翻译JMLZQ

摘要光伏组件的成本严重的制约太阳能发电的广泛应用。与传统的晶体硅光伏技术相比，薄膜技术被认为是有可能大幅度降低的太阳能发电的成本的技术。FirstSolar的薄膜光伏组件企业合作项目目的就是降低光伏组件发电成本，主要通过提高转化效率（$/W）和改善生产过程管理来降低材料成本（$/m2）两个方面的来达到这一目的。竞争价格的形成对于正在波动的美国光伏行业的发展是一个关键因素，这个行业能为市场提供清洁、可靠和能源可负担的技术来支持EERE任务；研发和产品的成本降低是实现SETP项目目标的具体的要素。这个转包合同全部目的得某些细节基于人造CdTe光伏组件的基准野外使用特性作出了改进，目的是降低在生产环境中会涉及到的环保，健康，安全方面的风险。这个计划的目的主要集中在四个主要方面：1）先进窗口层的研发，2）改进半导体薄膜沉积工艺，3）研发效率更高的表征基准野外使用特性的寿命测试程序，4）降低含镉物质引起的环保，健康和安全方面的风险。在执行这个转包合同的过程中FirstSola取得了以下成绩：设计，建造，测试和评估了用于半导体气相输运沉积的新一代先进分离器。并不只是一个最佳结果，这些先进分离系统是基于一种全新的工作原理制作的，与早期那些缺乏理论基础支持的设计相比在基础设计上表现出了变化，制备的薄膜更均一无论是在单衬底还是双衬底上，并且沉积工艺管控更简单、原料利用率特更高。研发了一种先进的半导体粉末进料器，主要适用于使用气相输运沉积方法制备超薄CdS薄膜。产生的五个专利申请—四个关于先进分离系统的设计；一个关于先进的粉末进料器。完成的科罗拉多矿业大学的转包合同—开发了一个蒸发分离操作的三阶段模型包括a）把粉末送入热喷雾器的注入模型b）在分离器内汽化和气体流动的模型和c）气体从蒸发源中分离出来并在玻璃表面沉积的沉积模型。在实验中分离系统运转模型被这逐条用于完成一个叫Taguchi的设计，这些实验是设计制备均一薄膜的蒸发源关键部分。证实了缓冲层组件规模化试用和喷涂CdS薄膜的可行性。生产含超细CdS薄膜和缓冲层组成的组件，其转化效率达到了9.6%，而试用同样厚度CdS薄膜不含缓冲层的组件转化率才9%。证明了在工业化生产中能够重复沉积出900Å厚的CdS薄膜。证明了在工业化生产中能够重复沉积出2.5µm厚的CdTe薄膜。研发了用于建立单节电池、条带、子模好的相互关系的设备和ALT方法，并根据现场数据初步建立之间的相互关系。在本质上消除了由于偏离正常工作发展而导致的衬底和组件中有害浪费的产生。减少了操作人员暴露在含镉环境的中。致谢FirstSolar的许多人为这个转包合同的成功做出了贡献。我们对AnkeAbken,DaveBerger,EugeneBykov,JohnChristiansen,ToddColeman,DouglasDauson,NelsonDeVoe,TonyDraper,MarcusGloeckler,AndyGray,AkhleshGupta,RogerGreen,UpaliJayamaha,PeterMeyers,AnneMoser,MikeSteele,andSyedZafar,还有FirstSolar的生产，工程和管理人员的所作出的贡献，表示衷心的感谢。我们还要对NationalRenewableEnergyLaboratorystaffincludingD.Albin,S.Asher,T.Gessert,T.McMahon,H.Ullal,B.vonRoedern,S.Wei,X.Wu,andK.Zweibel.ContributionsfromS.HegedusandB.McCandlessofInstituteofEnergyConversion;J.Sites,K.BarthandA.EnzenrothofColoradoStateUniversity;A.FahrenbruchofALF;A.Compaan,V.Karpov,andD.ShvydkaofUniversityofToledo;S.Feldman,S.Gilmore,V.KaydanovandT.OhnoofColoradoSchoolofMines;andC.FerekidesofUniversityofSouthFloridaaregratefullyacknowledged.StateUniversity;A.FahrenbruchofALF;A.Compaan,V.Karpov,andD.ShvydkaofUniversityofToledo;S.Feldman,S.Gilmore,V.KaydanovandT.OhnoofColoradoSchoolofMines;andC.FerekidesofUniversityofSouthFlorida的支持表示衷心的感谢。还有两个低级的转包合同也为我们的工作做出了贡献。第一个项目是名为DirectIntegrationofSolid-PrecursorPowdersintoChemicalVaporDepositionSystems”,carriedoutmodelingoftheheatandmasstransferinthedepositionreactor.ThisworkwasperformedbyJ.P.Delplanque,R.Kee,andM.PavolofColoradoSchoolofMines.Thesecondproject,titled“NonuniformityLossinPhotovoltaics”,carriedoutmodelingofperformancelossduetospatialvariation.ThisworkwasperformedbyV.KarpovandD.ShvydkaatUniversityofToledo.1介绍1.1研究背景前身为SolarCells,Inc.(SCI)的FirstSolar在1990年开始研发CdTe薄膜的生产工艺，并在1992年7月份生产了总面积为0.72m2转化效率达到6%的光伏组件。SCI在1993年，1998年和2002年拿到了NREL的光伏薄膜的合作转包合同（也就是现在的项目）。另外SCI在1995年，1998年拿到了光伏Mat转包合同，并在1995和1998年与美国能源部(DOE)签订了SmallBusinessforInnovativeResearch(SBIR)合同。私人资金与DOC资金相结合主要被用于改进产品性能和研发高转化率的生产工艺。在1999年的重要额外私人投资的获得导致了FirstSolar，LLC的形成，也使生产设备的建立成为可能。最早在2001年开始生产CdTe非晶薄膜光伏组件。在2004年12月FirstSolar的累计产品产能达到10MW。2005年的产能超过20MW。200年5月FirstSolar开始了50MW的容量扩张并预计将在2006年第三季度达到实际生产。在FirstSolar整个发展过程中，它的技术人员都在和广泛的CdTe技术团队一起紧密的合作，这其中有NREL,SNL和高等教育界的研究人员。早在十年前FirstSolar就是国际CdTePVR&D团队中一个积极份子。CdTe团队的活动主要集中在支撑和最终提升所有CdTe光伏组件工艺的基础问题，但并不局限于FirstSolar的生产工艺。与他的前身相似，当前的NREL光伏薄膜（TFPV）转包合同对于FirstSolar来说，它使FirstSolar得每个技术员获得评估科学的洞察力—不管从技术团体获得还是自学获得，这些洞察力很适用于设备和程序的改变，这些都可以改进FirstSolar的组件性能和生产工艺。设备和工艺改变的研发需要长早能力，这种些可以导致私人创作或者专利工艺。1.2技术途径FirstSolar降低光伏组件成本的方法是研发薄膜光伏工艺来代替当前主流的基于硅晶圆的光伏技术。在各种商业化和接近商业化的薄膜技术中，CdTe光伏由于其在电性能，便于生产，成本和上佳性能的潜力方面的优点令人喜欢。当前的项目主要集中在四个关键方面：1．先进的窗口层（图1）是改进CdTe/CdS组件的性能的一个关键因素，因为随着CdS窗口层厚度的变小短路电流(Jsc)也随之增加。减薄CdS层能使更多的光量子到达CdTe层并转化成电流，但是CdS层太薄会导致开路电压(Voc)和填充因子(FF)的明显降低。在实际操作中为了既能达到CdS层厚度最小又不会降低Voc和FF，就需要在高电导率的透明导电薄膜的前电极和CdS层之间加一层高阻缓冲层。NREL实验室制备的具有最优性能的电池的窗口层由高电导率，高透过率的锡化镉作为透明前电极，高阻抗的锡化锌作为缓冲层和超薄溅射CdS层或者CdS:O层组成。在这个项目开展的第二年，项目的任务被修改，增加了对窗口层研发和对工艺是否能与FirstSolar生产线相结合的确认。2．研发改进了CdTe和CdS半导体的沉积技术，主要改进蒸发分离系统设计，改善工艺控制和改进材料表征技术。在一定意义上由于CdTe薄膜的沉积技术多种多样，所以可以说能用广泛的工艺技术的制备出转化率达到10%的CdTe光伏器件。CdTe光伏技术是一种很适于生产的的工艺，但是能够达到最佳的性能的工艺，只有相对少数的CdTe薄膜沉积工艺。此外，对于任何给定的薄膜，最佳的器件性能取决于薄膜的性能尽管这些还不能很好的解释。要发挥CdTe光伏器件最大潜能不仅需要半导体（CdTe/CdS）薄膜的性能最佳，还要所有的工艺和工作发展(WIP)中产品变更率最小化。另一个要素是材料的利用率。半导体材料不仅沉积在玻璃衬底上，还会沉积到腔室壁和滚筒上。材料的丧失不仅会导致每片衬底上更高的材料消耗陈本，还会增加设备的维护成本和降低设备的运行时间。最后，数据显示这些设备具有高生产能力，低的成本投入，高的正常运行时间和产品生产连续一致的优点。3.研发改进表征器件基本野外使用性能的加速老化测试(ALT)程序。CdTe光伏组件在野外性能的变化可以被划分为封装相关原因和设备相关原因。这个计划中ALT主要集在中与设备相关引起的性能变化上。在连续的各种外部影响-温度，压力，光照强度条件下监测设备的性能；性能的改变表征着器件的野外使用特性。4.改善环境，健康和安全程序(EH&S)-CdTe光伏技术在注重镉毒性的报告中有着无污点EH&S记录。没有报道过在工作中会接触CdTe光伏组件的研究者，制造者和最终消费者由于接触镉而引发相关疾病的案例。同样也没有证据表明由于对CdTe光伏技术进行研发，生产和应用的而造成相关周围环境中镉含量的上升。FirstSolar已经购买了一个保险单来资助太阳能组件在到达使用寿命极限后的回收和循环利用的费用；Firstsolar是各种工艺制造光伏制造商中唯一建立了这样政策的一个。Firstsolar为他良好的EH&S记录而骄傲。据报道，镉毒性的可感知报道是确定的。一些消费之和相关人士表达了关注；一些竞争者也利用镉毒性文件这一点来作为他们的竞争优势。这个转包合同中与镉相关的任何项目都可研发改进由于EH&S程序。这个项目的任务涉及到降低生产浪费的危害，研发降低生产者曝露在含镉环境机会的工艺规程，减少职员有可能曝露在含镉环境的探测时间。1.3执行方法许多在生产线上开展的转包合同中的工作都使用一个工程测试认证(ETA)系统，研究人员可以使用这个跟系统给生产线上设备提供不间断生产的认证许可。额外的设备授权取决于电池的组成—使用气相输运沉积技术制备半导体的设备除外。在AFCW项目中一种可以在60cm*120cm衬底上离线沉积金属，半导体，TCO和缓冲层的喷涂设备被广泛应用。FirstSolar的工程师和研究人员都被广泛的训练使用Taguchi方法确保工程充分运行，使用6S方法达到最优的工艺控制。由于FirstSolar采用允许使用微软处理软件和迷你图表来分析数据的在线数据采集和存储系统，使得数据的采集和分析变得十分简便。生产中的衬底都在进入半导体喷涂机前被标上条形码。