硅基太阳能的未来发展趋势

硅基太阳能的未来发展趋势张辉－清华大学工程物理系2011年6月底，保利协鑫的多晶硅产能达到了2.5万吨，生产成本降低到了21.4美元/公斤，硅片加工成本降低至0.2美元/瓦，成本优势稳居全球最先进行列。截至7月31日，保利协鑫的硅片产能已达6.5吉瓦。同时，保利协鑫新的1.5万吨的多晶硅生产线也于7月底完成建设及进入调试阶段。最近，协鑫推出类单晶铸锭片，最高效率达18.5%。另外，大同项目：协鑫+富士康+海润联盟？协鑫的危机：10月中旬，韩国OCI标出了多晶硅料20美元/公斤的价格。多晶硅料已降到20-25美元区域。协鑫优势不复存在。而协鑫在别的环节优势不明显，而战线太长（如自己制作炉子），会在各环节受到成本攻击，一个环节出问题，就会全线被动评论：最高效率不说明问题。关键是效率分布，保籽晶的成功率，及大规模生产的成本（如籽晶回收）。需要提供整锭平均效率和成功率。国内市场（个人观点）美国市场评论(个人观点）10年前美国能源部因研究经费有限，决定放弃硅晶，全力支持薄膜联盟。FirstSolar是联盟之头。同时政府在市场上支持FS。2009年美国市场薄膜占65%。同时，FS在马来西亚生产，也有很大市场，导致2009年国际市场薄膜17%。但FS并没有如能源部预期，效率低下。因而受到中国硅晶电池竞争。到2010年国际市场薄膜份额下降为13%，今年更差美国硅晶企业由于没有经费和市场支持，相继倒闭，如BPSolar美国分公司，SchottSolar美国分公司，SPI，Evergreen等。倒闭原因被归结到中国补贴。目前SunPower还在苦苦支撑，但技术成本太高，市场竞争性弱，面临成活风险美国硅晶已输给中国，国会不会给硅晶市场。薄膜美国老大，当然资助薄膜。美国将来是FirstSolar和GE的薄膜技术为主。已容不下CIGS。CIGS有4种元多杂质问题，操作空间小等致命市场推广问题，是典型的实验室成功，市场困难技术。美国支持FS和GE正确。Solyndra公司倒闭是自然的但市场国际化，政府也很难操作，最终还是综合成本问题。薄膜目前成本核算有问题，如研发经费政府出，没算进成本。技术升级需大量资金。还有大面积板块问题。系统（包括运输安装清洗等）成本是硅晶的3.5倍。因目前组件和系统成本基本一致。大组件和高效率是关键美国很多研究人员认为10年前放弃硅晶是决策错误。薄膜并没给出满意结果（预期转换效率在硅晶之上）。而硅晶在各环节都快速发展，如后续的类单晶，薄硅片，直接硅片等新技术与目前的生产线能较好融合，这些都是薄膜技术没有的。相对来说薄膜的上升空间有限美能源部已意识到问题严重性，最近相继支持了不少硅晶公司如1366，Varian，Crystalsolar等，重点支持薄硅晶技术，希望重新超过中国GE短期内实现实验室效率17%，显示了实力。3个月后，FS以17.3%反超。说明FS在技术上有所隐瞒，实际能力超过目前市场表现。GE是大公司，势必与FS争夺美国市场。而能源部将不得不支持两个公司。组件仅占整个太阳能系统不到50%的成本，其它如劳工等成本变动无多，甚至铜、铝等材料价格还上涨。价格下降导致太阳能市场大涨的假设不成立中国公司在美国市场上将遇到美国政府的全力阻击。但成本是民众关注的关键。而薄膜的综合成本高，中国公司将有机会但我们在后续技术上没有优势。3-5年后才是我们的生死关头广告：12月6日，北京国家会议中心Intersolar会议，TomSurek报告美国市场评论(个人观点）未来市场（个人观点）双反问题：美国政客不会放弃“美国技术第一，中国通过补贴占市场”的理念，贸易战不可避免（大小问题）。美国设备公司，硅料公司，薄膜公司搭载中国平台赚世界很多钱，需要全力反击。美国“双反”对中国太阳能发展影响不如对美国的影响，长期来说还有更多好处。可削弱GT，Hemlock，MEMC，FirstSolar等厂商。相似案例：如美日“DRAM”竞争，美国失败，日本赚钱未来市场：太阳能发展已经碰到发展边界，终端需求将是第一位的。电网或用户终端将主导市场。组件技术最靠近终端，而目前组件没有区别，用于发电和BIPV是一样的平板设计。组件与电池及应用的结合是未来关键；多元化组件必须发展。如BIPV用于城市，有污染（光照弱，需清洗），需要偏长波吸收，不粘灰尘的组件第一代：传统铸锭技术硅液在坩埚或无坩埚状态下凝固。热流从侧面和底部同时流出。晶向中间部分垂直向上，边部水平或偏垂直方向。界面不可控。Solarex曾是最大太阳能硅公司，后被bp收购变为bpsolar美国，去年关闭。EMC硅片可以制成高效电池，如京瓷可以把EMC电池效率做到18.5%（背电池工艺）美国GTDSS450HP/DSS650（G5）德国ALDSCU450/SCU800绍兴精功JJL500/JJL660/JJL800（G6）北京京运通JZ460/JZ660（G6）第二代：定向铸锭技术法国Cyberstar650/800第二代硅铸锭的特点DSS450/650，JZ460/660SCU450/800JJL500/660/800隔热板向下运动除抽板无运动部件隔热笼向上运动HeaterInsulationGraphiteCrucibleSiMeltSiSolidHeatExchangeBlock

HeaterInsulationCrucibleSiMeltSiSolidHeaterHeatExchangeBlock

PartitionBlockGraphiteShieldHeaterInsulationHeatExchangeBlock

CrucibleSiMeltSiSolidHeaterCoolingDevicePartitionBlock让侧面热流减小，底部热流增大，底部用热交换台

优点:简单，底部温度较均匀

缺点:坩埚底导热系数小，被动放热，变G6-G8后有安全问题。工艺设定+加热器温度或功率控制。没有界面探测技术及反馈控制炉子分上下两个区，上部加热，底部冷却上部气路控制，包括顶盖设计第三代：(类)单晶硅锭技术第三代是控制型类单晶或全单晶铸锭方法。需要控制籽晶熔化，温度梯度、界面形状。最终实现单晶生长，降低位错，控制浓度大体可采用第二代炉子改型，或重新设计修正型Bridgman或修正型VGF（VerticalGradientFreeze）方法。这些技术已成功用于光学晶体生长和半导体晶体生长类单晶铸锭起源（2008年结果）BPSolar单晶铸锭技术

-转化效率接近单晶提拉锭：采用开炉化料保护籽晶（应该有能耗和时间问题）CastingSingleCrystalSilicon:NovelDefectProfilesfromBPSolar'sMono2™STODDARD

Nathan;BEIWU;WITTING

Ian;WAGENER

Magnus;PARK

Yongkook;ROZGONYI

George;CLARK

Roger,Solidstatephenomena

B1012-0394

GrowthRate:upto20kg/hLightelementsconcentrations:[C]=4*1016–4*1017atoms/cm3[O]=1–6*1017atoms/cm3[N]=1*1015atoms/cm3Mono2TM

ScreenPrintCellProcess:AverageEfficiency:16.7%HighestEfficiency:18.3%PicturesareprovidedbyNathan

高效超薄电池130微米后来达到了19%中美晶硅片（图由台大蓝崇文提供）2010年平均效率达17.06,最好组效率达(100片平均)17.56%（2010年ICCG）2011年中美矽晶陸續會推出有四方形效率達18.8%的單晶高效片、17.2-17.4%多晶A++矽晶圓及17.5%類單晶與更進階類單晶達18.5%的UWafer评论：2010年A++有籽晶，2011年A++不用籽晶（用生产类单晶方法生产多晶效率达17.3%）这样类单晶的优势不明显，但通过电池，效率可达18.5%单晶铸锭硅片匹配电池工艺研发GeorgiaTech/AjeetRohatgi晶澳Maple昱辉VirtueWafers晶相控制(电池平均效率约17.5%)各种铸锭炉都可制备单晶硅。可参考BP专利提高单晶率也比较容易但单晶铸锭的效率可能还不如多晶铸锭V片的最高平均效率为18%晶澳的结果（2011上半年）更多的结果可见PhotonInt.6-2011.P260-264.晶澳黄新明提供超日尚德其他公司的类单晶产品凤凰鑫单晶类单晶硅片的现状最高效率已达19.5%，但效率范围宽有三种类型的硅片，不利于大规模生产当前的电池线技术并不适合于单晶铸锭片谁在做类单晶铸锭?生产公司：中美晶，昱辉，晶澳等设备公司:精功，ALD,GT,京运通，Cyberstar,ECM类单晶铸锭评论：类单晶硅片比较容易制备，但效率提升和规模化生产技术门槛较高，很多公司能生产类单晶片，但并没有掌握类单晶技术多晶和类单晶铸锭现状只需略修改炉子和工艺，能达到16.2-16.8%多晶效率。如中美晶的A+片一些好公司能做到16.8-17.4%的效率。如中美晶的A++片而类单晶平均效率为17.5%。用碱制绒等传统方法为什么需要发展类单晶铸锭?电池成本已降到组件成本的一半，提升效率可降组件，安装，服务的成本。成本已让位给效率单晶电池技术先进，较容易获得高效电池（如采用选择性发射等，效率可达18.5%以上，如中美晶的Uwafer）存在的问题?籽晶(回收)；(2)过程(时间)；(3)可靠性/重复性；(4)效率分布；(5)边角片处理(G5:64%的片子是边角片；G6：20/36）类单晶的一些问题类单晶片能否超过提拉单晶片？可以，VGFGaAs片比提拉片好。因为应力低类单晶大规模应用的瓶颈在哪里？边角片效率提升(应力和温度)。因炉子问题目前很多公司用G5多晶炉改造进行类单晶实验。一类片可能性只有36%，而这些片有料的问题，红区问题及亚晶界等问题，平均效率也不高（如顶部效率衰减）。这样可实现高效的片子只有20%。而80%的剩余片子有不同的问题，如均匀性不好，用目前电池线处理的话，效率应该低于多晶片。这样总平均效率可能不如多晶片。而真正掌握类单晶技术的公司，都已经解决了这些问题。影响效率的主要因素籽晶和晶相控制位错密度碳氧浓度和杂质分布红区问题侧边问题侧边问题侧边问题GT结果BP结果JJL结果晶相控制电池效率相关问题GT多晶铸锭结果（中美晶）GT单晶铸锭结果冷壁问题各种炉子的共同问题：壁面成核问题没有解决，加上之前就有的侧面杂质扩散，边角块效率很难提升。最大的问题是操作空间太窄，一改动就有“微晶”问题（杂质分布不均匀）有籽晶无籽晶韩国锭（展会）多晶区与固定侧加热有关，导致侧面温度梯度，若能在侧面形成向上温度梯度，可抑制侧面成核，形成全单晶。如用Bridgman法生长单晶硅，不会在壁面产生多晶。全单晶铸锭是完全可行的！化料与生长的对立与统一：化料过程需要高温和强对流，生长初期需要稳定边界层和大过冷度（利于100方向生长）。解决不了这个问题就不能解决长晶时间（大梯度或下加热）、能耗（闭炉化料）和晶体质量（100晶相控制）的对立。晶相控制铸锭(2011)多晶区精功早期锭（很可惜实验没有继续下去）侧加热器问题？全单晶小籽晶导致亚晶界问题多晶硅片单晶硅片晶粒小但晶界好晶粒大（单晶籽晶）但有边界需用大籽晶，消除边界效应。不然单晶铸锭还不如多晶铸锭。Renesola郑志东提供亚晶界问题可以通过大籽晶或者坩埚设计解决。小籽晶导致亚晶界问题Renesola郑志东提供为什么第四代：“传统”过程硅片电池组件多晶硅系统美国，德国，中国，韩国中国中国中国全球用激光枪把硅管从中切开，硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积的太阳能电池(EFG)快速生长；减小切割损失NOT“RGS，LASS（LowAngleSiliconSheet),MW(MoldedWafer),DW(DirectWafer),RAFT”第四代：快速单晶硅片技术Sun,D.,Wang,C.L.,Zhang,H.,Mackintosh,B.,Yates,D.,andKalejs,J.,2004,“AMulti-blockMethodandMulti-gridTechniqueforLargeDiameterEFGSiliconTubeGrowth,”JournalofCrystalGrowth266,167-174.硅片生长技术很多非常好的水平生长技术在发展过程中被淘汰了，大多不是因为技术原因。是重新审视这些技术，并进行再创新的时候了美贷款1.5亿美元助1366Technologies发展太阳能硅片技术“U.S.EnergySecretaryStevenChuannouncedtheofferofaconditionalcommitmentfora$150millionloanguaranteeto1366Technologies,Inc.forthedevelopmentofamulticrystallinewafermanufacturingproject.

Theprojectwillbecapableofproducingapproximately700to1,000megawatts(MW)ofsilicon-basedwafersannuallyusingarevolutionarymanufacturingprocesscalledDirectWafer.

Theinnovativeprocesscouldreducemanufacturingcostsofthewafersbyapproximately

50%.

”1366是动静大的公司，技术并非最好。年中消息第四代相关技术生产过程中不是必须的部分必须去除如切片过程Sheet:1366-directwafer;Varian-floatingsiliconmethod;CMU-silicononliquidmetalThickfilm:crystalsolar-peeledfilmorlift-offfromreusablesingle-crystalwafer(SiHCl3tothickfilmdirectly)Thinwafer:KerflesswaferringLowcost:UMGtosheetdirectly美国能源部的SunshotInitiativexxx产率（太阳能是低能密度技术，产率不行就没有希望；马车效率再高也不可能与火车竞争）提拉法铸锭法未来技术?产率(cm/h)4.5-9.01ingot1.2-1.825,36ingots1w