非晶硅薄膜太阳能电池的研究进展

1、非晶硅薄膜太阳能电池的研究进展非晶硅薄膜太阳能电池的研究进展制作人：王高升制作人：王高升 学学 号：号：2013220098目目 录录v前言前言v非晶硅非晶硅v非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池v非晶硅薄膜太阳电池独特优势非晶硅薄膜太阳电池独特优势v非晶硅薄膜太阳电池的应用非晶硅薄膜太阳电池的应用v非晶硅薄膜太阳电池市场需求非晶硅薄膜太阳电池市场需求v为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池v非晶硅太阳能电池的优点非晶硅太阳能电池的优点v非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题v太阳能光伏市场发展趋势太阳能光伏市场发展趋势v提高非晶硅薄膜电池效

2、率措施提高非晶硅薄膜电池效率措施前前 言言v 新能源与可再生能源是新能源与可再生能源是2121世纪世界经济发展中最具决定世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。非晶硅薄膜太阳能电池是一种性影响的技术领域之一。非晶硅薄膜太阳能电池是一种重要的可再生能源重要的可再生能源，既可作为独立资源，又可实现并网，既可作为独立资源，又可实现并网发电，而且是零污染排放。发电，而且是零污染排放。v 非晶硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，非晶硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工艺成熟，应用也逐渐扩大。面对今天随着技术发展和工艺成熟，应用也逐渐扩大。面对今天的的能源供应状况能

3、源供应状况和和日益严重的环境污染日益严重的环境污染，并发新能源和，并发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。v 大力发展薄膜太阳能电池不失为当前最明智的选择，但大力发展薄膜太阳能电池不失为当前最明智的选择，但也有其不利的一面。也有其不利的一面。4非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅 非晶硅非晶硅5非晶硅结构非晶硅结构非晶硅的结构

4、示意图，薄膜中的非晶硅的结构示意图，薄膜中的H H有两种聚集状态：有两种聚集状态： 稀疏态和聚集态稀疏态和聚集态67 非晶硅的性质非晶硅的性质化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属( (如钠、钾如钠、钾等等), ),在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的序的- -硅。纯硅。纯- -硅因缺陷密度高而无法使用。采硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并

5、进行掺杂和制作氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作pnpn结。结。8非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池9非晶硅太阳能电池板非晶硅太阳能电池板非晶硅薄膜太阳非晶硅薄膜太阳能电池是将非晶能电池是将非晶硅以薄膜的形式硅以薄膜的形式沉积在载体上形沉积在载体上形成的太阳能电池成的太阳能电池, ,其薄膜就是非晶其薄膜就是非晶硅太阳能电池硅太阳能电池, ,即相对于多晶硅即相对于多晶硅太阳能电池太阳能电池, , 不不过非晶硅电池非过非晶硅电池非常薄常薄. .它包含它包含PINPIN结构。结构。非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池11非晶硅薄膜太阳能电池结构非晶硅薄膜太阳能电池结构1214组件是一种理

6、想的光伏玻组件是一种理想的光伏玻璃幕墙材料，它既能作为璃幕墙材料，它既能作为窗户玻璃起到透光、装饰窗户玻璃起到透光、装饰和美观的作用，还能发电，和美观的作用，还能发电，一举多得，因此，包括光一举多得，因此，包括光伏幕墙玻璃在内的非晶硅伏幕墙玻璃在内的非晶硅薄膜太阳电池与建筑材料薄膜太阳电池与建筑材料相结合的应用是非晶硅薄相结合的应用是非晶硅薄膜太阳电池未来发展的重膜太阳电池未来发展的重要方向，并且被业界所普要方向，并且被业界所普遍看好。遍看好。非晶硅薄膜太阳电池独特优势非晶硅薄膜太阳电池独特优势1 1 非晶硅薄膜具有非常高的光吸收系数（非晶硅薄膜具有非常高的光吸收系数（104cm-1dm104

7、cm-1dm），厚度为），厚度为0.5m0.5m的非晶硅薄膜足以把可利用的太阳光吸收殆尽。的非晶硅薄膜足以把可利用的太阳光吸收殆尽。2 非晶硅薄膜材料无论从理论还是制备技术上都发展得非常成熟。非晶硅薄膜材料无论从理论还是制备技术上都发展得非常成熟。3 材料及制造成本都非常低。材料及制造成本都非常低。4 易于实现组件面积上的集成以及便于工业化大规模连续生产。易于实现组件面积上的集成以及便于工业化大规模连续生产。165 5 非晶硅的禁带宽度比晶体硅大，由此决定了非晶硅太非晶硅的禁带宽度比晶体硅大，由此决定了非晶硅太阳电池的开路电压比晶体硅太阳电池的开路电压高。阳电池的开路电压比晶体硅太阳电池的开路

8、电压高。6 6 由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底之间的晶格匹不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底之间的晶格匹配问题。配问题。7 7 与晶体硅电池相比，非晶硅电池有更好的弱光性与晶体硅电池相比，非晶硅电池有更好的弱光性能和温度特性。能和温度特性。17非晶硅薄膜太阳电池的应用非晶硅薄膜太阳电池的应用太太阳阳能能照照明明灯灯具具太太阳阳能能草草坪坪灯灯18非晶硅太阳电池的应用非晶硅太阳电池的应用v室内消费电子产品（非晶硅电池弱光性能好）非晶硅电子表非晶硅电子表非晶硅玩具非晶硅玩具非晶硅荧光灯非晶硅荧光灯非

9、晶硅太阳能电池应用非晶硅太阳能电池应用v室外庭院灯和路灯、广告站牌等非晶硅太阳能电池应用非晶硅太阳能电池应用v 发电建筑楼群屋顶、玻璃幕墙、边远山区并网发电 前面介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的前面介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的一些基本知识，下面我们来看看国外一些基本知识，下面我们来看看国外和国内光伏产业（太阳能产业）的发和国内光伏产业（太阳能产业）的发展展22v 进入进入2121世纪以来，全球范围内对太阳能电池的需求快速增世纪以来，全球范围内对太阳能电池的需求快速增长，每年以长，每年以40%40%以上的速度递增。国内外也分别实施了上以上的速度递增。国内外也分别实施了上网电价补贴法，进一步促这一产业

10、的增长步伐。网电价补贴法，进一步促这一产业的增长步伐。v 中国已于中国已于20052005年通过了年通过了“可再生能源法可再生能源法”20062006年将采用年将采用“一案一议一案一议”的办法实施上网电价补贴法。可以预计，世的办法实施上网电价补贴法。可以预计，世界范围内光伏产业的新的可持续发展阶段即将到来。到界范围内光伏产业的新的可持续发展阶段即将到来。到20102010年，年需求量为年，年需求量为1400014000兆瓦，而目前，全世界光伏工兆瓦，而目前，全世界光伏工业的总产能约为业的总产能约为15001500兆瓦，在兆瓦，在4 4年内要达年内要达1400014000兆瓦，可见兆瓦，可见其发

11、展速度十分惊人。其发展速度十分惊人。太阳电池的市场需求太阳电池的市场需求23 年年国别国别2000201020202030美国美国(GWp)0.142.136200欧洲欧洲(GWp)0.153.041200日本日本(GWp)0.254.830205总计总计(GWp)1.014.02001850 表表1 1 国际光伏市场需求及预测国际光伏市场需求及预测国外太阳能光伏市场发展趋势国外太阳能光伏市场发展趋势v 世界各国都对太阳能光伏发电给予大力支持国外太阳能光伏市场发展趋势国外太阳能光伏市场发展趋势v欧、美、日是太阳能电池主市场国外太阳能光伏市场发展趋势国外太阳能光伏市场发展趋势v 日本、欧洲、美国

12、都提出了各自的中长期日本、欧洲、美国都提出了各自的中长期PV发展路线图发展路线图项目项目现状现状2010-20302010-2030年目年目标标PVPV组件生产组件生产成本成本140140日元日元/W/W100100日元日元/W /W (2010(2010年年) )7575日元日元/W/W（20202020年）年）502020年（年（20202020年年） 到到2030年的日本年的日本PV研发目标研发目标 太阳能太阳能电池类电池类型型现状效率（现状效率（% %）目标转换效率（实验室效目标转换效率（实验室效率）（率）（% %）20102010年年20202020年年20302030年年晶体硅晶体

13、硅电池电池13-14.813-14.8（18.418.4）1616（2020）1919（2525）2222（2525）薄膜电薄膜电池池1010（14.714.7）1212（1515）1414（1818）1818（2020）CISCIS电电池池10-1210-12（18.918.9）1313（1919）1818（2525）2222（2525）III-VIII-V电池电池聚光（聚光（38.938.9）2828（4040）3535（4545）4040（5050）染料敏染料敏化电池化电池（10.510.5）6 6（1010）1010（1515）1515（1818）到到2030年的日本年的日本PV组件组

14、件/电池的转换效率目标电池的转换效率目标 国内太阳能电池光伏市场的发展国内太阳能电池光伏市场的发展v无锡尚德电力（suntech power）尚德电力集团董事长：施正荣（长春理工大学校友）尚德电力集团董事长：施正荣（长春理工大学校友）太阳能光伏市场发展趋势太阳能光伏市场发展趋势v非晶硅太阳能电池迅猛发展2004-2010太阳能电池的发展（太阳能电池的发展（GW）太阳能光伏市场发展趋势太阳能光伏市场发展趋势v 国际大厂积极扩大非晶硅薄膜电池产量公司名称公司名称产品类型产品类型国别国别/ /地区地区20082008产能（产能（MWMW）20082008产量（产量（MWMW）SharpSharp（夏

15、普）（夏普）单单/ /多晶硅，非晶硅多晶硅，非晶硅日本日本600600427.5427.5SanyoSanyo（三洋）（三洋）单晶硅，非晶硅单晶硅，非晶硅日本日本158158125125Schott SolarSchott Solar多晶硅，非晶硅多晶硅，非晶硅德国德国1131139595BP SolarBP Solar单单/ /多晶硅，非晶硅多晶硅，非晶硅美国美国15715785.885.8Shell SolarShell Solar单单/ /多晶硅，多晶硅，CISCIS薄膜薄膜德国德国1101105959United Solar OvonicUnited Solar Ovonic非晶硅非晶

16、硅美国美国25252020Kaneka SolartechKaneka Solartech非晶硅非晶硅日本日本30301919MHIMHI（三菱）（三菱）多晶硅多晶硅日本日本2402401421422008年全球主要非晶硅太阳能电池制造企业的市场及产能状况年全球主要非晶硅太阳能电池制造企业的市场及产能状况 2008年后，全球光伏产业全面扩产，但到年后，全球光伏产业全面扩产，但到2011年后，由于欧债危机等一些复杂的原年后，由于欧债危机等一些复杂的原因，一时间，光伏产业突然从夏天转为寒因，一时间，光伏产业突然从夏天转为寒冬，许多光伏龙头企业负债累累，濒临破冬，许多光伏龙头企业负债累累，濒临破产，

17、面对全球光伏产业的危机，非晶硅薄产，面对全球光伏产业的危机，非晶硅薄膜太阳能电池却显示出强大的生命力膜太阳能电池却显示出强大的生命力为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池 光伏工业的高速发展光伏工业的高速发展 和和 关键原材料高纯硅短缺关键原材料高纯硅短缺 矛盾矛盾v 按照目前全世界年产按照目前全世界年产1500兆瓦晶体硅太阳能，约需兆瓦晶体硅太阳能，约需16500吨高纯硅，近几年全世界高纯硅的年产能仅为吨高纯硅，近几年全世界高纯硅的年产能仅为25000吨，吨，70%左右回用于制造集成电路，二极管，三极左右回用于制造集成电路，二极管，三极管等把半导体器件，而绝对满足不

18、了光伏工业的需求，供管等把半导体器件，而绝对满足不了光伏工业的需求，供需矛盾十分突出，并导致全球范围内高纯硅从需矛盾十分突出，并导致全球范围内高纯硅从25美元美元/公公斤上升至斤上升至200美元美元/公斤以上。公斤以上。v 中国情况更加严重，市场价达到人民币中国情况更加严重，市场价达到人民币33元，且有价无元，且有价无市。这一情况在市。这一情况在35年是得不到根本解决的，必定会严重年是得不到根本解决的，必定会严重影响光伏产业的健康发展。影响光伏产业的健康发展。v 提高单位硅材料的发电量，现在存在转换效率，成品率提高单位硅材料的发电量，现在存在转换效率，成品率的制约。此两项技术是否能突破，直接影

19、响其与其它薄膜的制约。此两项技术是否能突破，直接影响其与其它薄膜太阳能电池的竞争，而硅材问题从根本上解决十分困难。太阳能电池的竞争，而硅材问题从根本上解决十分困难。非晶硅太阳能电池的优点非晶硅太阳能电池的优点v 低成本低成本v 能量返回期短能量返回期短v 大面积自动化生产大面积自动化生产v 高温性好高温性好v 弱光响应好（充电效率高）弱光响应好（充电效率高）v 其它其它v MWp/年 生产品种v 日本日本kaneka 25 910kaneka 25 910* *910mm910mm电池组件电池组件 , ,玻璃衬底玻璃衬底v 德国德国RWE Schottsolar 30 RWE Schottso

20、lar 30 最大组件最大组件100100* *605mm,605mm,玻璃衬底玻璃衬底v 日本三菱电机日本三菱电机 10 10 玻璃衬底非晶太阳电池玻璃衬底非晶太阳电池v 日本富士通日本富士通 10 10 聚合物为衬底柔性非晶太阳电池聚合物为衬底柔性非晶太阳电池v 日本日本TDK 5 TDK 5 不锈钢为衬底不锈钢为衬底, ,效率高于效率高于8%8%v 日本三洋太阳能日本三洋太阳能 5 5 聚酰亚胺为衬底聚酰亚胺为衬底, ,效率高于效率高于8.5%8.5%v 美国美国ECD 15 ECD 15 研究单位研究单位v 美国联合太阳能美国联合太阳能 25 25 不锈钢不锈钢, ,聚酰亚胺为衬底聚酰

21、亚胺为衬底, ,效率高于效率高于10%10%v 英国英国Intersolar 5 305Intersolar 5 305* *915mm915mm玻璃衬底玻璃衬底, ,效率大于效率大于7%7%v 德国德国Esole Esole 明年投产明年投产, ,约约40MWp40MWp生产线生产线世界主要非晶硅太阳电池生产厂世界主要非晶硅太阳电池生产厂家家 美国应用材料（AMAM）公司）公司 日本真空（ ULVAC ULVAC ）公司）公司 瑞士欧瑞康（OerlikonOerlikon）公司）公司非晶硅薄膜太阳电池生产线世界级供应商：非晶硅薄膜太阳电池生产线世界级供应商：v 目前中国已有的非晶硅太阳能电池

22、生产线目前中国已有的非晶硅太阳能电池生产线v 存在问题：产量少；效率低；稳定性差；面积小；外观不均匀存在问题：产量少；效率低；稳定性差；面积小；外观不均匀。序号序号单位名称单位名称产能产能备注备注1 1天津津能天津津能5MWp5MWp2 2哈尔滨克罗拉太阳能哈尔滨克罗拉太阳能1MWp1MWp3 3深圳拓日深圳拓日 1 14 4深圳创益深圳创益 1 15 5深圳日月潭深圳日月潭 1 16 6北京世华北京世华筹建中筹建中7 7泉州泉州筹建中筹建中中国非晶硅太阳电池生产厂家中国非晶硅太阳电池生产厂家国内非晶硅太阳能电池发展国内非晶硅太阳能电池发展v深圳拓日新能源股份有限公司托日工业园托日工业园乐山光

23、伏产业园乐山光伏产业园国内非晶硅太阳能电池发展国内非晶硅太阳能电池发展v保定天威英利新能源有限公司天威英利为美国某地区承建的地面光伏电站（天威英利为美国某地区承建的地面光伏电站（2009年年05月月）国内非晶硅太阳能电池发展国内非晶硅太阳能电池发展v厦门冠宇科技有限公司2SC1-12（10.8W）柔性太阳能电池板）柔性太阳能电池板 该产品适用于给手持电台、手提电脑、测绘仪器等移动负载提供便携能源该产品适用于给手持电台、手提电脑、测绘仪器等移动负载提供便携能源 国内非晶硅太阳能电池发展国内非晶硅太阳能电池发展v深圳市创益科技发展有限公司非晶硅薄膜太阳能电池存在的问非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题题

24、v 效率较低v 稳定性问题v 成本问题v 其它非晶硅薄膜太阳能电池未来发展趋势非晶硅薄膜太阳能电池未来发展趋势v非晶硅太阳能电池面临的主要问题： 转换效率较低，有光致衰退效应（S-W）v提高非晶硅薄膜电池效率措施：（1）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收；（2）薄膜硅电池叠层技术；（3）中间层技术的研究。提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收v前透明导电氧化物薄膜（TCO）的研究在光滑与织构的在光滑与织构的ZnO表面上沉积表面上沉积a-Si电池获得的量子效率电池获得的量子效率提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收v减反层的研究 标准电池与减反层电池的结构标准电池与减反层电池的结构（A）：一般电池结构）：一般电池结构（B）：带有）：带有TiO2减反层