薄膜太阳电池的研发现状和产业发展

薄膜太阳电池的研发现状和产业发展

第28卷　第9-10期　

2009年10月

中国材料进展

MATERIALSCHINA

Vol128　No19-10

Oct12009

薄膜太阳电池的研发现状和产业发展

洪瑞江,沈　辉

(中山大学太阳能系统研究所,广东广州　510006)

摘　要:在人类社会可持续发展的进程中,必须解决好能源危机与环境保护等问题。在各国政府的大力扶持和相关鼓励政策的

刺激和推动下,太阳能光伏产业得到了迅猛发展,光伏组件的成本不断降低,应用领域迅速扩大。其中,薄膜太阳电池由于其用料少、工艺简单、能耗低、成本有一定优势而越来越被业界所接受,近3年来薄膜太阳电池产业得到了较快发展,全球薄膜太阳电池产量从2007年的400MW增长到2008年的890MW,同比增长120%以上。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种:硅基薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池(CIGS)和碲化镉薄膜太阳电池(CdTe)。对上述3类薄膜太阳电池的特性、发展历史、研发现状以及产业发展状况作了介绍,对研究与产业中存在的问题以及未来研究方向也提出了看法。

关键词:太阳能;薄膜太阳电池;非晶硅;CIGS;CdTe

中图分类号:TK512　　文献标识码:A　　文章编号:1674-3962()09-ProgressinarCells

(forSystem,SunYat2senUniversity,Guangzhou510006,China)

GSHENHui

Abstract:Globalenergycrisisandtheenvironmentalprotectionarethemajorissuesinthesustainabledevelopmentof

humansociety.Withenergeticsupportfromgovernmentsofvariouscountriesandstrongimpulseandencouragementof

relevantpolicies,thephotovoltaicindustryhasdevelopedrapidly.Meanwhile,thecostofsolarcellmodulesisreducingcontinuously,andtheirapplicationfieldsareexpandingspeedily.Itshouldbepointedoutthatthinfilmsolarcellhasbe2comemoreandmoresignificantduetoitslessconsumptionofsilicon,flexibleprocess,lowenergyconsumption,andcomparablecost.Thinfilmsolarcellindustryhasbeenexpandingrapidlyinthepast3years,whosevolumeofproductionhasincreasedfrom400MWto890MWin2008,withayear2on2yearriseof120%.Currently,therearethreekindsofthinfilmsolarcellsincommercialproduction,thatis,silicon2based,CIGSandCdTethinfilmsolarcells.Thecharac2teristics,developmenthistoryandpresentstatusofthinfilmsolarcellshavebeenreviewed,andthemaintechnologicalaspectsandhighlightsoffutureresearcharediscussedalso.

Keywords:solarenergy;thinfilmsolarcell;amorphoussilicon;CIGS;CdTe

　前　言

21世纪人类将面临实现经济和社会可持续发展的

导体p2n结直接将太阳光的辐射转换成电能的一种光电器件。开始时主要在航天领域应用,上世纪末到本世纪初以来,在世界各国尤其是美、日、德等西方发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下,世界太阳能光伏产业以每年30%以上的增长率快速发展,太阳电池总产量的平均年增长率则高达4918%以上。尽管目前世界光伏发电累积装机容量不到世界电力装机总容量的千分之一,但是作为一种可再生的清洁能源,专家预测,光伏发电将在21世纪前半期成为最重要的基础能源之一。

太阳电池因其使用的半导体的不同大致分为硅系列、化合物半导体系列和染料敏化系列,如图1所示。硅基太阳电池又分为晶体硅太阳电池和硅薄膜太阳电池,其中晶体硅太阳电池因其成熟的生产工艺而成为过去几十年太阳电池研发和产业化的主要方向。目前太阳

重大挑战。随着世界性能源短缺和环境污染的日趋严重,人们已经认识到发展太阳能、风能和生物能等可再生、清洁能源的重要性和必要性。近年来,可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源,世界上许多国家或地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分。从能源供应安全和清洁利用的角度出发,世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展方向。太阳能的应用技术包括光热和光电两方面,如太阳能热水器和太阳电池。太阳电池是利用光伏效应,在半

收稿日期:2009-09-06

通信作者:洪瑞江,男,1966年生,博士,教授

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中国材料进展第28卷

能光伏产业链已经形成,主要包括多晶硅、硅片、电池、组件和系统等方面。国内外多数企业集中在1～2个产业,但实力强大的企业,从降低成本和保证产品质量来考虑,则会涉及整个产业链。然而,近几年来由于多晶硅严重缺货,价格持续上涨,并且多晶硅生产的耗

能和污染问题,使得依赖多晶硅为原料的太阳电池在成本控制方面存在困难。在这种情况下,越来越多的太阳电池生产厂家开始寻求不依赖晶体硅材料的太阳电池生产工艺,薄膜太阳电池正是具备了这个特性,是未来太阳电池发展的方向之一

。

图1　Fig11　Block2ofs　　事实上,,()高等问题,。,虽然仍然与晶体硅电池相比有较大差距,但其用料少、工艺简单、能耗低,成本有一定优势,越来越被业界所接受。近3年来薄膜太阳电池产业得到较快发展。2008年全球薄膜太阳电池产量达到890MW,而2006年和

2007年分别为180MW和400MW,呈现快速增长的势

硅基薄膜太阳电池除了具有薄膜太阳电池共有的省材、低能耗、便于大面积连续生产等优势外,还具有原材料丰富、无毒、无污染、能耗低等优点,是当前薄膜太阳电池的重要研发方向。硅基薄膜太阳电池概括起来具有以下特点:①可以实现大面积量产。目前设备可以对应的基板尺寸为1m以上,采用玻璃基板的非晶硅太阳电池,其主要工序等离子体增强化学气相沉积

(PECVD)与TFT2LCD阵列生产相似,生产方式具有自

头。有预测称薄膜太阳电池全球市场规模2015年将达到140亿美元。

目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种,包括:硅基薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳电池(CdTe)。各种电池的转换效率如表1所示。

表1　各种薄膜太阳电池的最高效率

Table1　Thebestefficienciesofvariousthinfilmsolarcells

Mainfabricating

technologies

PECVDPECVDCovaporization,Selenizingaftermagnetocontrol

sputterClose2spacedsublimation,Vaportransport

Conversion

Bestefficienciesefficiencyininlaboratory/%commercial

production/%

10131513

610～710815

动化程度高、生产效率高的特点;②能量返回期

(EnergyPay2BackTime)短。根据计算,转换效率为6%

的非晶硅太阳电池,其生产用电约为119kWh/W,由它发电后返回上述能量的时间仅为115～2a;而单晶硅太阳电池为3～4a,多晶硅太阳电池为212a;③与晶体硅太阳电池比较,非晶硅薄膜太阳电池具有弱光响应好的特性。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内,几乎都比单晶硅大一个数量级,其本征吸收系数高达10cm

5

-1

CellsmaterialsMonocrystalline

siliconNoncrystal/MicrocrystalCIS/CIGS

,使得非晶硅太阳电池其在理论上和实际使

用中都对低光强有较好的适应。非晶硅薄膜电池在散射光的条件(日出日落、多云、雾霾等)下,仍然能保持一定强度的发电能力;④由于非晶硅材料的本征吸收系数很大,1μm厚度就能充分吸收太阳光,硅材料的使用量仅为晶体硅太阳电池的1%, …… 此处隐藏：19910字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……