薄膜太陽(yáng)能電池路線圖(5-20)

1、青島市薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)路線圖銅銦鎵硒、非晶硅、染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池二一年五月目 錄一、薄膜太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)述2二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池4（一）國(guó)內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池研發(fā)情況4（二）技術(shù)壁壘7（三）研發(fā)需求7（四）資源狀況8（五）人才團(tuán)隊(duì)8（六）技術(shù)路線圖9三、非晶硅(a-si)薄膜太陽(yáng)能電池11（一）非晶硅薄膜電池的特點(diǎn)11（二）技術(shù)壁壘12（三）研發(fā)需求13（四）技術(shù)路線圖14四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽(yáng)能電池15（一）染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及原理15（二）染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池的前景16（三）技術(shù)壁壘17（四）研發(fā)需求17（五）資源狀況18（六）技術(shù)

2、路線圖18一、薄膜太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)述由于傳統(tǒng)能源的日漸減少和對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟?lèi)的能源結(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。在這之中太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)，豐富的太陽(yáng)輻射能是一種取之不盡、用之不竭、無(wú)污染、廉價(jià)、人類(lèi)能夠自由利用的重要能源。光伏太陽(yáng)能技術(shù)就是直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變成電能的技術(shù)?！肮夥币辉~源于物理學(xué)里的“光生伏特效應(yīng)”，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。利用光伏發(fā)電效應(yīng)原理而制成的將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱(chēng)之為光伏太陽(yáng)能電池或光伏電池，由多個(gè)太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)封裝而形成光伏太陽(yáng)能電

3、池板（組件）。光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的行業(yè)，是其它領(lǐng)域無(wú)法比擬的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是各個(gè)國(guó)家積極鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界有超過(guò)130個(gè)國(guó)家投入普及應(yīng)用太陽(yáng)能電池的熱潮中，其中有90多個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制開(kāi)發(fā)，積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。2007年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到3436MW，較2006年增長(zhǎng)56%，2008年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量高達(dá)6850MW，增速近100%。太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池等。其中，硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。但由于在過(guò)去的幾年中，國(guó)際多晶硅現(xiàn)貨價(jià)格猛漲，

4、一度從2005年的35美元公斤攀升至2008年的480美元公斤，因此價(jià)格低廉的薄膜電池得到了迅速的發(fā)展。薄膜太陽(yáng)能電池是在廉價(jià)的玻璃、不銹鋼或塑料襯底上附上厚度只有幾微米的感光材料制成。與硅基太陽(yáng)能電池相比，薄膜太陽(yáng)能電池具有用材少、重量輕、外表光滑、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種：非晶體硅（a-Si）太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池(CIGS)、碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池(CdTe)。2007年光伏電池分類(lèi)(按原材料)及市場(chǎng)份額各類(lèi)薄膜太陽(yáng)能電池性能比較非晶硅碲化鎘銅銦鎵硒光電轉(zhuǎn)換效率6-7%8-10%10-11%光伏組件效率6-78-1010-11受光面積m

5、2/KWp151110制造能耗低低低制造成本低中中資源豐富度豐富較貧乏較貧乏運(yùn)行可靠程度中較高較高污染程度小中中目前非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和碲化鎘（CdTe）電池己商業(yè)化，染料敏化納米晶電池也有少量市場(chǎng)份額。而碲化鎘（CdTe）電池中的碲為稀少元素之一，擴(kuò)大產(chǎn)能將面臨上游原料缺乏的危機(jī)，且電池中的鎘為污染元素，未來(lái)在歐洲恐被納入環(huán)保管制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。因此青島市薄膜太陽(yáng)能電池以非晶體硅（a-Si）電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池和染料敏化納米晶電池為發(fā)展方向。二、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池，屬于多晶化合物半導(dǎo)體

6、異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。是各種薄膜太陽(yáng)電池中效率最高、最有發(fā)展前途的薄膜太陽(yáng)電池之一，是最具潛力的光伏太陽(yáng)能電池，是新一代太陽(yáng)能電池的投資熱點(diǎn)。（一）國(guó)內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池研發(fā)情況日本和歐美在CIGS太陽(yáng)電池的研究方面投入大量人力物力，并取得相當(dāng)快的進(jìn)展。日本從1994年啟動(dòng)CIGS產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。由昭和殼牌石油和松下電器分別以濺射硒化工藝和共蒸發(fā)工藝為中心進(jìn)行研發(fā)，研究開(kāi)發(fā)總投資達(dá)到2OO億日元(相當(dāng)1 4億人民幣)以上；美國(guó)以國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）為中心進(jìn)行研究，以GSE及Shell Solar為主進(jìn)行產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)；德國(guó)則以風(fēng)險(xiǎn)投資型企業(yè)Wurth SoIar為主，由政府投入巨

7、資進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)總經(jīng)費(fèi)都達(dá)到了數(shù)億美元。目前，世界上有8個(gè)公司(德國(guó)的Wurth Solar、美國(guó)的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌、德國(guó)的Sulfurcell、美國(guó)的Daystar、美國(guó)Ascent以及美國(guó)的Miasole)致力于CIGS薄膜光伏的商業(yè)化生產(chǎn)，其年產(chǎn)量為l20 MW(見(jiàn)下表)。2007年，世界CIGS薄膜光伏的產(chǎn)能約為42 MW在未來(lái)的23年將得到快速地發(fā)展。預(yù)計(jì)到2010年的產(chǎn)量將達(dá)到917 MW 。 CIGS薄膜光伏電池生產(chǎn)能力(2O07-2010年) 單位：MW序號(hào)地區(qū)公司2007產(chǎn)能增加產(chǎn)能20l0總產(chǎn)能1美國(guó)MiaSole550552美國(guó)Global

8、 Solar360633美國(guó)Dayster Trchnologies110114美國(guó)Acent225275美國(guó)Nanosolar4304306美國(guó)SoloPower20207美國(guó)ISET338美國(guó)Heliovolt20209日本Showa Shell20608010日本Honda3273011歐洲Wurth Solar3151812歐洲Sulfur Cells5513歐洲Aleo Solar303014歐洲Juhanna Solar Tech303015歐洲Solisbro303016歐洲Global Solar303017歐洲Avancies202018歐洲Scheuten Solar101

9、019歐洲Odersun55合計(jì)428759172001年以前，我國(guó)從事CIGS薄膜太陽(yáng)能電池研究的單位極少，稍有影響的是天津南開(kāi)大學(xué)光電子所和清華大學(xué)機(jī)械工程系功能薄膜研究室。之后北京大學(xué)重離子實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系、中國(guó)科技大學(xué)等也開(kāi)始開(kāi)展了銅銦硒（C I S）系太陽(yáng)能電池的研究。（二）技術(shù)壁壘典型的CIGS柔性薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)上圖所示，由柔性襯底、下電極、吸收層、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極構(gòu)成的。CIGS柔性薄膜太陽(yáng)電池制備工藝的關(guān)鍵點(diǎn)在于吸收層的制備，而襯底材料的選擇、底電極、緩沖層、窗口層、減反射膜和上電極的制備對(duì)太陽(yáng)電池的性能影響也很重要。根據(jù)我市的具體情況，CIG

10、S太陽(yáng)電池存在以下技術(shù)壁壘：1、材料：CIGS合金制材料研制不易；2、工藝：CIGS吸收層工藝簡(jiǎn)化、防護(hù)層與吸收層及窗口層晶界配合、貧銅及薄膜太陽(yáng)能帶隙雙梯度的研究；3、設(shè)備：自動(dòng)連續(xù)電子束重發(fā)臺(tái)、高刻劃精度激光設(shè)備研制、可刻劃圖像的激光設(shè)備研制；（三）研發(fā)需求針對(duì)以上存在的技術(shù)壁壘，需開(kāi)展以下技術(shù)攻關(guān)：1、材料：開(kāi)展CIGS合金靶材研制、高純、（）氣體研制、合金靶材研制、合金靶材研制、合金靶材研制、及合金靶材研制和可刻畫(huà)圖像的激光設(shè)備研制；2、工藝：CIGS合金靶材研制、CIGS薄膜太陽(yáng)能電池、吸收層核心工藝研發(fā)、疊層CIGS吸收層工藝研發(fā)、柔性襯底疊層吸收層工藝研發(fā)、無(wú)鎢絲型離子源研制、高

11、刻畫(huà)圖像的激光設(shè)備研制；3、設(shè)備；電子束蒸發(fā)臺(tái)設(shè)備研制、柔性襯底自動(dòng)鍍膜設(shè)備研制、智能型逆變器研制（四）資源狀況提供技術(shù)支撐的院校和研究院所有：中國(guó)海洋大學(xué)、青島科技大學(xué)、生物能源與過(guò)程研究所、腐蝕與防護(hù)研究所。企業(yè)有：青島昌盛日電科技有限公司（銅錮鎵硒）、青島昌盛日電設(shè)備有限公司、青島正翔半導(dǎo)體材料有限公司、青島天源氣體有限公司（提供高純、（）氣體）、青島新正鋰業(yè)公司（蓄電池）、青島浮法玻璃公司（提供鈉石灰玻璃）。（五）人才團(tuán)隊(duì)初步調(diào)研，我市已有足夠的人才來(lái)發(fā)展CIGS的薄膜太陽(yáng)能電池事業(yè)，若能提供更好的政策，讓人才能安心的在青島發(fā)展，相信太陽(yáng)能事業(yè)必能得到良好的發(fā)展。（六）技術(shù)路線圖三、非

12、晶硅(a-si)薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)電池是20世紀(jì)70年代中期才發(fā)展起來(lái)的一種新型薄膜太陽(yáng)電池。非晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展對(duì)整個(gè)光伏電池的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用，并成為光伏能源中的一支生力軍。因光誘導(dǎo)衰減影響，非晶硅電池的效率隨時(shí)間增加而逐漸降低(SW效應(yīng))，其發(fā)展速度逐漸放緩。（一）非晶硅薄膜電池的特點(diǎn)非晶硅太陽(yáng)能電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)，比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1m厚）就能吸收90%有用的太陽(yáng)能。這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)格太陽(yáng)能電池的最主要因素。2、非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，開(kāi)路電壓相對(duì)較高。3、制備非晶

13、硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積溫度低，時(shí)間短，適用大批生產(chǎn)。4、非晶硅幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，易于實(shí)現(xiàn)大面積化。5、制備非晶硅太陽(yáng)能電池能耗少，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短得多。上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得非晶硅(a-si)薄膜電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽(yáng)能照明光源。由于非晶硅薄膜電池的良好前景，許多企業(yè)正大規(guī)模進(jìn)入非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)主要非晶硅薄膜電池生產(chǎn)廠家詳見(jiàn)下表。表 國(guó)內(nèi)主要非晶硅薄膜電池廠家與技術(shù)來(lái)源廠家類(lèi)型技術(shù)來(lái)源生產(chǎn)能力電池生產(chǎn)廠家天津津能非晶硅匈牙利廊坊新奧非晶硅微晶硅美國(guó)40保定天威非晶硅瑞士40南陽(yáng)宏威非

14、晶硅東莞宏威數(shù)碼30威海中玻非晶硅匈牙利10杭州正泰非晶硅微晶硅瑞士40杭州天宇非晶硅日本25蚌埠普樂(lè)非晶硅自有技術(shù)20南通強(qiáng)生非晶硅自有技術(shù)上海尚德非晶硅美國(guó)40南昌百世德非晶硅微晶硅美國(guó)40泉州金太陽(yáng)非晶硅北儀30深圳拓日非晶硅自有技術(shù)20深圳創(chuàng)益非晶硅自有技術(shù)20深圳宇光非晶硅自有技術(shù)5深圳杜邦非晶硅日本25中山銓欣非晶硅北儀10設(shè)備制造商北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司東莞宏威數(shù)碼機(jī)械有限公司深圳宇光高科新能源技術(shù)有限公司（二）技術(shù)壁壘非晶硅薄膜電池有兩個(gè)致命缺點(diǎn)：一是不穩(wěn)定，壽命短。在光的不斷照射下會(huì)發(fā)生光致衰減效應(yīng)（即Staebler-Wronski效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)S-W效應(yīng))，光電轉(zhuǎn)化

15、效率會(huì)下降到原來(lái)的25。二是它的光電轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)比晶體硅低，最近面世的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)提高到18%，而非晶硅的光電轉(zhuǎn)化效率一直沒(méi)有超過(guò)10%。解決非晶硅薄膜電池穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率的關(guān)鍵分材料、工藝、設(shè)備三個(gè)方面。材料方面主要瓶頸在于非晶與晶體的摻混比例、化學(xué)計(jì)量的摻雜非晶硅、高性能透明導(dǎo)電層的研制等；工藝方面，我國(guó)尚不具備成套組件的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)工藝需要自國(guó)外引進(jìn)；設(shè)備方面需要解決設(shè)備集成技術(shù)、真空傳遞機(jī)械手、生產(chǎn)設(shè)備（如：在線檢測(cè)設(shè)備、高質(zhì)量pecvd、鍍膜、光刻、封裝切割設(shè)備）等的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)。（三）研發(fā)需求1、電池材料（1）高效低成本硅薄膜材料：研究非晶與晶體的摻混比例，進(jìn)一步降低非

16、晶硅薄膜電池的成本，對(duì)非晶硅薄膜電池的發(fā)展具有重大意義。（2）寬光譜光電轉(zhuǎn)換多帶隙材料的研制研究?jī)深?lèi)納米材料。一類(lèi)是禁帶中具有中間帶的納米材料。第二類(lèi)是納米多層膜，研究多帶隙納米Si、ZnSe、CdTe、CdSe等材料和全光譜多層膜的制備方法。2、高轉(zhuǎn)換效率技術(shù)3、工藝與設(shè)備工藝方面將研究膜層厚度的優(yōu)化和摻雜工藝的優(yōu)化；設(shè)備則進(jìn)行核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研究、大面積鍍膜設(shè)備的開(kāi)發(fā)集成和真空傳遞機(jī)械手的控制研究。（四）技術(shù)路線圖四、染料敏化(DSSC)薄膜太陽(yáng)能電池染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池自瑞士洛桑高等理工學(xué)院Gratzel M教授在1991年取得突破性進(jìn)展以來(lái)，得到國(guó)際上廣泛關(guān)注和重視，其廉價(jià)的生產(chǎn)成本和

17、易于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)、較短的能量回收周期以及廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是太陽(yáng)能電池走向大規(guī)模應(yīng)用的先導(dǎo)，吸引了眾多科學(xué)家與企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。國(guó)外產(chǎn)業(yè)化剛剛開(kāi)始，現(xiàn)在僅英國(guó)和澳大利亞的兩家公司宣傳已經(jīng)成功將其產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)目前雖尚未產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已日益成熟。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所、等離子體所等單位正在與一些企業(yè)合作，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的演示，現(xiàn)在大面積轉(zhuǎn)換效率為6，具備實(shí)用化的基本條件，但效率和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步考驗(yàn)。（一）染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及原理染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)電池原理不同，其工作原理是當(dāng)入射光照射到電極上時(shí)，染料分子吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，釋放的電子快速注入

18、到緊鄰的TiO2的導(dǎo)帶上，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。被氧化了的染料分子通過(guò)電解液擴(kuò)散過(guò)來(lái)的I-還原回到基態(tài)，使染料分子得到再生，I-被氧化成I3-；同時(shí)電解質(zhì)中的I3-擴(kuò)散回到對(duì)電極被電子還原成I-。然后DSSC電池在光作用下將進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。（二）染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池的前景與傳統(tǒng)的硅系太陽(yáng)電池相比，染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池有良好的優(yōu)勢(shì)：第一，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低。與硅系太陽(yáng)電池相比，染料敏化電池沒(méi)有復(fù)雜的制備工序，也不需要昂貴的原材料，產(chǎn)業(yè)鏈不長(zhǎng)，容易實(shí)現(xiàn)成本低的商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)估計(jì)DSSC太陽(yáng)電池的制造成本只有硅系太陽(yáng)電池的1/101/5。第二，對(duì)環(huán)境

19、危害小。在硅電池制造中，所用的原料四氟化碳是有毒的，且需要高溫和高真空，同時(shí)這一過(guò)程中需要耗費(fèi)很多的能源；而DSSC電池所用的二氧化鈦是無(wú)毒的，對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害不存在回收問(wèn)題。第三，效率轉(zhuǎn)換方面基本上不受溫度影響，而傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)電池的性能隨溫度升高而下降。第四，光的利用效率高，對(duì)光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光。DSSC太陽(yáng)電池雖然有光明的前景，但其研究仍在起步階段，還有較多難以克服的缺陷使其不能被廣泛應(yīng)用。DSSC目前研究較有成果的是液態(tài)電解質(zhì)電池，但這種電池存在一系列問(wèn)題，如容易導(dǎo)致染料的脫附，容易揮發(fā)給密封性帶來(lái)問(wèn)題，含碘的液態(tài)電解質(zhì)具有腐蝕性，且本身存在不逆反應(yīng)導(dǎo)致電池壽命縮短。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就是研制固態(tài)染料敏化電池，但目前這種固態(tài)電池的仍處于研究階段，光電轉(zhuǎn)換效率很低。（三）技術(shù)壁壘染料敏化太陽(yáng)能電池目前比較成熟的染料光敏化劑是金屬釕配合物，該染料不但具有很寬的可見(jiàn)光吸收區(qū)域，而且使用壽命很長(zhǎng)，滿足應(yīng)用于光電池的基本條件。但是核心的釕染料價(jià)格昂貴，我國(guó)目前尚無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這也直接制約到染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步低價(jià)格推廣。有機(jī)空穴傳輸材料作為染料敏化太陽(yáng)能電池的全固態(tài)電解質(zhì)，研究十分活躍，但由于納米多孔膜存在孔徑大小、分布和形貌等許多復(fù)雜因素