三类薄膜电池特点

文/ 发布于2018-06-27 浏览次数:644

  当前普通晶体硅太阳能电池光电转换效率约为16%~18%,实验室最高效率是25%(面积4cm2)。双结硅基薄膜太阳能电池的实验室最高效率为11.9%(1.227cm2),产品效率8%~9%;CIGS电池和CdTe电池的实验室最高效率分别为20.1%(面积0.503mm2)和16.7%(面积1.032cm2),这两种化合物电池产品效率分别为7%~11%和8%~11%。

  我们知道太阳能电池在应用时都要封装成组件。当晶体硅电池封装成光伏组件后,由于受封装材料(如玻璃、EVA等)限制,有光学损失和电学损失,组件的光电转换效率还要降低1~3个百分点左右。而薄膜电池因其工艺的集成度高,从电池到组件几乎是同步完成的,转换效率几乎没有损失。可见高品质的薄膜光伏组件可以达到晶体硅光伏组件的性能。晶体硅电池中硅材料占总成本的30%~50%,电池成本严重受限于产业链上游材料的质量和数量。相较而言薄膜电池因使用原材料少、工艺集成度高、成本低、柔性可弯曲等特点有独特的发展空间。

  硅基薄膜太阳能电池

  商品化硅基薄膜太阳能电池有单结、双结和三结结构,光电转换效率分别为5%~6%、6%~8%、7%~10%,主要生产单位有美国的United Solar System公司,欧洲的VHF-technologies公司,日本的Kaneka、Sharp、Sanyo、三菱等公司,中国的有天威薄膜、新奥、普乐新能源、南通强生、常州畅源、泉州金太阳、深圳拓日、天津津能、浙江正泰、合肥荣事达等。

  硅基薄膜电池的制备工艺主要是化学气相沉积技术,分为射频等离子体增强的化学气相沉积、甚高频等离子体增强的化学气相沉积、热丝化学气相沉积、热丝催化等离子体化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、脉冲等离子体化学气相沉积等多种,电池生产工艺分为单室多片、多室单片和连续卷对卷技术。设备供应商主要有Oerlikon、Applied Material、Ulvac、Evatech、Leyhold opTIcs、EPV、Energosolar、BudaSolar、Nano PV、华基光电、北仪创新、普乐新能源、思博露科技。这意味着硅基薄膜太阳能电池从设备到工艺技术已经相对成熟。硅基薄膜电池发展遇到的难题是在低成本的前提下如何提高光电转换效率到15%,这样才会有较强的市场竞争力。

  CIGS薄膜太阳能电池

  在薄膜类太阳能电池中CIGS电池具有最高的实验室光电转换效率,2010年德国Stuttgart的ZSW研制了效率为20.3%的单结电池,这是新的世界记录,为CIGS薄膜电池的产业化发展增强了信心。因为CIGS多晶薄膜禁带宽度在1.06eV~1.63eV范围内可调控,而且材料的吸收系数高,是非常理想的太阳能电池材料。这类电池的衬底材料可以选择玻璃、不锈钢或者聚酯膜,都是廉价材料。商品化CIGS电池的转换效率在7%~11%,日本的SolarfronTIer是目前国际上规模最大的CIGS电池制造商,产能达900MW。还有Honda Motor Company,德国的Wurth Solar、Shell Solar、Solarin等,美国的Global Solar、Daystar Technologies、Nanosolar、Miasole等,中国主要有山东孚日、苏州高赛等。

  CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺有真空技术和非真空技术,真空工艺主要有溅射和蒸发。对于溅射方法制备的CIGS薄膜需要后硒化处理改善薄膜的性能。非真空技术可以大大降低电池的制造成本,但电池的性能和效率低下。市场上CIGS光伏产品基本是真空工艺完成的,这样可以保证较高的转换效率和稳定性。与硅基薄膜电池不同,CIGS电池专业的设备供应商还很少,而且到目前为止还没有成功量产化的案例,这需要生产者的团队具备较强的工艺技术实力,以及设备开发与整合能力。日本Solarfrontier公司的设备和工艺都是自主开发的,设备是不在市场销售的。其他各家也基本如此。中国企业基本是花大价钱购买国外设备,但设备不代表工艺技术,也就意味着不一定能成功量产。

  CdTe薄膜太阳能电池

  在光伏电池制造领域,提高光电转换效率和降低生产成本是永远的主题。随着先进制造装备、革新材料、新器件结构的不断出现,电池的效率在迅速提升,成本也在急速下降。美国的第一太阳能(First Solar)已经成了这个行业的领跑者,该公司2009年是世界上最大的太阳能电池制造商,2010年产量达到1.1GW。这类电池的吸收层即CdTe薄膜的性能至关重要,其制备方法有近空间升华法、电沉积法、PVD、CVD、丝网印刷、溅射等,规模化生产应用比较成熟的技术是近空间升华法。当然因为这种电池所用的关键材料为Te和Cd而备受业界质疑。Te的储量有限,Cd是剧毒材料,二者形成化合物CdTe后是无毒的。这类电池的生产企业主要有美国的First Solar、BPsolar、EPIR Tecieshnolog,德国的Antech公司、Siemens,日本的matsushita battery,中国四川的阿波罗、杭州的先进太阳能公司等。由于制造技术主要集中在美国和德国,市场上没有专业的设备供应商,限制了其全球范围的大规模生产。可见如果没有自主开发的核心技术,短时间内是很难成功实现CdTe薄膜电池的规模化生产。不过,我们可以从美国第一太阳能公司的发展历程中学到些东西。

  美国第一太阳能公司成立于1987年,最初生产非晶硅薄膜电池,1990年开始转移到CdTe电池,1992年制造出了第一个120cm×60cm的光伏组件,随后发布建立10MW的生产线,2004年年底产能达到了25MW。其最早供应到市场的组件效率在6.2%~6.9%,面积约0.72m2。研究其发展历程不难发现,其产品良品率在逐年上升,从2003年的70%到2007年的90%。同时,随着技术的进步,其每条生产线的产能已增加到60MW,效率提高到了11%,成本降低到了0.7美元/W左右。预计到2013年产能将达到69MW/line,CdTe薄膜厚度减薄到1.8微米,效率达到11.7%,制造成本锐减到0.66美元/W,稀有元素Te的用量从2007年的260吨/GW将下降到120吨/GW。在2011年5月欧洲大型光伏展览中,第一太阳能宣布随着在德国新工厂的建立,其产能达到里程碑式的4GW。

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