的吸收層（1pm）0大面積CIGS吸收膜的化學(xué)成分控制及均一性。而對(duì)于CdTe薄膜技術(shù)，圖 4.由 First Solar 和 JuwiSolar公司共同在德國(guó)薩克森州安裝40MW CdTe薄膜太陽(yáng)能電池場(chǎng)，將于2009 年初完工。包括以下五項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題：用于沉積吸收層設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。更高的模塊效率。背面接觸的可靠性。降低

9、吸收層厚度（1pm）0大面積內(nèi)均一性的控制。應(yīng)用及產(chǎn)能隨著薄膜光伏技術(shù)的成熟，新安裝的太陽(yáng)能電池陣列在規(guī)模上將越來(lái)越大。First Solar 公司與德國(guó)的J uwi Solar公司共同在德國(guó)薩克森州安裝了一個(gè)40MW CdTe薄膜太陽(yáng)能 電池場(chǎng)。圖4是正在建設(shè)中的工程，預(yù)計(jì)2009年初完工。到目前為止，已安裝了 6MW的 太陽(yáng)能電池場(chǎng)。當(dāng)完工時(shí)，這將成為世界上最大的太陽(yáng)能電池場(chǎng)之一。工程總價(jià)值1.3億 歐元。因此，新安裝的光伏系統(tǒng)價(jià)格為3.25馬克/W，也是世界上最低的光伏系統(tǒng)安裝價(jià) 格。圖5是日本本田公司在一棟建筑物上安裝CIGS薄膜的正面圖。該系統(tǒng)規(guī)模約為80kW。預(yù)計(jì)到2010年，薄膜

10、光伏技術(shù)的全球總產(chǎn)能將超過(guò)3700MW。預(yù)計(jì)美國(guó)將會(huì)達(dá)到1127MW，日本 1312MW，歐洲 793MW，亞洲 472MW。圖5.日本本田公司的建筑一體化CIGS薄膜的正面圖。最近的一個(gè)重大新聞：夏普公司最近宣布，將于2010年前在日本建成一個(gè)1000MW的薄 膜工廠。該項(xiàng)技術(shù)一一據(jù)推測(cè)可能是微形態(tài)多結(jié)太陽(yáng)能模塊一一將會(huì)顯著降低光伏的制造成 本，使其與傳統(tǒng)能源相比有潛在的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。總結(jié)與展望a-Si與CdTe薄膜光伏技術(shù)正在快速進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。多家CIGS薄膜公司也將功率模 塊推進(jìn)市場(chǎng)。在美國(guó)，2006年薄膜太陽(yáng)能的市場(chǎng)分額約為44%，2007年預(yù)計(jì)超過(guò)Si 的銷量。若這些薄膜光伏公司計(jì)劃進(jìn)入市場(chǎng)，則幾項(xiàng)關(guān)鍵的研究開(kāi)發(fā)及技術(shù)問(wèn)題有待解決。 根據(jù)薄膜光伏的全球產(chǎn)能規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2010年將超過(guò)3700MW，而First Solar公司全 球目標(biāo)是2009年達(dá)到450MW，夏普公司在2010年達(dá)到1000MW。因擴(kuò)大規(guī)模而降