发展新一代薄膜太阳能电池先进技术和产业化

发展新一代先进技术薄膜太阳能光电池产业的综合分析及产业化,马昕 Dr.Xin Ma 行者集团创始人首席科学家 中科院博士、清华大学博士后， 2008科技奥运委员奥运安保顾问2012伦敦奥运顾问 北京市市政府顾问中国科学技术协会第七次全国代表大会代表 国家标准委会委员,国家发改委欧洲货币基金组织2008新能源论坛光伏论坛主席,2008年中国科博会新能源主题报告人 国家专利局北京市专利局太阳能专利申请冠军获资助第一名 中国国家安全论坛CNSF大会报告人（综合安全，能源安全） 中国人民解放军军事统筹学会科技委委员 北京青联委员 科协委员,我作为中国科协七大全国代表，见证了七大上胡主席,温总理非常重视新能源的情形.七大代表中有不少人是在毛主席周总理带领下制定国家一五规划的专家科学家，“一五”规划出了两弹一星，保证了中国37年和平稳定发展.新的一代领导人的治国思路是建设创新型国家，尤其重视以太阳能为代表的新能源，更重视中国对新能源核心技术的掌握和太阳能电池板的规模化生产。这将实现国家领导和国家发改委提出的中国成为世界最大能源输出国的伟大理想和目标。 作为2008年国家发改委和欧洲货币基金组织世界新能源大会光伏论坛主席 ，我和与会的其他新能源分论坛有过深入交流，风能不稳定，生物质能原料不足等难以大规模推广。先进市可以在全国首先树立集中发展非晶硅薄膜电池产业，作为正在兴起的第二波太阳能光电池的产业化浪潮代表，低能耗，低成本，完全绿色生产，这也是先进工业可以率先超越江苏等省金融危机下陷入颓势的多晶硅高能耗高污染产业的机遇。措施是建立市政府支持，企业为主的产学研相结合研究中心、装备制造和大批量生产。以行者集团SinoSolar 等为代表的掌握核心装备制造和工艺技术的企业在第一轮光伏浪潮多晶硅投资1000亿元的指标型多个大省迅速取代多晶硅，成为拉动内需的骨干项目。,太阳光辐射是地球上光和热的主要源泉。太阳辐射的能量来源于太阳核心的热核聚变，4 个氢原子聚变成1 个氦原子。对于“质子质子”循环核聚变，反应过程的质量亏损m4mHmHe，按照爱因斯坦质能关系E=mC2 (C 为光速) 计算，相当于25MeV 的能量。在太阳核心，每秒大约有700 亿吨氢聚变成氦，其质量亏损分数约为0.7，每秒释放的能量大约相当于3.91026 焦耳，主要以射线的形式放出。经过对流、辐射和吸收、再发射等复杂而漫长的（以百万年计）能量传递过程，这一能量到达太阳表面，维持太阳表面光球温度约为5758K 。太阳从诞生至今大约已经过了46 亿年，估计太阳寿命至少还有50 亿年。所以，太阳光辐射，对于现今人类社会活动而言，实际上是无穷无尽的 薄膜太阳能电池是爱因斯坦光电效应的原理由光子直接和电子交换能量，电子能级跳跃，通过薄膜材料的结构，产生光电压光电流，能量转化效率目前已经可达到63%；而且没有任何热和污染。 光电转化中光是广义的，可见光，红外光，激光甚至核射线都可以通过光电池特别是 薄膜光电池发电，比如行者的专利技术”稳定的B伏长寿命核电池” 就是15年以上不用充电不用阳光能稳定发电的电池。来自量子电子学理论的核能光子电子能量转换的效率是化学燃烧所不能比的。 煤和石油都来自太阳能，是不可再生化石能源，传统煤电是化学燃烧温度升高电子运动速度加快，金属锅炉电子和水分子电子交换能量带动水蒸汽升温推动汽轮机发电，这个过程能量转化率不足1%，而且产生没用的热量和污染排放；,光电产业和薄膜太阳电池物理基础。,信息的载体一般是指光子、电子和声子，声子运动速度很慢，主要考虑光子和电子。 光伏太阳电池作为光电能量转换器件，主要研究光子和电子之间的相互作用，以及如何抑制声子（主要能量损失途径）对过程的参予 电子和光子在器件中的运动一般是在很薄的一层有源区内，材料中真正有用的部分是在表面上，这就为制造薄膜器件提供了物理基础 由于光子在晶体硅内需要100um以上才能充分吸收，而以非晶体硅为代表的薄膜在500nm-1um以内就可以吸收光子，材料消耗仅为1%，具有根本的成本优势，低生产能耗、低排放、低污染。 美国薄膜太阳电池从2006年起占优势，2008 三大家公司合并超200MW超过其他,信息的载体,能量的载体,光伏太阳电池,光子 电子 声子,微电子和光电子,科学分类： 两类（外延和非单晶）薄膜电池技术,薄膜电池并不仅是非晶硅薄膜电池，科研规划必须有广阔的视野才能保证长久发展 晶体衬底上外延生长单晶薄膜： 有序度更高，完整性更好，迁移率高，少子寿命长，光谱尖锐。晶体衬底上外延生长单晶薄膜.应用举例: 高密度、高速度光电子器件和微电子器件; 高效III-V族三结叠层太阳电池（40.7%）;低阻Si衬底外延薄膜太阳电池（15%）;理提纯Si衬底外延薄膜太阳电池; 介质衬底上淀积的非单晶薄膜 大面积薄膜材料，一般是在低温下沉积在廉价的异质衬底上的，如玻璃、不锈钢带、塑料薄膜等都是常用的薄膜电池衬底材料，从而成本低。 这样制备的薄膜材料具有多晶、微晶或非晶态结构,大面积薄膜太阳电池,由于对光电转换的速度没有高的要求，器件结构又相对简单，薄膜材料可以胜任。 硅基薄膜太阳电池的极限效率 对于非聚光和全聚光6000 K 黑体辐射条件而言，电池极限效率分别约为31.0和40.7%；对于AM1.5G 光谱而言，电池极限效率在1.13eV 和1.35eV 处存在两个十分相近的峰值，大约为32.8%。在具有Lambertian理想织构表面下，俄歇复合限制的晶硅电池极限效率与厚度有关。80 微米时效率极大值29%；对于硅基薄膜电池，厚度2微米时26%；,目前全世界应用和研究最多的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓（ GaAs ）以及非晶硅（ -Si ）薄膜、碲化镉（ CdTe ）、铜铟硒（ CuInSe2 ，或缩写为 CIS ）等薄膜材料等。 砷化镓电池成本高，用于面积小的特种场合，原材料有毒。 CdTe 是剧毒制癌材料，生产和环保问题严重。镉处理技术最近有突破，将来。南非。 多晶硅/单晶硅：是最老的技术之一，二战后即出现，最近30年提高很慢，发展潜力很小，现在随着欧元贬值投资多晶硅生产的各省已经陷入颓势，国际上投资重心已经转移到本技术的高效非晶硅薄膜电池上来。 铜铟镓硒：技术尚在实验阶段、原料稀缺、因用重金属做原料而严重污染环境， 30年前即已发明，始终没能产业化，有3个致命缺点：1）所用铟材料，是地球上最短缺的材料之一，若从小批量试验到大批量生产材料根本难以供应，现在仅仅是小规模1MW级的小试验线已经带来材料价格飞涨）；2）所用材料中，硒也是剧毒材料，生产过程始终有严重环保和排放问题，最早从事CIGS研究的德国西门子公司失败后把全部业务卖给更大的壳牌Shell 公司，壳牌公司Shell 也不能解决问题，最终关闭了在美国加州的CIGS生产线。3）成本问题，CIGS的电池需要的工作温度在600度以上，能耗高，设备本身成本高，在真空系统中，能耗测算有一个简单公司，工作绝对温度之比的5次方，此CIGS的制造工作绝对温度为（600 +273= 873 K ）; 而不到200度制造工作温度的更有希望的非晶硅+微晶硅薄膜电池工作绝对温度为 200+273=473K：所以CIGS的能耗比非晶硅+微晶硅薄膜电池能耗比相差几十倍以上。CIGS系统实际成本是非常高的。,实验室效率和大面积组件效率难点，近期发展硅基薄膜太阳电池的关键技术和装备，下面发展的技术路线,太阳能电池做大面积保持均匀性和效率比实验室的小面积产品是很大的难点。 高效非晶硅电池的技术路线是用高纯度99.999%以上硅烷、磷烷、硼烷等电子特气在超大真空室（2.5立方米以上）超高真空（10-7torr以上）高温（200多度以上）作超大面积（8000平方厘米以上）高均匀度高度可控等离子放电沉积，是当今前沿学科等离子体和半导体材料物理的交叉学科，是各个国家巨额投入的战略性技术，难度巨大，如1970年东方红卫星上中科院就做出了太阳能电池，但是面积很小，需要数以10年计的积累中科院仍未能突破产业化技术；我们现已实现了上述突破作出了拥有全部自主知识产权的装备和电池板生产。 从2006年完成全套图纸攻关和三百项专利申请后，仍花费了2年时间，可见从图纸到实现的技术难度之大。 实验室小面积三结叠层a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si电池稳定效率已达到13% ；我们已经科研攻关成功完全掌握的产业化 工艺而大面积商品a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si电池组件稳定效率7-9% 生产线设备的改进; 掺杂层隔离;针孔密度的降低;衬底清洗; 避免聚合物黄粉产生工艺条件; 趋肤效应、干涉驻波效应等 经过这些年的努力，发展了一种新的高气压VHFPECVD沉积模式，即用甚高频激励等离子体，在高气压、高功率密度、喷淋气流和小电极间距下沉积微晶硅膜。在这种模式下沉积，不仅提高了微晶硅膜生长速率，而且提高了微晶硅膜的致密度和质量。源气体硅烷或乙硅烷也得到充分的分解和利用，几近耗尽模式。据报道，器件质量微晶硅膜的生长速率可达到30埃/秒以上；,进一步可发展下一代高效电池（5大类下一代电池方向）,单就太阳电池效率10 的指标而言，是完全可以实现的。 Si 基薄膜电池已达到9，个别大面积组件效率已达13，预示着Si 基薄膜电池商用组件的效率在不久的将来也可以达到10。前面我们已经谈到，晶硅电池商用组件的效率现已达15，正在向20的目标努力；薄膜电池商用组件效率，已达到9%-10. 多量子井超晶格电池可以进一步提高效率 5大类下一代电池研究方向 1）.多结叠层太阳电池：多结叠层太阳电池采用6叠层技术的电池效率可达64。2% 2）热电池（TPV） 3）多带隙太阳电池，如染料敏化电池可望进一步降低成本 4）碰撞离化电池 5）热载流子太阳电池,关于以薄膜为代表的非晶硅电池的发电成本（发改委2007数据，广东，阳光一类地区）,根据世界自然基金会报告，和国内国家最大电力公司共同研究结果： 达到集约化生产的非晶硅和纳米硅太阳能发电发发电成本可带到7分钱人民币/度，即1个美分，低于火电的最低成本2美分，甚至核电的1.2个美分。,集约化生产(2GW)发电成本下降:,集约化生产时：总成本下降为0.9457/2.26=0.42;既原来的42%；规模化电站本公司的新一代非晶硅光电池的成本：每kwH成本：=2.26万元x 0.42 /5.2955万度= 0.17 元/度; 减排效益：利用太阳能发电，每发1万度相当于代替4吨煤，减少4顿煤的4项大的污染（二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和烟尘）排放；减排效益：使得成本进一步下降为：2.26-0.44 =1.82万元，下降为原来的约80%，使得成本进一步降低为：0.17元/度 x 0.80 = 0.13元/度；可配合聚光镜在高温下工，成本下降50%到0.07元/度。,附：已经可以实现的生产成本明细,太阳能是最大的金融业和航运业:石油和煤也是用太阳能形成的，称为昨日阳光；本项目太阳能电池直接利用太阳能：今日阳光。 建议：,对于各地政府，建立技术创新体系，由掌握全套核心技术和已成功进行装备制造的企业如行者集团（Sinocome, 赛瑞能太阳能光电技术有限公司）等在一个优选地域如临港区等设立核心公司，立项具有集聚效应的建立科研、测试、装备制造总装线及关键设备配套制造初期50MW扩展到500MW和2GW太阳能光电池设备制造和电池板生产项目；占地29万平方米约500亩集约化规划物流和管线等建设。 资金投入：50MW生产线设备投入约1.5亿人民币（合10MW3000万元）；整个项目可以最终形成20-40亿元市政府投入，配合40-60亿元的区县投入，加上社会投入达到总投资100-200亿元/每年规模，形成100-200亿元/每年的工业增加值。 在政府带领下，迅速将产能扩充到近期500MW;远期2GW（200万千瓦/年）以上，对年增加电力容量折合占先进市电力峰值的2.3%-9.2%；创工业增加值10亿到40亿美元，带动产业链100亿至400亿美元，直接增加高附加值货物港口吞吐量20万集装箱标准箱至80万集装箱，占先进港集装箱总吞吐量2%-8%；间接带动160万至640万集装箱吞吐量，占增加后的总吞吐量10-30%，成为先进金融中心和航运中心的支柱产业， 直接新增加就业岗位2万个，间接增加就业岗位10万个以上； 每年可新增加发电15亿度到60亿度折合2010年先进全市用电量1%-4%，减少2000万吨到8000万吨标准煤，减少二氧化碳排放4000万吨至32000吨，减少二氧化硫80万吨至640万吨，减少氮氧化物排放960万吨。使先进在本领域达到国际先进水平。,