薄膜太陽能電池需突破工藝材料瓶頸

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摘要：環(huán)境與能源問題一直是受國際關(guān)注的熱點問題，人類對可持續(xù)能源的需求變得十分迫切，中國政府在“十二五”規(guī)劃中對新能源提出了具體的發(fā)展目標。在新能源領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電占據(jù)了重要的位置。 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，     環(huán)境與能源問題一直是受國際關(guān)注的熱點問題，人類對可持續(xù)能源的需求變得十分迫切，中國政府在“十二五”規(guī)劃中對新能源提出了具體的發(fā)展目標。在新能源領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電占據(jù)了重要的位置。

    光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏產(chǎn)品應(yīng)用具有多樣性，這些為薄膜太陽能電池提供了發(fā)展機遇，但薄膜太陽能電池仍面臨著很大的挑戰(zhàn):對于一些化合物材料的物理科學(xué)問題缺少充分的理解，工藝技術(shù)有待創(chuàng)新改進，還需要新材料和新結(jié)構(gòu)來替代貴材料和毒材料,尤其是化合物薄膜電池，關(guān)鍵精密設(shè)備與工藝的集成度有待深入研究開發(fā)。

    薄膜太陽能電池產(chǎn)量創(chuàng)下新紀錄

    近些年太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，過去10年間世界光伏電池和組件的產(chǎn)量年增幅大于35%。根據(jù)Solarbuzz最新年度光伏市場報告，2010年全球光伏市場安裝量達到18.2GW，比2009年增加139%。從產(chǎn)值看，2010年光伏產(chǎn)業(yè)全球營收達到820億美元，與2009年相比增幅達105%。2010年全球前5大光伏市場國家為德國、意大利、捷克、日本和美國，這5個國家占據(jù)全球安裝量的80%，日本和美國的光伏市場增長速度很快，年增長分別達到101%和96%。

    總體而言，2010年世界上有100多個國家為光伏產(chǎn)業(yè)的迅速增長做出了貢獻。另外，從產(chǎn)量看，2010年全球太陽能電池產(chǎn)量達到20.5GW，中國大陸和中國臺灣的電池產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的59%。從廠商出貨量看，尚德電力和晶澳太陽能并列第一，緊隨其后的是美國第一太陽能。其中薄膜太陽能電池占全球太陽能電池總產(chǎn)量的13.5%，這也是光伏市場薄膜電池產(chǎn)量的新紀錄。

    目前在光伏市場上薄膜太陽能電池的產(chǎn)品類型主要有CdTe薄膜電池、硅基薄膜電池和CIGS薄膜電池。這些薄膜太陽能電池根據(jù)襯底材料可以分為剛性(即玻璃襯底)電池和柔性(不銹鋼或聚酯膜襯底)電池。其中柔性電池的優(yōu)點是可折疊、重量輕、不易碎。與常規(guī)的晶體硅太陽能電池相比，這些薄膜電池使用材料很少，構(gòu)成太陽能電池的薄膜材料厚度不超過5微米，而晶體硅電池厚度約180微米～200微米。各種材料薄膜太陽能電池以其特有的優(yōu)勢和逐漸成熟的工藝技術(shù)占有了光伏市場的一席之地，而且成長速度非常快。

    工藝、材料是規(guī)?；a(chǎn)最大瓶頸

    薄膜太陽能電池因為廉價的襯底材料(如玻璃、不銹鋼、聚酯膜)，有柔性，材料禁帶寬度可調(diào)控，組件溫度系數(shù)低等優(yōu)點很受矚目，在光伏市場的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大，2010年已經(jīng)占13%以上的市場份額。各種薄膜電池都有一些瓶頸問題尚未解決。

    目前硅基薄膜太陽能電池，無論單結(jié)、雙結(jié)還是三結(jié)電池，制造工藝都是采用等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟氣體。荷蘭科學(xué)家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上發(fā)表文章稱，這種含氟氣體對環(huán)境造成的溫室效應(yīng)比CO2高17200～22800倍。太陽能光伏發(fā)電一直以來被認為是綠電，那么在制造環(huán)節(jié)中也應(yīng)該采用綠工藝。對于硅基薄膜電池廠商來說，有尋找新的清洗氣體替代當前的氟化物的方案，降低溫室氣體排放。另一種方案是盡快提高電池的轉(zhuǎn)換效率，當穩(wěn)定效率達到12%～16%，才有可能補償排放的溫室氣體對環(huán)境的影響。此外由于硅薄膜組件效率低(5%～7%)，在光伏系統(tǒng)應(yīng)用中單位發(fā)電功率占地面積幾乎是晶體硅組件(效率為13%～15%)的2倍，相應(yīng)地，BOS的成本也要增加，可見提高硅基薄膜組件的光電轉(zhuǎn)換效率是贏得市場的重要條件。

    最近幾年，更多的人開始關(guān)注CIGS薄膜太陽能電池，量產(chǎn)化成功的案例是日本的SolarFrontier(前身是Showa Shell)，技術(shù)和設(shè)備是自主開發(fā)的。其CIGS薄膜的技術(shù)路線是濺射加后硒化處理，核心就是后硒化處理。由于硒化過程采用有毒氣體，硒化設(shè)備的設(shè)計非常重要，而市場上沒有專業(yè)的硒化設(shè)備供應(yīng)商。此外采用蒸發(fā)技術(shù)制備CIGS薄膜遇到的問題是如何做到大面積薄膜的均勻性和可靠性，包括薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)和厚度等的均勻性和可靠性。除了上述技術(shù)上的難題，原材料In也是人們議論的焦點之一。In是貴金屬，地球上材料豐度小，可能會限制這類電池的大規(guī)模生產(chǎn)。這就對新材料的開發(fā)提出了高的要求。PV-tech.com網(wǎng)站2011年5月報導(dǎo)瑞士科學(xué)家在柔性塑料襯底上制備出18.7%轉(zhuǎn)換效率的CIGS電池，柔性電池的主要優(yōu)點是可以采用卷對卷工藝來降低制造成本。上圖給出了美國Global Solar公司的產(chǎn)品示意圖。柔性電池產(chǎn)業(yè)化道路上的主要障礙是如何在低溫條件下制備性能優(yōu)良的薄膜。

    美國第一太陽能對CdTe薄膜電池技術(shù)嚴密封鎖，其他欲進入該領(lǐng)域的企業(yè)在量產(chǎn)化過程中困難重重。

    目前中國的薄膜電池企業(yè)大部分在硅基薄膜領(lǐng)域，也有一些企業(yè)開始進入CIGS和CdTe薄膜電池領(lǐng)域。這些企業(yè)比較普遍的做法是關(guān)鍵設(shè)備和原材料從國外進口，由于缺少核心技術(shù)，遇到的問題是整條生產(chǎn)線各種設(shè)備的兼容性不理想，設(shè)備與工藝的集成度不高，導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低，成本難以下降，市場競爭力弱。

    三類薄膜電池齊頭并進各有千秋

    當前普通晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率約為16%～18%，實驗室最高效率是25%(面積4cm2)。雙結(jié)硅基薄膜太陽能電池的實驗室最高效率為11.9%(1.227cm2)，產(chǎn)品效率8%～9%；CIGS電池和CdTe電池的實驗室最高效率分別為20.1%(面積0.503mm2)和16.7%(面積1.032cm2)，這兩種化合物電池產(chǎn)品效率分別為7%～11%和8%～11%。

    我們知道太陽能電池在應(yīng)用時都要封裝成組件。當晶體硅電池封裝成光伏組件后，由于受封裝材料(如玻璃、EVA等)限制，有光學(xué)損失和電學(xué)損失，組件的光電轉(zhuǎn)換效率還要降低1～3個百分點左右。而薄膜電池因其工藝的集成度高，從電池到組件幾乎是同步完成的，轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有損失。可見高品質(zhì)的薄膜光伏組件可以達到晶體硅光伏組件的性能。晶體硅電池中硅材料占總成本的30%～50%，電池成本嚴重受限于產(chǎn)業(yè)鏈上游材料的質(zhì)量和數(shù)量。相較而言薄膜電池因使用原材料少、工藝集成度高、成本低、柔性可彎曲等特點有獨特的發(fā)展空間。

    硅基薄膜太陽能電池

    商品化硅基薄膜太陽能電池有單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換效率分別為5%～6%、6%～8%、7%～10%，主要生產(chǎn)單位有美國的United Solar System公司，歐洲的VHF-technologies公司，日本的Kaneka、Sharp、Sanyo、三菱等公司，中國的有天威薄膜、新奧、普樂新能源、南通強生、常州暢源、泉州金太陽、深圳拓日、天津津能、浙江正泰、合肥榮事達等。

    硅基薄膜電池的制備工藝主要是化學(xué)氣相沉積技術(shù)，分為射頻等離子體增強的化學(xué)氣相沉積、甚高頻等離子體增強的化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、熱絲催化等離子體化學(xué)氣相沉積、微波等離子體化學(xué)氣相沉積、脈沖等離子體化學(xué)氣相沉積等多種，電池生產(chǎn)工藝分為單室多片、多室單片和連續(xù)卷對卷技術(shù)。設(shè)備供應(yīng)商主要有Oerlikon、Applied Material、Ulvac、Evatech、Leyhold optics、EPV、Energosolar、BudaSolar、Nano PV、華基光電、北儀創(chuàng)新、普樂新能源、思博露科技。這意味著硅基薄膜太陽能電池從設(shè)備到工藝技術(shù)已經(jīng)相對成熟。硅基薄膜電池發(fā)展遇到的難題是在低成本的前提下如何提高光電轉(zhuǎn)換效率到15%，這樣才會有較強的市場競爭力。

    CIGS薄膜太陽能電池

    在薄膜類太陽能電池中CIGS電池具有最高的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率，2010年德國Stuttgart的ZSW研制了效率為20.3%的單結(jié)電池，這是新的世界記錄，為CIGS薄膜電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展增強了信心。因為CIGS多晶薄膜禁帶寬度在1.06eV～1.63eV范圍內(nèi)可調(diào)控，而且材料的吸收系數(shù)高，是非常理想的太陽能電池材料。這類電池的襯底材料可以選擇玻璃、不銹鋼或者聚酯膜，都是廉價材料。商品化CIGS電池的轉(zhuǎn)換效率在7%～11%，日本的Solarfrontier是目前國際上規(guī)模最大的CIGS電池制造商，產(chǎn)能達900MW。還有Honda Motor Company，德國的Wurth Solar、Shell Solar、Solarin等，美國的Global Solar、Daystar Technologies、Nanosolar、Miasole等，中國主要有山東孚日、蘇州高賽等。

    CIGS薄膜太陽能電池的制備工藝有真空技術(shù)和非真空技術(shù)，真空工藝主要有濺射和蒸發(fā)。對于濺射方法制備的CIGS薄膜需要后硒化處理改善薄膜的性能。非真空技術(shù)可以大大降低電池的制造成本，但電池的性能和效率低下。市場上CIGS光伏產(chǎn)品基本是真空工藝完成的，這樣可以保證較高的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。與硅基薄膜電池不同，CIGS電池專業(yè)的設(shè)備供應(yīng)商還很少，而且到目前為止還沒有成功量產(chǎn)化的案例，這需要生產(chǎn)者的團隊具備較強的工藝技術(shù)實力，以及設(shè)備開發(fā)與整合能力。日本Solarfrontier公司的設(shè)備和工藝都是自主開發(fā)的，設(shè)備是不在市場銷售的。其他各家也基本如此。中國企業(yè)基本是花大價錢購買國外設(shè)備，但設(shè)備不代表工藝技術(shù)，也就意味著不一定能成功量產(chǎn)。

    CdTe薄膜太陽能電池

    在光伏電池制造領(lǐng)域，提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本是永遠的主題。隨著先進制造裝備、革新材料、新器件結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，電池的效率在迅速提升，成本也在急速下降。美國的第一太陽能(First Solar)已經(jīng)成了這個行業(yè)的領(lǐng)跑者，該公司2009年是世界上最大的太陽能電池制造商，2010年產(chǎn)量達到1.1GW。這類電池的吸收層即CdTe薄膜的性能至關(guān)重要，其制備方法有近空間升華法、電沉積法、PVD、CVD、絲網(wǎng)印刷、濺射等，規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用比較成熟的技術(shù)是近空間升華法。當然因為這種電池所用的關(guān)鍵材料為Te和Cd而備受業(yè)界質(zhì)疑。Te的儲量有限，Cd是劇毒材料，二者形成化合物CdTe后是無毒的。這類電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有美國的First Solar、BPsolar、EPIR Tecieshnolog，德國的Antech公司、Siemens，日本的matsushita battery，中國四川的阿波羅、杭州的先進太陽能公司等。由于制造技術(shù)主要集中在美國和德國，市場上沒有專業(yè)的設(shè)備供應(yīng)商，限制了其全球范圍的大規(guī)模生產(chǎn)?？梢娙绻麤]有自主開發(fā)的核心技術(shù)，短時間內(nèi)是很難成功實現(xiàn)CdTe薄膜電池的規(guī)?；a(chǎn)。不過，我們可以從美國第一太陽能公司的發(fā)展歷程中學(xué)到些東西。

    美國第一太陽能公司成立于1987年，最初生產(chǎn)非晶硅薄膜電池，1990年開始轉(zhuǎn)移到CdTe電池，1992年制造出了第一個120cm×60cm的光伏組件，隨后發(fā)布建立10MW的生產(chǎn)線，2004年年底產(chǎn)能達到了25MW。其最早供應(yīng)到市場的組件效率在6.2%～6.9%，面積約0.72m2。研究其發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)品良品率在逐年上升，從2003年的70%到2007年的90%，預(yù)計到2015年將提升到95%。同時，隨著技術(shù)的進步，其每條生產(chǎn)線的產(chǎn)能已增加到60MW，效率提高到了11%，成本降低到了0.7美元/W左右。預(yù)計到2013年產(chǎn)能將達到69MW/line，CdTe薄膜厚度減薄到1.8微米，效率達到11.7%，制造成本銳減到0.66美元/W，稀有元素Te的用量從2007年的260噸/GW將下降到120噸/GW。在2011年5月歐洲大型光伏展覽中，第一太陽能宣布隨著在德國新工廠的建立，其產(chǎn)能達到里程碑式的4GW。