太阳电池太阳能光伏玻璃市场现状及发展前景

太阳电池太阳能光伏玻璃市场现状及发展前景

1光伏玻璃生产企业需要进行转型,在企业太阳能闪闪玻璃是太阳电池行业的重要新兴产品。随着伏行业的发展，它逐渐发展起来。以往国内生产趋向压延玻璃的生产企业约有10家,大部分为100t/d的中、小型窑炉,年总量约1000万重量箱,其原片市场在5亿元左右。目前,我国国内一些大企业开始介入太阳电池玻璃生产领域,窑熔化能力最大为500t/d。我国光伏领域玻璃的需求量以每年50%的速度递增,2010年已超过2500万m2,太阳电池玻璃市场前景非常广阔。从发展趋势看,我国将成为未来太阳电池玻璃重要的生产基地。中国太阳能玻璃的生产起步较晚,国内能够生产低铁(超白)玻璃(含压延超白玻璃)的生产线见表1。其中,山东、江苏、上海、浙江、广东等地的产品大部分出口荷兰、德国、日本、韩国、泰国和我国台湾,在国内基本直接出售原片给其他加工玻璃商的市场正逐步上升,首先在广东、浙江、江苏等,并正在逐步扩大。就目前国际市场而言,世界上只有美国PPG、法国圣戈班、英国的皮尔金顿、日本的旭硝子(AFG)、比利时的格拉威伯尔等少数企业能够生产质量优异的低铁超白太阳能玻璃,但产量无法满足全球日益增长的市场需求。最引人注目的是近年来河南安彩高科股份有限公司。由于彩玻市场不断萎缩,该领域企业遇到了前所未有的困境。在这种情况下,河南安彩高科股份有限公司却抓住时机,利用自身优势,在公司原有基础上,将产品进行转型,生产光伏玻璃,使企业经济效益得到明显好转,给企业带来了新的生机。2011年1月28日,我国河北省唐山市迁西县金信集团投资建设的太阳能光伏玻璃生产线,成功生产出第一块符合国家标准的太阳能光伏玻璃产品。该项目于2009年5月开工建设,历时19个月,于2010年12月26日建成并点火生产,进入试运行阶段。2011年1月28日,生产线全线贯通,第一块太阳能光伏玻璃顺利下线,其产品质量达到了国家标准。该集团还将适时启动超薄镀膜生产线等后续项目建设,计划利用5年时间,投资20亿元,打造华北最大的太阳能基片生产基地和北方电子工业用超细硅粉研发中心,形成年销售收入50亿元、利税10亿元、5000人就业的大型太阳能光伏产业园区。据有关方面不完全统计,目前国内生产超白浮法玻璃的生产线已有7条,正在建设中的约有4条。2太阳能光刻的分类和应用2.1太阳能光伏玻璃与反光镜片用于太阳能电池的光伏玻璃基片一般包括:超薄玻璃、表面镀膜玻璃、低铁含量的(超白)玻璃等3种主要类型。根据使用的性质和制造方法不同,光伏玻璃又可以分为3种产品:(1)平板型太阳能电池的盖板,一般为压延玻璃;(2)在平板玻璃上镀附上通常厚度只有几微米的半导体材料制成的薄膜电池导电基片;(3)集热式光伏系统使用的透镜或反光镜类的玻璃。这3种产品的特性和作用完全不同,其附加值也有很大的差别。现今应用最广的太阳能光伏玻璃是高透光率玻璃,它是低铁含量的玻璃,也就是我们俗称的“超白”玻璃。铁在普通玻璃中属于杂质(吸热玻璃除外)。铁杂质的存在,一方面使玻璃着色,另一方面增大玻璃的吸热率,也就降低了玻璃的透光率。玻璃中的铁是由原料本身、耐火材料或金属材质的生产设备等引入的,不可能完全避免。人们只能通过生产控制尽可能减少铁在玻璃中的含量。目前,太阳电池玻璃的铁含量在0.008%~0.02%之间,而普通浮法玻璃的铁含量一般为0.2%。低的杂质铁含量带来高的太阳光透过率。就国内应用最多的3.2mm和4mm玻璃而言,太阳光可见光透射比一般达到90%~92%。太阳能光伏玻璃作为太阳能装置的最重要的组件之一,要求玻璃板必须高度透明,因此对用于生产太阳能玻璃的硅质原料中含铁量要求十分严格,见表2。2.2太阳能电池胶凝据报道,世界上最早采用透明平板玻璃作基板研制应用于太阳能电池的国家是德国。德国科技人员将这种板状的太阳能电池作为窗玻璃安装在建筑物上,它可将由光转换成的电能直接供住户使用,多余的电能还可输入电网。太阳能电池用玻璃不久被一些欧洲、美国工业发达国家及亚洲日本等国所重视,由此加快了用于太阳能的低铁、超薄玻璃的研制开发与应用的步伐。其主要应用领域有以下几个方面:2.2.1太阳能玻璃玻璃硅太阳能电池盖板玻璃是硅太阳能电池装置中的重要组件之一。盖板玻璃顾名思义是覆盖在太阳能电池硅片上的玻璃。它的主要作用是保护硅片部件不受尘土、机械磨损和冲击以及环境条件的损伤,同时也不能影响太阳能电池的性能。这就要求硅太阳能电池盖板玻璃对入射的太阳能没有强吸收,航天等特殊领域配套使用的太阳能电池上的盖板玻璃要求超薄(一般不超过0.152mm)类型的玻璃,这样不会增加太多的重量,但是热膨胀系数必须与单晶硅尽可能一致。此外,盖板玻璃片通常由透明的聚合物黏合在太阳能电池上,因此要求玻璃在350nm波长以下的紫外吸收必须很强,以避免有机聚合物的降解。另外,从玻璃的制造工艺角度,则还要求玻璃必须具有适当的液相温度(析晶上限温度),以保证平板玻璃在成形过程中不出现析晶现象。据有关资料介绍,盖板玻璃是平板型太阳能电池的重要组成部分,多为经加工的强化玻璃(钢化玻璃),具有耐风压、耐积雪、高性能以及防污染和防日照引起热裂损等作用。通常使用的平板玻璃盖板厚度为3.2mm,面积一般为90cm×180cm,平均光透过率为85%,另外,15%为反射和吸收损失。为增大光透过率,已经开发了使用铁含量低的玻璃(Fe2O3为0.01%~0.05%)和经表面减发射处理的玻璃,使其平均透过率由85%提高到91%以上。目前欧美国家用于太阳能的玻璃其含铁量为0.01%,当玻璃厚度为3mm时,光透过率可高达91%以上。在美国的皮尔金顿LOF公司已向北美市场投放其生产的低铁浮法玻璃。产品已广泛用于显示器面板、光电模板、仪表面板玻璃、太阳能玻璃及影视快窗玻璃等,其玻璃厚度为2~12mm。该低铁浮法玻璃在欧洲市场上十分走俏,尤其是用于太阳能装置的配套材料,更为抢手。2.2.2太阳能电池薄膜材料制约太阳能电池发展的一个很重要的因素是成本。虽然太阳能电池的成本取决于多种因素,但材料费用被公认是最大的支出,占总成本的60%~80%。由于半导体材料的薄膜化能够大幅度降低太阳电池的成本,因此薄膜电池成为人们关心和研究的一大热点。从20世纪70年代开始,先后发展了许多制作薄膜太阳电池的新材料,主要包括砷化镓(GaAs)、碲化镉(CaTe)、铜铟硒(CuInSe)、以及硅(晶体硅c-Si、非晶硅a-Si)薄膜太阳电池等。由于太阳能电池的薄膜化以降低太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的,作为从机械强度上支撑电池薄膜活性层的衬底材料通常也选择一些低成本、有一定机械强度、无污染、热膨胀系数与硅相匹配等条件的材料。所以,在大部分的实例中,衬底都不是半导体材料,采用较多的有玻璃、陶瓷、聚合物、低成本硅基材料等。由于玻璃在成本、稳定性、加工成形等方面更具优势,所以在廉价衬底材料中有很大的竞争力,基板玻璃也因此成为目前发展最快的特种玻璃之一。目前的2种镀膜(非晶硅-242#和微晶硅-238#)基板材料(玻璃CorningC7059,0.9mm厚和聚乙烯对苯二酸酯PET,0.02mm厚)均为非晶硅膜基板,这2种镀膜玻璃基板的力学性能均显著优于PET基板。对于太阳能电池用基板玻璃,一般需要注意以下问题:(1)采用激光加工透明导电膜时给玻璃基板带来的潜伤,在使用过程中受温差作用会产生热应力引起破裂。(2)由于沙尘的划伤导致玻璃的透过率下降,因此要求玻璃具有较高的硬度。(3)一旦形成潜伤和微裂纹,玻璃和水反应会使微裂纹扩展,玻璃强度下降,产生破裂。通常要求Na2O的溶出量低于1.2mg/(cm2·h),在此水平之下,上述潜伤和微裂纹的扩展会受到抑制。(1)太阳能电池的生产日本旭硝子专门提出一类耐划伤、耐水侵蚀、脆性值小的太阳能电池用基板玻璃(日本专利2000-159538),其组成范围(质量分数)为:SiO263%~74%;Ai2O30~5%;CaO0~8.5%;MgO6.5%~22%;Na2O8.5%~15%;K2O0~5.5%;TiO20~2%;SO30~0.7%。基板玻璃的组分设计主要有以下考虑:(1)SiO2含量低于63%会使玻璃的操作温度范围(指相应于黏度103Pa·s时的温度与液相温度之差)变小,析晶倾向增加。若高于74%(质量分数),则玻璃的脆性值提高。(2)Al2O3可提高玻璃的耐水性,但超过5%时使玻璃的操作温度范围减小。(3)CaO可调节900℃以上的玻璃黏度。(4)MgO低于6.5%(质量分数)时使玻璃的脆性值增大,但大于20%(质量分数)则使玻璃的操作温度范围减小,最佳含量为17%~20%(质量分数)。(5)Na2O低于8.5%(质量分数),玻璃的脆性值大于规定值,但大于15%(质量分数)则会提高Na2O的溶出量,最佳含量为9.5%~14%(质量分数)。(6)K2O可调节900℃以上的玻璃黏度。(7)TiO2可调节操作温度范围,但大于2%(质量分数)会使玻璃中Na2O的溶出量超标,最佳含量在1.0%(质量分数)以下。(8)SO3为澄清剂,应小于0.7%(质量分数),Fe2O3含量须低于0.05%(质量分数)。该专利太阳能电池的制造过程为:首先在玻璃基板上制成透明导电膜,然后采用激光加工形成电路图案,再在透明导电膜上镀一层非晶态硅膜层,最后蒸膜银电极,由此制成太阳能电池。在使用这种电池时,将玻璃面对太阳,为了保护目的,通常在玻璃上方再加一块玻璃板,并用金属外框固定。由于太阳能电池一般放置在屋顶上,为防止冰雹冲击,玻璃板须经过物理钢化。为了提高玻璃板的透过率,还必须控制玻璃中的铁含量。(2)玻璃的热膨胀性能20世纪90年代后期,文献报道了一项有关新型耐高温太阳能电池用基板玻璃的英国专利(GB2310314A)。该专利提出一种热稳定性高于700℃(即可以在700℃以上工作温度下进行镀膜操作)的硅酸盐玻璃或玻璃-陶瓷基板材料。玻璃可以采用传统的熔体淬冷法和溶胶-凝胶工艺制备。采用熔体淬冷法制备玻璃所采用的熔化温度为1650~1800℃,退火温度为800℃(1~2h)。玻璃的转变温度一般在800℃以上,高于市场上现有的基板玻璃的转变温度(如康宁公司的Corning1737F基板玻璃的转变温度为666℃),玻璃的热膨胀系数在(1~12)×10-6/K范围,与膜层材料十分接近,热稳定性高达1000℃(保温30min不析晶)。该基板适用于薄膜太阳能电池的硅材料镀膜。这些玻璃的热膨胀系数曲线在室温至800℃范围内,几乎与多晶硅的热膨胀系数重合。通过调整膨胀系数,该基板玻璃同样适合于锗、硅-锗、砷化镓、碳化硅、金刚石、铜-铟-硒、氮化镓材料的镀膜等。镀膜工艺可以采用沉积技术,如化学气相沉积法、溶液生长法、离子注入法或离子束辅助沉积法、分子筛(束)沉积法、溅射沉积辅助技术等。2.2.3玻璃、薄膜、太阳能电池的特殊措施(1)太阳能玻璃生产技术20世纪90年代英国皮尔金顿公司开发了一种浮法玻璃在线镀膜工艺。该镀膜技术系采用化学气相沉积法,在生产浮法玻璃的同时,再在其表面形成极薄的半导体膜层,不同的膜层可用来生产不同的产品。据悉,采用这种技术生产的太阳能玻璃可用来制造太阳能电池,即玻璃将吸收的太阳能转变为电能。据报道,1998年日本板硝子公司投资40亿日元从英国皮尔金顿引进了这种非晶态硅镀膜太阳能电池用玻璃基板的在线生产技术与设备,该设备安装在日本千叶县的450t/d级的浮法玻璃生产线上,并于1999年底投产。此外,日本钟渊化学工业公司也开发成功了一种称之为“混合型表面镀膜”的太阳能电池,其结构是以玻璃为基板,在其表面先镀一层非晶硅薄膜,然后在镀一层多晶硅膜。这种混合型结构可吸收从紫外线到红外线的多种波长的阳光,光电转换效率可达10%。(2)太阳能电池的电导率测试最近,美国芝加哥的一家科研机构和德州仪器公司基于洛桑瑞士大学格雷切尔教授的研究成果,共同开发了一种不使用有害气体且可以直接安装在窗框上的玻璃窗式湿式太阳能电池(或称为太阳能玻璃窗),除了可以透过阳光使屋子明亮外,还可以聚集太阳光的能量,并使之转化为电能。该新型玻璃窗式太阳能电池使用两层平板玻璃,在一层平板玻璃的内侧分别涂覆导电膜(负极)和二氧化钛多孔质膜(二氧化钛起到由色素接收电子,并把电子传导给正极电膜的作用),并在其上涂覆色素(如钌的络合物);另一层平板玻璃的内侧则只涂覆导电膜(正极)。两层平板玻璃之间封入膜状电解液(如碘,也在探讨使用导电率高的高分子材料替代电解液的可能性),形成夹层结构,其中电解液起使负电流回到原处的作用。两个导电膜用导线连接,形成电流流动。由于是两层玻璃,所以密封简单。目前该新型玻璃窗式太阳能电池可以把所得到阳光的7%~8%的能量转化为电能,相当于150W的硅太阳能电池,而价格只有同类太阳能电池的1/5~1/10。(3)太阳能电池板外墙外墙体的应用在欧美一些国家,目前正在广泛开展应用一种新型太阳能电池幕墙制品,这是一种将太阳能转换硅片密封在双层