lecture08太阳能电池研究进展课件

太阳能电池材料的研究进展其其煤石油天然气其他中国石油煤天然气其他世界中国和世界的能源结构

能源枯竭

石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染

每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。

中华人民共和国国家发展和改革委员会

《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》

中华人民共和国国家发展和改革委员会

《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》

CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

石油短缺，对外依存度加大

1993年我国成为石油净进口国，2001年进口依存度已经达到34％，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到2020年将达到50％。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。

可再生能源：

风能；水能；地热；潮汐；太阳能等

洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染

太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！

资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量＝全球人类一年的能量需求

使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太阳能电池已成为各国实施可持续发展的重要选择日本----93年实施“新阳光计划”，涵盖74年的“阳光计划”、78年的“月光计划”和89年的“地球环境技术开发计划”；97年宣布7万太阳能光伏屋顶计划，计划到2010年安装7600MWp太阳能电池日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50%以上。英、荷、日、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，其出口额占世界的贸易额的80%以上。

美国百万屋顶计划的内容与目标办公楼与玻璃幕墙一体化的PV太阳能屋顶系统无机太阳能电池光生伏特效应光子入射：造成跃迁产生空穴－电子对。电荷运动的势垒：p-n结区内形成的内建电场。阻碍电子从n区向p区运动，空穴从p区向n区运动。

光电池：空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。太阳能电池结构示意图转换效率（h)＝入射在电池表面的阳光的功率负载中消耗的功率太阳能电池材料主要材料半导体表面涂层电极封装单晶硅、多晶硅非晶硅、GaAs有机半导体金属氧化物、导电聚合物金属导体玻璃、有机玻璃对材料的基本要求①能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽；②有较高的光电转换效率；③材料本身对环境不造成污染；④材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济

无机太阳能电池的性能及应用

各种太阳能电池的市场份额2004年太阳能电池产量1,194.7MW，增长60.6%，其中：产量比例%增长%mc-Si669.1556.046.8sc-Si343.4528.771.3a-Si64.605.449.2a-Si/scSi60.005.0100Ribbon41.003.4502.9CdTe13.001.1333.3CIS3.00.3-25.0太阳能用硅材料的生产工艺

1-1单晶锭

1-1-1CZ法

1-1-2FZ法1-2多晶锭1-2-1铸造多晶硅1-2-1EMC多晶硅1-3非晶硅太阳能用硅材料的生产工艺

CZ法来源：CGS太阳能用硅材料的生产工艺

FZ法

FZ

来源：CGS太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注法

由于铸锭中采用低成本的坩埚及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷坩埚通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。目前该工艺已铸出截面为220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。我国可生产出220mmX220mmX140mm的硅锭。太阳能用硅材料的生产工艺多晶浇注设备

HEMDSS

太阳能用硅材料的生产工艺方法比较

Method

Width（cm）Weight(kg)Growth

Rate(mm/min)GrowthRate(kg/h)Throughput(m2/day)EnergyUse(kWh/kg)EnergyUse(kWh/m2)Efficiency

(Typical,best)

FZ1550

2-4480

30

36<18,24

CZ15

50

0.6-1.2

1.530

18-4021-48

<15,20DS(定向结晶)69

240

0.1-0.6

3.5

70

8-15

9-17

<14,18EMC(电磁铸造)35

400

1.5-2

30

600

12

35

<14,16

太阳能用硅材料的生产工艺硅片切割

常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3一0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在

（1）在新建硅圆片加工生产线上，规模在年产量达50吨以上硅单晶加工生产线，并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时，切割设备选型可定位在线切割机上，同时大规模、单一硅圆片品种（主要指圆片的厚度规格品种）的太阳能级圆片加工，切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少，直接关系到线切割机排线导轮备件的多少。该排线导轮目前国内无法配套，国外供应商配套，价格较高。频繁更换排线导轮增加了辅助时间，还会增加线丝的浪费。（2）生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。

兰州瑞德集团X07150-1型多线锯切割机上海日进下压式NWS6X2多线钢丝切割机下压式NWS6X2多线钢丝切割机可同时并列切割二支Φ6"×9"（φ152mm×230mm）硅晶棒，切割晶片最薄厚度为0.2mm。技术进展直径变化技术进展薄片技术技术进展带硅

用硅量是常规工艺的½无须切片成本下降>30%R&D同时拉制2条或4条带硅厚度＜150

µm太阳能电池的分类晶体硅太阳能电池的发展趋势

mc-Si比例总体上升趋势，但04年有所下降，从03年的61.3%下降至56%；

sc-Si比例止住了下降趋势，由03年的26.9%上升至28.7%。而且同比增长（71%），超过mc-Si（46.8%）。如果包括a-Si/scSi，则比例达到32.1%,

同比增长75%。

Ribbon

比例由03年的0.9%,提高至3.4%，同比增长502.9%；

晶体硅（包括mc-Si,sc-Si,a-Si/scSi和Ribbon）的比例近4年来变化不大，在91.1%—93.1%之间；国内太阳能电池用硅材料现状硅单晶产量2004年单晶硅产量（吨）单晶总产量1700太阳能单晶产量1200太阳能单晶生产能力2000近年来我国硅单晶产量注：单晶硅产量及生产能力估算见附件1国内现状趋势及分析和国外情况不同，我国太阳能用单晶硅的比例大大高于多晶硅。形成的原因是：国内廉价单晶炉设备优势；半导体硅单晶生产有一定基础；技术门槛低。国内太阳能硅材料产业存在的主要问题是：1硅材料的发展偏重于单晶硅，而且是单晶硅锭。硅片加工能力严重不配套。企业价值链过短，缺乏企业发展所必需的独立性和自主性，使企业的增值能力受到严重影响；多晶硅材料处于起步阶段。2产业价值链仍存在严重脱节。单晶硅绝大部分出口；缺乏切片能力；电池片企业所需大量硅片几乎都以赖进口。作为一个企业其价值链的长短虽然重要，但要根据企业的具体财力、技术能力和管理能力而定。而作为国家则必须考虑。国内太阳能硅片加工环节十分薄弱除保定英利新能源浙江精功光电配套多晶硅片加工外，太阳能单晶生产企业中只有晶龙有少量多线切割能力专业硅片加工企业目前仅一家，即镇江环太硅科技有限公司。切割能力约为1000万片/年

保定英利新能源有限公司6浙江精功光电有限公司2我国多晶硅片生产能力（MW）保定英利新能源有限公司垂直集成型，目前公司具有6MW多晶硅片、10MW电池片、50MW电池组件的生产能力。二期投资完成后,硅片的年生产能力将达到70MW，将新增DSS多晶硅铸锭机20台,破锭机3台,多线切割机5台。浙江精功光电有限公司（前身为浙江中意太阳能有限公司）原为中方与意大利ENITECHNOLOGIE合资企业，多晶硅片生产能力2MW。有扩大生产规模至20MW的计划。在建和筹建的多晶锭、片企业精功绍兴太阳能技术有限公司（筹建）

精功集团与德国布莱斯-戴姆勒集团(Preiss-Daimler)共同投资兴建。引进GTSola设备和技术。一期10MW，二期将达20MW。力诺太阳能基地项目（济南）太阳能多晶硅片2500万片，太阳能电池片50MW，太阳能电池组件50MW，太阳能电站10MW。该项目第一期是利用现有土地和厂房，购置多晶硅铸锭炉5台，1台破锭机和1台SD-B型线切割机等主要设备。年产量为多晶硅片500万片,第二期1000万片，第三期2500万片

（新疆新能源公司20MW硅片项目，资金筹措中）非晶硅太阳电池

非晶硅太阳电池又称“无定形硅太阳电池”，简称“a—Si太阳电池"。它是太阳电池发展中的后起之秀。非晶硅太阳电池的最大特点是薄，不同于单晶硅或多晶硅太极电池需要以硅片为底村，而是在玻璃或不锈钢带等材料的表面镀上一层薄薄的硅膜，其厚度只有单晶硅片的1/300。因此，可以大量节省硅材料，加之可连续化大面积生产，能耗也低，成本自然也低。由于电池本身是薄膜型的，太阳的光可以穿透，所以还可做成叠层式的电池，以提高电池的电压。通常单晶硅太阳电池每个单体只有0．5伏左右的电压，必须几个单体串联起来，才能获得一定的电压。非晶太阳硅电池一个就能做到几伏电压，使用比较方便。非晶硅太阳能电池是最理想的一种廉价太阳电池。作为一种弱光微型电源使用，如小型计算器、电子手表等。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。其应用涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。

太阳能电池阵列转换效率的提高对于空间系统有十分重要的意义‘它可以降低系统的重量，改善系统的搭载能力，减小轨道运行的阻力。还可以降低系统的成本。GaAs材料CuInSe2材料有机太阳能电池工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。

研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料