太陽(yáng)能電池行業(yè)技術(shù)比較與分析

太陽(yáng)能電池行業(yè)技術(shù)比較與分析1.1不同類別太陽(yáng)能電池制造技術(shù)現(xiàn)狀太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)換主要采用太陽(yáng)能電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照大類劃分，目前太陽(yáng)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(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較高，原材料來(lái)源簡(jiǎn)單，是光伏電池的主流產(chǎn)品，在全球前10大太陽(yáng)能電池生產(chǎn)商中，有9家是以生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)能電池為主的。盡管晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)相對(duì)市場(chǎng)占有率有下降趨勢(shì)，但總體上多晶硅太陽(yáng)能電池在以年增長(zhǎng)率40%-50%的速度發(fā)展，未來(lái)市場(chǎng)相當(dāng)可觀。預(yù)計(jì)未來(lái)10年晶體硅太陽(yáng)能電池所占份額盡管會(huì)因薄膜電池的發(fā)展等原因而下降，但主導(dǎo)地位仍不會(huì)根本改變。薄膜電池近年來(lái)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(shí)，薄膜電池透光性好，對(duì)于光伏建筑一體化等領(lǐng)域更加實(shí)用。無(wú)論是對(duì)哪種太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展，主要都是解決以下幾個(gè)問(wèn)題：首先是上游原材料加工成本和能耗；其次是提高光電轉(zhuǎn)換效率；最后是運(yùn)用到光伏產(chǎn)業(yè)中的壽命和維護(hù)成本，簡(jiǎn)單概括就是：高效率、長(zhǎng)壽命、高可靠、低成本和零污染。不同類別的太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展也是圍繞這幾個(gè)目的的。1.1.1晶體硅電池技術(shù)現(xiàn)狀晶體硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展可劃分為三個(gè)階段，每一階段效率的提升都是因?yàn)樾录夹g(shù)的引入。1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人開(kāi)發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽(yáng)能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)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(gè)發(fā)展階段，背電場(chǎng)電池（BSF）技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，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(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達(dá)24.4%鈍化發(fā)射極和背面點(diǎn)接觸（PERL）電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實(shí)驗(yàn)室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來(lái)。1.1.1.1表面織構(gòu)減少入射光學(xué)損失是提高電池效率最直接方法。化學(xué)腐蝕工藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，也是行業(yè)內(nèi)最廣泛使用的技術(shù)，工藝門(mén)檻低、產(chǎn)量大；但絨面質(zhì)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(xué)廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（RIE）是最有發(fā)展前景的技術(shù)，它首先在硅片表面形成一層MASK（掩膜）再顯影出表面織構(gòu)模型，然后再利用反應(yīng)離子刻蝕方法制備表面織構(gòu)。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(shù)統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝與設(shè)備都可移植于IC工業(yè)，如果生產(chǎn)成本能夠進(jìn)一步降低可望取代化學(xué)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(gè)成功典范。1.1.1.2發(fā)射區(qū)擴(kuò)散PN結(jié)特性決定了太陽(yáng)能電池的性能。傳統(tǒng)工藝對(duì)太陽(yáng)能電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負(fù)載能力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過(guò)高導(dǎo)致擴(kuò)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(yīng)差。PN結(jié)技術(shù)是國(guó)際一流電池制造企業(yè)與國(guó)內(nèi)電池企業(yè)的主要技術(shù)差距。為了在提高電池的填充因子的同時(shí)避免表面“死層”，選擇性擴(kuò)散發(fā)射極電池技術(shù)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(shù)，其技術(shù)原理簡(jiǎn)單且通過(guò)現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，但如何降低制造成本是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)某些大公司對(duì)外宣傳的超過(guò)17.6%以上的高效電池其技術(shù)核心均來(lái)源于此，相信隨著配套裝備與輔助材料的及時(shí)解決近二年內(nèi)將會(huì)迅速普及與推廣。在制造工藝上采用氮?dú)鈹y帶三氯氧磷管式高溫?cái)U(kuò)散是目前主流生產(chǎn)技術(shù)，其特點(diǎn)是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡(jiǎn)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(zhì)濃度（表面方塊電阻80～120Ω／口、均勻性±3%以內(nèi)），減壓擴(kuò)散技術(shù)（LYDOP）優(yōu)勢(shì)非常明顯，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸汽壓、提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對(duì)156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量400片的情況下其擴(kuò)散均勻性仍優(yōu)于±3%，是高品質(zhì)擴(kuò)散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈?zhǔn)綌U(kuò)散設(shè)備不僅適應(yīng)Inline自動(dòng)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(kuò)散與絲網(wǎng)印刷磷漿料擴(kuò)散二種。在鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)上，BTU、SCHMID以及中電集團(tuán)第48所均已有長(zhǎng)時(shí)間的研究及工業(yè)化應(yīng)用，只要能在擴(kuò)散質(zhì)量上獲得突破其一定會(huì)取代目前管式擴(kuò)散成為主流生產(chǎn)裝備與技術(shù)。1.1.1.3去邊技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的周邊PN結(jié)去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法技術(shù)成熟、產(chǎn)量大，但存在過(guò)刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不僅影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而且導(dǎo)致電池片蹦邊、色差與缺角等不良率上升。激光開(kāi)槽隔離技術(shù)根據(jù)PN結(jié)深度而在硅片邊緣開(kāi)一物理隔離槽，但與國(guó)外情況相反，據(jù)國(guó)內(nèi)使用情況來(lái)看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術(shù)，因此該方法有待進(jìn)一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術(shù)——化學(xué)腐蝕去邊與背面腐蝕拋光技術(shù)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(yīng)。該方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)inline自動(dòng)化生產(chǎn)，不存在“鉆刻”與刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對(duì)穩(wěn)定，因此盡管配套設(shè)備昂貴但仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。1.1.1.4表面減反射膜生長(zhǎng)技術(shù)早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加對(duì)入射光的吸收，但該方法均需先單獨(dú)采用熱氧化方法生長(zhǎng)一層10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且對(duì)多晶效果不理想。SixNy膜層不僅減緩漿料中玻璃體對(duì)硅的腐蝕抑制Ag的擴(kuò)散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范圍更寬易于調(diào)節(jié)，而且致密的SixNy膜層是有害雜質(zhì)良好的阻擋層。同時(shí)生成的氫原子對(duì)硅片具有表面鈍化與體鈍化的雙重作用，可以很好地修復(fù)硅中的位錯(cuò)、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(shù)。雙層SiN減反射膜，通過(guò)控制各膜層中硅的富集率實(shí)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(zhǎng)一層10～30nmSiN膜以期最大限度對(duì)電池進(jìn)行鈍化與缺陷的修復(fù)從而提高電池的效率是目前的一個(gè)熱點(diǎn)課題，由于該技術(shù)牽涉到與后面的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、電極漿料技術(shù)及燒結(jié)工藝的配合目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，但它肯定是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。匹配封裝材料對(duì)光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的實(shí)際使用效果是光伏企業(yè)技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)。如何減少電磁波對(duì)電池表面PN結(jié)輻射損傷以及損傷的有效修復(fù)是該工藝的核心技術(shù)，處理不好往往導(dǎo)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(shù)絲網(wǎng)印刷技術(shù)是低成本太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要技術(shù)進(jìn)步與電極漿料及網(wǎng)版制版技術(shù)緊密相聯(lián)。電極漿料技術(shù)進(jìn)步是提升電池效率的捷徑，也是一些實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。根據(jù)電池表面擴(kuò)散薄層方塊電阻、擴(kuò)散結(jié)深以及表面減反射膜厚度與密度等開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的漿料已經(jīng)成為國(guó)際一流光伏企業(yè)領(lǐng)先同行的一個(gè)有力武器：如摻P的正銀漿料實(shí)現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術(shù)；向漿料中添加添加劑實(shí)現(xiàn)80～100um細(xì)柵技術(shù)；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(shè)備制造廠商與電池制造企業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。設(shè)備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應(yīng)120um厚度硅片的全自動(dòng)印刷設(shè)備。1.1.1.6晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)中存在的問(wèn)題工藝方面：盡管晶體硅太陽(yáng)能電池制造是一個(gè)短工藝生產(chǎn)流程，光伏技術(shù)與檢測(cè)手段也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但太陽(yáng)能電池工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無(wú)法從電池的不合理電參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確判斷問(wèn)題具體所在，對(duì)每一工序質(zhì)量也還沒(méi)有完全行之有效的檢測(cè)方法與手段，在線檢測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)落后于工藝技術(shù)的發(fā)展。設(shè)備方面：目前國(guó)內(nèi)外各制造廠商設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致上下道工序之間無(wú)法有效銜接，導(dǎo)致較大的時(shí)間與資源浪費(fèi)，物化新工藝的裝備滯后于市場(chǎng)的發(fā)展。原材料方面：原材料市場(chǎng)特別是硅片質(zhì)量良莠不齊，許多企業(yè)缺乏自律性，導(dǎo)致我國(guó)光伏產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng)一權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入制度。1.1.2薄膜電池技術(shù)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(shù)。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(shù)都有一個(gè)共同點(diǎn)，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(diǎn)是其轉(zhuǎn)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(lái)市場(chǎng)空間巨大，在BIPV等應(yīng)用需求推動(dòng)下將迅猛發(fā)展。此外，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，薄膜太陽(yáng)能電池成本快速下降，有望先于晶體硅電池實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。下面將分別討論三種不同薄膜太陽(yáng)能電池的技術(shù)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(shù)。非晶硅材料的原子排列無(wú)序，沒(méi)有形成晶體結(jié)構(gòu)，包含大量的結(jié)構(gòu)性和連接缺點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)不均一，晶帶寬度為1.1~1.7eV，因此非晶硅在光譜的可見(jiàn)區(qū)，比晶體硅有更高的光學(xué)吸收系數(shù)，可以有更薄的結(jié)構(gòu)，甚至可以低于1微米。電池元件中非晶硅層的生長(zhǎng)一般通過(guò)PECVD實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)允許大面積的生長(zhǎng)（最高達(dá)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(zhǎng)，這樣就允許在玻璃甚至不銹鋼以及塑料等聚合體上生長(zhǎng)而不損壞基板。使用柔性基板就可以實(shí)現(xiàn)電池組件與各種建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)。但是，PECVD設(shè)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(shì)就是僅需要很薄一層非晶硅，降低了原材料的用量進(jìn)而降低了生產(chǎn)成本。低原材料消耗結(jié)合相對(duì)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(diǎn)是其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率為6-8%。非晶硅電池的制造商包括美國(guó)的UnitedSolar，德國(guó)的ShottSolar和ErsolSolar，目前國(guó)內(nèi)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(rèn)為是太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室中碲化鎘薄膜電池可以實(shí)現(xiàn)16%的轉(zhuǎn)換效率，商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的電池組件轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10%已經(jīng)獲得驗(yàn)證。相比其他薄膜電池，碲化鎘薄膜電池?fù)碛幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）CdTe容易在基板上生長(zhǎng)，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。高度自動(dòng)化生產(chǎn)工藝已經(jīng)成功使用。（2）CdTe電池與傳統(tǒng)半導(dǎo)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(duì)多的電能。在陰天、拂曉或者傍晚，半導(dǎo)體材料在轉(zhuǎn)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?fù)碛袔缀跷账锌梢?jiàn)光的能帶隙。能帶隙能量幾乎達(dá)到了單結(jié)電池的最優(yōu)值，同時(shí)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(yùn)行時(shí)，這些電池組件不會(huì)產(chǎn)生污染物。但是，使用CdTe技術(shù)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(huì)釋放到大氣層。目前，F(xiàn)irstSolar是CdTe薄膜電池市場(chǎng)的主導(dǎo)者，其生產(chǎn)成本已經(jīng)達(dá)到1美元/瓦以下，在德國(guó)等光照時(shí)間較短的國(guó)家和地區(qū)有著廣泛的市場(chǎng)。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(jiàn)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(yáng)光譜，改善光伏電池的電壓和效率。CIGS電池在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到19%的轉(zhuǎn)換率，遠(yuǎn)高于其他薄膜電池。CIGS也能通過(guò)環(huán)保和廢品處理要求。CIGS的轉(zhuǎn)換效率非常穩(wěn)定，性能長(zhǎng)時(shí)間不減退。地球表層銦的儲(chǔ)量跟銀差不多，因?yàn)檩^為稀缺，銦的價(jià)格波動(dòng)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(zhēng)奪銦材料令人擔(dān)憂。當(dāng)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(guò)退役電池組件的循環(huán)利用來(lái)獲得。在穩(wěn)定性上，CIS/CIGS不會(huì)出現(xiàn)光致衰退現(xiàn)象，通常在運(yùn)行的第一小時(shí)轉(zhuǎn)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(wèn)題。CIS和CIGS電池的生產(chǎn)商包括GlobalSolar，WurthSolar，國(guó)內(nèi)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(yáng)能電池技術(shù)現(xiàn)狀一般所說(shuō)的聚光多結(jié)太陽(yáng)能電池是指針對(duì)太陽(yáng)光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導(dǎo)體材料做成多個(gè)太陽(yáng)能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結(jié)太陽(yáng)能電池。其核心是采用化合物半導(dǎo)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(jié)電池輕而易舉地保持太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)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(jié)電池。II-VI族材料目前還處于研究階段。1.2太陽(yáng)能電池技術(shù)