非晶硅太阳能电池报告.doc

非晶硅太阳能电池行业调研报告一、太阳能电池概述1.1 太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。1.2 太阳能电池种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。1.3 太阳能电池发展趋势市场发展的需求和发电成本降低的需要是太阳能光伏技术发展的“原动力”；同时，技术进步也是促进光伏产业发展的重要因素。几十年来，围绕着降低成本的各种研究工作取得了辉煌成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续减薄、新材料应用、产业化技术改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性作用。 1.3.1 电池效率不断提高单晶硅电池的实验室效率已经从50 年代的6提高目前的24.7（商业化效率1620）；多晶硅电池实验室效率目前达到了20.3（商业化效率1416）。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功，非晶硅薄膜电池实验室稳定效率达到了13、碲化镉（CdTe）电池实验室稳定效率达到16.4、铜铟硒（CIS）电池实验室效率达到19.5。其他新型电池，如多晶硅薄膜电池、染料敏化电池、有机电池等不断取得进展，更高效率的复合型电池也受到广泛的关注。年份薄晶硅电池薄膜硅电池超高效电池CIS电池染料电池201016（20）12（15）28（40）13（19）6（10）202019（25）14（18）35（45）18（25）10（15）203022（25）18（20）40（50）22（25）15（18）表1.1 预测20102030年主要太阳能电池光电转换效率（%）1.3.2 商业化电池硅片厚度不断降低降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低太阳能电池成本的有效技术措施。30多年来，太阳能电池硅片厚度从70 年代的450500m 降低到目前的180280m，降低了一半以上，硅材料用量大大减少，对降低太阳能电池成本起到了重要的作用。年代厚度（um）硅材料用量 t/MW20世纪70年代450-5002020世纪80年代400-45016-2020世纪90年代350-40013-162006年180-24012-132010年150-18010-112020年80-1008-10表1.2 太阳能电池厚度及用硅量预测1.3.3 生产规模不断扩大生产规模不断扩大和自动化持续提高是太阳能电池生产成本降低的重要方面。太阳电池单厂生产规模已经从上世纪80年代的15MW/年发展到90年代的530MW/年和本世纪的50500MW/年。生产规模与成本降低的关系体现在学习曲线率LR（Learning Curve Rate）上，即生产规模扩大1倍，生产成本降低的百分比。对于太阳电池来说，30年代统计的结果，LR20（含技术进步在内），是所有可再生能源发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现者之一。1.3.4 组件成本大幅降低光伏组件成本3年来降低了2个数量级。2003年世界重要厂商的成本为22.3 美元/Wp，售价2.53美元/Wp，2004 年以后因能源及原材料紧缺，价格有所回升。1.3.5 电池技术快速发展2004 年各种电池技术的市场份额中，其中多晶硅56，单晶硅29，HIT电池（非晶硅（p型）/单晶硅（n型）异质结电池）5，其他为薄膜电池，共计约7。多晶硅电池在1998 年开始超过单晶硅后一直持续增长，各种薄膜电池的绝对生产量近年来也在稳定增加，反映出技术进步的推动力量。总的来说，作为太阳能电池的材料，III-V 族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池，纳米晶太阳能电池和有机聚合物太阳能电池，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，仍处于探索阶段，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。下面我将重点讲述着三种硅基太阳能电池的制作工艺和优缺点，以及在今后的发展中需要解决的问题。二硅基太阳能电池2.1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快、应用最为广泛的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。其生产工艺流程如下：将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。2.2多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度200350m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜。多晶硅（Poly-Si）薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级。高质量的半导体多晶硅薄膜的许多性能参数，都可用单晶硅（c-Si）薄膜和非晶硅氢合金（a-Si：H）薄膜的参数来代替。多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜可在600以下的低温沉积，随后用激光加热晶化或固相结晶等方法形成。电池衬底可采用玻璃甚至塑料类的柔性材料。也可以直接在高温下生长形成多晶硅薄膜，生长温度大于1000，硅的沉积速率约为5nmmin。生长温度高就需要选择耐高温衬底材料，目前通常采用低质量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高温下生长薄膜，获得的多晶硅薄膜具有较好的结晶性，晶粒尺寸较大。低温制备多晶硅薄膜电池，一般采用CVD方法。由低温沉积的薄膜，晶粒尺寸较小，获得的电池效率不高。要获得10%15%的效率，晶粒尺寸须大于l00nm。高温制备多晶硅薄膜电池，一般采用液相外延法（LPPE）、区熔再结晶（ZMR）及低压化学气相沉积（LPCVD），APCVD、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方法。先在耐高温衬底材料上生长厚度为1020nm 的多晶硅薄膜，再利用晶体硅电池常规制备工艺进行p-n 结及电极制备。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4 或SiH4，为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astro Power 公司在耐高温衬底上制备的多晶硅薄膜电池效率己达16%，而且认为通过降低多层减反射膜中氧化层的厚度到100A，并增加基体材料的扩散长度，电池效率可达l8%。2.3 非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电池设计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n 边，形成光生电流和光生电压。非晶硅光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，衬底可以为玻璃、不锈钢、特种塑料、陶瓷等（图3.2 为非晶硅薄膜电池结构的示意图）。玻璃衬底的非晶硅电池，光从玻璃面入射，电池的电流从透明导电膜（TCO）和铝电极引出。不锈钢衬底的非晶硅电池与单晶硅电池类似，在透明导电膜上制备梳状银电极，电池的电流从银电极和不锈钢引出。双叠层的结构有两种：一种是两层结构使用相同的非晶硅材料；一种是上层使用非晶硅合金，下层使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收；上层使用宽能隙的非晶硅合金做本征层，以吸收蓝光光子；中间层用含锗约15%的中等带隙的非晶硅锗合金，以吸收红光。三叠层的结构与双叠层的结构类似。非晶硅材料由气相沉积法形成的。根据离解和沉积方法的不同，可分为辉光放电分解法（GD）、溅射法（SP）、真空蒸发法、光化学气相沉积法（CVD）和热丝法（HW）等多种。其中等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是已被普遍采用的方法，在PECVD沉积非晶硅的方法中，PECVD的原料气一般采用SiH4，和H2，制备叠层电池时用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5可同时实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生aSi或aSiCe 薄膜。此法具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点，适合于大规模生产。 非晶硅电池具有如下优点：（1）制造成本低。这是因为：半导体层光吸收系数比晶体硅大一个数量级，电池厚度只需1m 左右，约为晶体硅电池的1/300，可节省大量硅材料。可直接沉积出薄膜，没有切片损失。可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，工艺过程简单。电池的pin 结是在20.0左右的温度下制造的，比晶体硅电池的8001000的高温低得多，能源消耗小。电池的单片面积可大到0.71.0m2，组装方便，易于实现大规模生产。（2）能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅电池的生产能耗仅为l00kW·h左右，能源回收期仅为l1.5a，比晶体硅低得多。（3）发电量多。据测试，在相同条件下，非晶硅电池的发电量较单晶硅电池高8%左右，较多晶硅电池高13%左右。（4）售价低。目前约比晶体硅电池的售价约低1/41/3。2.4 三种太阳能电池性能分析和亟待解决的问题2.4.1 性能分析种类优势劣势转换效率单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂16%-20%多晶硅太阳能电池转化效率较高多晶硅生产工艺复杂，供应受限制14%-16%非晶硅薄膜太阳能电池成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效率9%-13%2.4.2 需要解决的问题由以上对比可以看出，以后多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的生产成本，会越来越受到投资者的关注。但是它们也面临着一些需要解决的问题。多晶硅薄膜电池具有效率较高、性能稳定及成本低的优点，是降低太阳能电池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下问题：多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。多晶硅薄膜高温沉积，适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。因而今后应着重研发如下问题：大面积、大晶粒薄膜的生长技术；进一步提高薄膜的生长速率；薄膜缺陷的控制技术；优质、价廉衬底材料的研发；电池优良设计、表面结构技术及背反射技术等的研究。非晶硅薄膜电池作为地面电源应用的最主要问题，是效率低、稳定性差。目前实验室效率己达15，但生产中电池组件的稳定效率仅为5.5%7.5。引起效率低、稳定性差的主要原因是光诱导衰变，即所谓的SW效应。用氢稀释硅烷方法生长的a-Si和a-SiGe 薄膜可以抑制光诱导衰变，提高效率。使用双叠层、三叠层或多叠层结构可以增加光谱响应，提高效率。但从工业化生产和地面电源应用的要求来看，问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多工作要做。关于非晶硅电池的衰降问题，许多科研人员已进行多年的研究实验，并还在继续进行着，主要内容有：高质量本征非晶硅材料的研究（包括晶化技术），减少光生亚稳态密度，提高稳定性。质量n 型和p 型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高掺杂效率，增强内建电场，提高电池的稳定性。改善非晶硅电池内部界面，降低界面态，减小界面复合，提高输运效率、转换效率和电池的稳定性。优质a-Si：Ge 合金材料的研究，进一步完善双结、三结、多带隙非晶硅电池，提高效率和电池的稳定性。目前非晶硅太阳能电池的研究已取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13。三、光伏系统的特殊应用光伏系统具有很多用途，它可以比一个硬币还小也可以比一个足球场那么大，可以为一个手表提供电力也可以为一个小城镇供电，而它所需要的能源仅仅是太阳光。光伏系统的这些优点，结合它的简洁的工作方式，使之成为适用于很多独立特殊应用的能源，前景尤为诱人。本章将着重讨论光伏系统的特殊应用。3.1 空间应用 在应用的早期，由于光伏系统的成本高，它仅仅应用于空间领域。太阳能电池不断地被用来为太空飞船、人造卫星、以及火星探测器进行供电。正如预期的，由于空间应用对可靠性的高要求，应用于空间技术上的产品都执行很高的标准以及非常严格的产品质量控制。同时由于太空船对产品质量以及面积的限制，对太阳能电池的光电转换效率也有很高的要求。由于光伏太阳能板占人造卫星总重量的10%-20%，占总成本的10%-30%，所以太阳能电池的重量及成本的降低成为下一代空间用太阳能电池的研究方向。很多空间太阳能电池采用砷化镓以及相关的化合物制作，砷化镓电池与晶体硅太阳能电池相比具有更高的光电转换效率，但是需要更高的成本。 3.2 无线电通讯和光纤网络 在许多国家无线电通讯的中继站都是用光伏电池供电的。这样的系统适合荒芜的地区，比如像澳大利亚这样人口密度很低的国家。多年以来无线电通信是澳大利亚光伏市场的一个支柱性的应用方向。Telecom公司于1972年第一次做实验将光伏发电应用于无线电通信，现在该公司仍然是光伏市场的主要客户之一。在澳大利亚以及世界各地，采用光纤主干网进行信息传输是极为普遍的。光伏发电被作为那些距离电力网络很远的中继站的能源供给。研究人员正在考虑应用特殊设计的高效率光伏设备，将能量转化为激光从而能够沿光纤传播。3.3室内使用的消费光伏产品光伏消费品已经是一个非常大的市场，并且以非常快的速度在增长。目前这个市场主要被日本的制造商垄断，产品如电子手表、电子计算器以及小型电动玩具等，它们主要主要使用廉价的非晶硅太阳能电池进行供电。当然较大的光伏消费品也日益流行，比如路灯、庭院灯、手电筒等。光伏消费品的实际发电总量或许被高估了，这是因为统计数据所采用的辐射照度是1000W/m2。然而，这些消费品上所用的电池主要是为室内设计的，由于光照的不足以及电阻的损失，实际输出远小于标定的输出，即使用于户外也不例外。3.4 电池充电器在使用可充电电池作为电源的场合，太阳能电池组件可以在电量不足的时候用于充电以保证电量的充足，还可以用来弥补充电电池的自放电。这样的应用在游艇以及休闲交通工具上已经普遍应用。将来，在笔记本电脑、拖拉机和汽车上的类似应用也将逐渐增加。3.5 发展中国家的光伏发电尽管有一些小的电池供电电器在某些地区使用，消费者必须到电池充电中心进行充电，发展中国家仍有将近40%的人无法得到电力供应。在这些边远地区，燃料的供应以及柴油发电机的维护比较困难，这样对于光伏发电系统来说存在一个潜在的并且巨大的市场，这样的应用有：(1) 家庭照明，包括太阳能电灯；(2) 家用电源；(3) 用于教育和娱乐的电视机或者收音机；(4) 无线电话和通信系统；(5) 饮用水净化系统；(6) 家庭用水或者灌溉用水的水泵系统；(7) 医用和疫苗用冷藏设备；(8) 社区共用设施；(9) 生产和生活用电.每一项这样的应用都可以设计成一个独立的光伏发电系统，与满足多种应用的村落电网连接。国际能源协会的光伏发电系统项目包含发展中国家计划，并已经开始运作，光伏发电由于可靠性高、寿命长、以及维护费用低而显得非常吸引人。但是，用户的持续支持、对用户相关知识的教育和培训是必须的，这样才可以避免系统的高失效率，如今这方面的管理与以前相比要好得多。另外，光伏组件模块化的特性使得无论是小规模还是大规模的系统都能够安装在任何地方，并且可以随着需求后续可以增加系统的容量。然而由于光伏系统的成本很高，大多数发展中国家的村庄在使用这样的供电系统时需要财政上的支持。3.6 照明仅在美国，就已经安装了成千上万的太阳能照明系统。这其中大部分（约80%）是200W-400W的系统。在世界上的很多边远地区，太阳能直流照明相对于煤油灯、蓄电池灯、蜡烛、柴油或者汽油发电机照明更为廉价，当然与架设电网相比就更为经济了。即使在城市地区，也经常使用太阳能灯以避免从地下埋设输电线或者高架电线进行电力的输送。这样的应用，例如不需要电工就能安装的庭院灯，越来越受到人们的欢迎。现在的一些太阳能照明的应用主要有：（1） 广告牌；（2） 警示灯；（3） 公共交通遮雨棚；（4） 紧急警报灯；（5） 路况区域照明（如赛道，街道）（6） 家庭用照明近几年来灯的效率大大地提高，但是趋势仍然是如何使更高功率的灯变得更高效。有益于提高照明效率的技术主要包括：（1） 光敏控制器件（当光线很暗的时候开灯，当光线足够时关灯的装置）（2） 计时器（用于记录灯的工作周期或者代码以便于分析）（3） 开关（用于允许手动控制，尤其是家庭用户）（4） 传感器，例如运动探测器和红外探测器（对安全系统尤为有用）.四、国内外非晶硅太阳能电池产业及市场分析 4.1 世界光伏产业总体发展趋势世界各国都对太阳能光伏发电给予大力支持。2005 年全世界太阳能电池的产量为1817.7 兆瓦，比2004 年增长52.2%，其中日本的产量达到824.3 兆瓦，比2004 年618 兆瓦增长33.4%，是全世界第一大生产国，占全世界45.3%；欧洲太阳能电池的生产量为515.3 兆瓦, 比2004 年308 兆瓦增长67.3%；美国太阳能电池的生产量为154.8 兆瓦, 比2004 年139 兆瓦增长11.4%；其他国家地区太阳能电池的生产量为323.3 兆瓦, 比2004 年140.1 兆瓦增长151%，大幅增长，中国、台湾增长很快。2005年，世界光伏市场安装量1460MW，比2004 年增长34，其中德国安装最多，为837MW，比2004 年增长53，占世界总安装量的57；欧洲为920MW，占总世界安装量的63，日本安装量292MW，增幅为14，占世界总安装量的20；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7，其他安装量为146MW，占世界总安装量的10。至2005 年，全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005 年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10 亿美元。根据光伏市场需求预测，到2010 年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G 到3.9GW 之间，而光伏工业年收入将达到186亿 美元到231 亿美元。日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV 发展路线图。按日本的PV 路线图（TV Roadmap 2030），到2030 年PV 电力将达到居民电力消耗的50（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表4.2 和表4.3。表4.2 到2030年的日本PV研发目标项目现状2010-2030年目标PV组件生产成本140日元/W100日元/W (2010年)75日元/W（2020年）<50日元/W（2030年）PV组件的寿命20年30年（2020年）Si原料的消耗10-13g/W1g/W（2030年）变换器（功率单元）30.0日元/W15.0日元/W（2020年）蓄电池10.0日元/W10日元/W，寿命>20年（2020年）表4.3 到2030年的日本PV组件/电池的转换效率目标太阳能电池类型现状效率（%）目标转换效率（实验室效率）（%）2010年2020年2030年晶体硅电池13-14.8（18.4）16（20）19（25）22（25）薄膜电池10（14.7）12（15）14（18）18（20）CIS电池10-12（18.9）13（19）18（25）22（25）III-V电池聚光（38.9）28（40）35（45）40（50）染料敏化电池（10.5）6（10）10（15）15（18）4.2 非晶硅系列太阳能电池发展迅猛目前，晶体硅太阳能电池因较高的转化效率和成熟的生产工艺是太阳能电池研发和产业化的主要方向，而化合物薄膜等新技术太阳能电池虽然具有相对较低的成本，但生产工艺还不成熟，且目前商业化的薄膜型太阳光电模块效率相比主流的结晶硅型效率(1517%)仍然较低，一般多在10%以下。以2004 年数据分析，各种太阳能电池中晶体硅平板太阳能电池占总产量的84.6，非晶硅电池产量占3.9，其他为薄膜或带硅太阳能电池。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2008年全世界硅原材料供应增长了12，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25。持续的硅材料紧缺将对2008 年太阳能电池生产产生较大的影响，预计2008年世界太阳能电池产量的增幅将被限制在10左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5 年以上的时间。由于硅材的供不应求，预期将限制2009年硅基太阳电池产业的成长速度，然而这恰好也为第二代太阳电池技术，薄膜太阳电池等非晶硅系产品提供了良好的发挥舞台。4.2.1 非晶硅材料转换效率约68%在八十年代，非晶硅是当时唯一的薄膜型太阳电池材料，但由于它的光电转换效率较低且具有光劣化的不稳定性，因此早期始终无法打入主流的发电用市场，而多应用于小功率的消费性电子产品市场。但近年随着两层或多层接合太阳电池（Multijunction Cell）技术的发展，使得单层厚度可以降低而减缓照光后衰退的现象，且可吸收不同波段的太阳光谱，因此光电转换效率获得提升。预计短期内市面上的非晶硅太阳电池模块效率约为68%，并很快就可见到装置容量达数百万瓦级的非晶硅太阳光电板设施。目前主要非晶硅太阳电池厂商包括：Kaneka、United Solar、三洋（Sanyo）、富士电机（Fuji Electric）、BP Solar。4.2.2 薄膜硅原料需求低且发电效率高薄膜硅太阳电池是一种不同于非晶硅及单晶硅基材的硅基太阳电池，其电池厚度仅约数个微米或更薄，介于非晶硅模块的300nm，与结晶硅太阳电池200nm 之间。小粒径的多晶硅（晶粒约数百nm，仅含有晶粒及晶界）及纳米结晶硅（Nanocrystalline Silicon）或微晶硅（c-Si，晶粒约2030nm，是一种含有非晶组织及晶粒、晶界的混合结构）薄膜是常见的薄膜硅结构，有机会取代非晶硅合金（如a-SiGe）作为多层接合太阳电池的底层，如夏普（Sharp）、Kaneka、佳能（Canon）等皆积极往微晶硅方向发展。a-Si/c-Si叠层（Tandem）型太阳电池可提供更稳定及增加光谱吸收度，转换效率可较非晶硅单层组件大幅提升，效率达10%以上。薄膜硅原料需求只有约为硅芯片型的百分之一，且具有高吸收光特性，通常无光劣化现象，故每瓦发电量较高，对消费者而言能源回收期可缩短。因此，薄膜硅太阳电池技术的未来发展潜力颇被太阳电池业界看好。目前a-Si/c-Si叠层型薄膜太阳电池已有部分商品化，而c-Si太阳电池则多还在开发，但已接近技术成熟阶段，其关键技术在于快速沉积(1nm/sec)、镀膜品质与大面积制程的可靠度及重现性。4.2.3 国际大厂积极扩大薄膜太阳电池产能一般市面上出售的薄膜太阳电池模块效率多在610%，面积则多在1平方米以下。其中，日本三菱重工（Mitsubishi）的非晶硅太阳光电板为面积最大(1.5625m2)，稳定效率6.4%，输出功率达100Wp，每瓦售价不到3美元。而其他制作大面积，且高效率的薄膜PV 厂商还有Wurth Solar、Shell Solar、ShowaShell，其CIS 太阳光电模块效率均高于13%，并以Wurth Solar产品功率达84.6Wp为最大，但售价亦相对较高，每瓦在3 美元以上。2004 年全球薄膜太阳电池（包括非晶硅、CdTe、CIS）模块产量约63MW，仅占全球PV 产量5%，其中以美国为最大产地，约占36.5%，其次为日本的27.7%；而若以薄膜技术类型来看，以非晶硅产品占最大，市占率74.6%，其中以日本占37.2%为最大产地，其次为美国占29.7%。2004 年全球非晶硅薄膜太阳电池市场以日本Kaneka 及美国United Solar为最大厂家，占全球非晶硅太阳电池产量分别为36.1%、29.7%。至于主要厂商经营动态，2005年全球薄膜太阳电池产业以Kaneka年产能30MWp最高，其次为United Solar的25MWp。而到2006 年，在美国市场受到政府财税奖励支持下，United Solar将扩大产能达到50MWp，一跃成为全球第一大薄膜太阳电池厂商，该公司更计划进一步扩产，至2010 年产能将达300MWp，而Kaneka则计划至2008 年将年产能提高为70MWp。至于薄膜及结晶硅太阳电池厂商Shell Solar，在硅材缺货的压力下，已出售其在加州的单晶硅太阳电池工厂给德国SolarWorld，未来将积极发展CIS 薄膜太阳电池，其CIS试制品经TUV认证已可达13.5%，距离目前市面上出售的多晶硅PV模块效率（约1415%）已不远。另一家欧洲太阳电池大厂Schott Solar，最近也宣布将扩大其非晶硅太阳光电模块产能，将投资6,000 万欧元于德国耶拿（Jena）新建生产线，预计2007年秋天年产能可达30MWp。此外，美国First Solar也已成功量产CdTe 太阳电池，并稳定维持每年产量约33 万个太阳电池模块，未来亦将积极扩厂，预计产能将由2005 年约20MWp，增为2006 年40MWp、2007 年75MWp。4.3 国内太阳能电池产业发展现状及主要问题太阳能电池用硅原材料缺乏已成为国际性的一大问题，对我国的影响尤为严重。国内太阳能电池厂商向国外生产厂家直接订货合同价格为4060 美元/kg；同通过中间商的硅材料价格2005 年一路飙升，一年之间已从25 美元/kg上升到超过200 美元/kg，最近已达220 美元/kg。以目前国际市场太阳能电池销售价4.04.2 美元/W（离岸价）计算，如此昂贵的硅材料价格已使太阳能电池生产厂无利润可言，更为严重的是现在已有一些新上电池生产线、即使高价也买不到货，处于半停产状态，尽管洛阳中硅、四川峨眉、新光等公司计划扩产及新建多晶硅项目，但近几年还得主要依赖进口。因此，原材料短缺成为目前我国光伏产业发展的重要制约因素之一。发展薄膜类或其他非硅晶太阳能电池产业成为规避上述问题的一条有效途径。2005年国内非晶硅太阳能电池产量约为12.7MW，仅占全年总产量145.7MW的8.7，大致与国际市场类似；预计到2006 年底将形成34.5MW 的生产能力，产量将占到国内太阳能电池总产量的12以上。五、非晶硅太阳能电池主要生产企业5.1 国际主要非晶体硅太阳能电池生产企业在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。目前全球太阳能电池市场基本由日本、欧洲等国际上大公司所占领，中国有无锡尚德太阳能公司的产量、台湾茂迪公司已列入全世界排名前十位。这些公司产品类型主要是单/多晶硅太阳能电池，能生产非晶硅或薄膜系列产品的公司有Sharp，Sanyo，Schott Solar，BP Solar，Shell Solar，United Solar Ovonic，Kaneka Solartech，First Solar，MHI（三菱重工）等。公司名称产品类型国别/地区2005产能（MW）2005产量（MW）Sharp（夏普）单/多晶硅，非晶硅日本600427.5Sanyo（三洋）单晶硅，非晶硅日本158125Schott Solar多晶硅，非晶硅德国11395BP Solar单/多晶硅，非晶硅美国15785.8Shell Solar单/多晶硅，CIS薄膜德国11059United Solar Ovonic非晶硅美国2520Kaneka Solartech非晶硅日本3019MHI（三菱）多晶硅日本240142表5.1 2005年全球主要非晶硅太阳能电池制造企业的市场及产能状况5.2 国内主要非晶体硅太阳能电池生产厂商2005 年我国国内太阳能电池产能在300MW 左右，产量约为150MW，是2004 年产量50MW 的3 倍。若不是受原材料短缺的制约，发展速度将更大。并且值得注意的是，20052006 年大批太阳能电池项目正在建设或准备上马。如果这些项目能够按期建成，加上原有生长能力，到2006 年底将形成1400MW以上的产能，几乎是2005 年产量的10 倍。原材料短缺的局面将显得更加突出。国内从事非晶硅太阳能电池产品生产的企业不多，产能也不大。这些企业主要有：深圳市拓日电子科技有限公司、深圳市日月环、天津津能电池科技有限公司、深圳创益科技发展有限公司等。其中，深圳拓日电子科技公司产量最大，2008年非晶硅电池产量为15MW。公司名称2008年非晶硅电池产量（MW）2009年预计形成产能深圳市拓日电子科技有限公司1525深圳市日月环22天津津能电池科技有限公司1025深圳创益科技发展有限公司1020黑龙江哈克新能源有限公司22北京世华创新科技有限公司1515合计5476.5表5.2 2008年国内主要非晶硅太阳能电池产量及2008年产能预测六、发展前途分析6.1 硅原材料严重短缺，非晶体硅太阳能电池机遇来临严峻的晶体硅材料短缺使越来越多的太阳能电池生产设备处于停产状态，而不断上涨的晶硅价格也在一步步吞噬太阳能电池生产商的利润。因此，寻找晶硅或减少对晶硅的依赖成为太阳能电池企业不得不面临的选择。目前一些企业在减少对多晶硅的依赖上取得了进展。如宁波杉杉尤里卡太阳能有限公司通过处理IC 工业废片缓解原料瓶颈，还可获得较低的成本优势和较高的盈利。但从产业发展的角度看，这只能够缓解部分原料瓶颈，不能成为长远避险工具。从长远看，摆脱对晶硅的依赖是安全之策。在这种形势下，非晶硅薄膜太阳能电池与化合物薄膜太阳能电池获得了难得的发展机遇，预计在未来几年里，其市场占有率将有一定幅度的增加。6.2 商业化非晶硅太阳能电池效率逐步提升结晶类转换效率的提高已接近极限，通过提高硅切割晶圆技术而降低成本的空间也很有限，使用等离子体及气体将厚度为2m3m 的硅类薄膜层叠在底板上的薄膜类太阳能电池以及在此基础上形成的层叠“混合型”太阳能电池是未来的发展方向。钟渊化学、三洋电机都是薄膜类太阳能电池的代表厂商。钟渊化学很早就开始生产台式电子计算器等