非晶硅薄膜太阳能电池的研究进展

非晶硅薄膜太阳能电池的研究进展制作人：王高升学号：2013220098目录前言非晶硅非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳电池独特优势非晶硅薄膜太阳电池的应用非晶硅薄膜太阳电池市场需求为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅太阳能电池的优点非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题太阳能光伏市场发展趋势提高非晶硅薄膜电池效率措施前言新能源与可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。非晶硅薄膜太阳能电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立资源，又可实现并网发电，而且是零污染排放。非晶硅太阳能电池由于成本原因，最初只能用于空间，随着技术发展和工艺成熟，应用也逐渐扩大。面对今天的能源供应状况和日益严重的环境污染，并发新能源和可再生能源的理念已被世界各国广泛接受。大力发展薄膜太阳能电池不失为当前最明智的选择，但也有其不利的一面。非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅非晶硅非晶硅结构非晶硅的结构示意图，薄膜中的H有两种聚集状态：稀疏态和聚集态非晶硅的性质化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属(如钠、钾等),在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作pn结。非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅太阳能电池板非晶硅薄膜太阳能电池是将非晶硅以薄膜的形式沉积在载体上形成的太阳能电池,其薄膜就是非晶硅太阳能电池,即相对于多晶硅太阳能电池,不过非晶硅电池非常薄.它包含PIN结构。非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池结构组件是一种理想的光伏玻璃幕墙材料，它既能作为窗户玻璃起到透光、装饰和美观的作用，还能发电，一举多得，因此，包括光伏幕墙玻璃在内的非晶硅薄膜太阳电池与建筑材料相结合的应用是非晶硅薄膜太阳电池未来发展的重要方向，并且被业界所普遍看好。非晶硅薄膜太阳电池独特优势1非晶硅薄膜具有非常高的光吸收系数（104cm-1dm），厚度为0.5μm的非晶硅薄膜足以把可利用的太阳光吸收殆尽。2非晶硅薄膜材料无论从理论还是制备技术上都发展得非常成熟。3材料及制造成本都非常低。4易于实现组件面积上的集成以及便于工业化大规模连续生产。5非晶硅的禁带宽度比晶体硅大，由此决定了非晶硅太阳电池的开路电压比晶体硅太阳电池的开路电压高。6由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底之间的晶格匹配问题。7与晶体硅电池相比，非晶硅电池有更好的弱光性能和温度特性。非晶硅薄膜太阳电池的应用太阳能照明灯具太阳能草坪灯非晶硅太阳电池的应用室内消费电子产品（非晶硅电池弱光性能好）非晶硅电子表非晶硅玩具非晶硅荧光灯非晶硅太阳能电池应用室外庭院灯和路灯、广告站牌等非晶硅太阳能电池应用发电建筑楼群屋顶、玻璃幕墙、边远山区并网发电前面介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的一些基本知识，下面我们来看看国外和国内光伏产业（太阳能产业）的发展22进入21世纪以来，全球范围内对太阳能电池的需求快速增长，每年以40%以上的速度递增。国内外也分别实施了上网电价补贴法，进一步促这一产业的增长步伐。中国已于2005年通过了“可再生能源法”2006年将采用“一案一议”的办法实施上网电价补贴法。可以预计，世界范围内光伏产业的新的可持续发展阶段即将到来。到2010年，年需求量为14000兆瓦，而目前，全世界光伏工业的总产能约为1500兆瓦，在4年内要达14000兆瓦，可见其发展速度十分惊人。太阳电池的市场需求23年国别2000201020202030美国(GWp)0.142.136200欧洲(GWp)0.153.041200日本(GWp)0.254.830205总计(GWp)1.014.02001850表1国际光伏市场需求及预测国外太阳能光伏市场发展趋势世界各国都对太阳能光伏发电给予大力支持国外太阳能光伏市场发展趋势欧、美、日是太阳能电池主市场国外太阳能光伏市场发展趋势日本、欧洲、美国都提出了各自的中长期PV发展路线图项目现状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）到2030年的日本PV研发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）到2030年的日本PV组件/电池的转换效率目标国内太阳能电池光伏市场的发展无锡尚德电力（suntechpower）尚德电力集团董事长：施正荣（长春理工大学校友）太阳能光伏市场发展趋势非晶硅太阳能电池迅猛发展2004-2010太阳能电池的发展（GW）太阳能光伏市场发展趋势国际大厂积极扩大非晶硅薄膜电池产量公司名称产品类型国别/地区2008产能（MW）2008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158125SchottSolar多晶硅，非晶硅德国11395BPSolar单/多晶硅，非晶硅美国15785.8ShellSolar单/多晶硅，CIS薄膜德国11059UnitedSolarOvonic非晶硅美国2520KanekaSolartech非晶硅日本3019MHI（三菱）多晶硅日本2401422008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2008年后，全球光伏产业全面扩产，但到2011年后，由于欧债危机等一些复杂的原因，一时间，光伏产业突然从夏天转为寒冬，许多光伏龙头企业负债累累，濒临破产，面对全球光伏产业的危机，非晶硅薄膜太阳能电池却显示出强大的生命力为什么要发展非晶硅薄膜太阳能电池光伏工业的高速发展和关键原材料高纯硅短缺矛盾按照目前全世界年产1500兆瓦晶体硅太阳能，约需16500吨高纯硅，近几年全世界高纯硅的年产能仅为25000吨，70%左右回用于制造集成电路，二极管，三极管等把半导体器件，而绝对满足不了光伏工业的需求，供需矛盾十分突出，并导致全球范围内高纯硅从25美元/公斤上升至200美元/公斤以上。中国情况更加严重，市场价达到人民币33元，且有价无市。这一情况在3~5年是得不到根本解决的，必定会严重影响光伏产业的健康发展。提高单位硅材料的发电量，现在存在转换效率，成品率的制约。此两项技术是否能突破，直接影响其与其它薄膜太阳能电池的竞争，而硅材问题从根本上解决十分困难。非晶硅太阳能电池的优点低成本能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好（充电效率高）其它MWp/年生产品种日本kaneka25910*910mm电池组件,玻璃衬底德国RWESchottsolar30最大组件100*605mm,玻璃衬底日本三菱电机10玻璃衬底非晶太阳电池日本富士通10聚合物为衬底柔性非晶太阳电池日本TDK5不锈钢为衬底,效率高于8%日本三洋太阳能5聚酰亚胺为衬底,效率高于8.5%美国ECD15研究单位美国联合太阳能25不锈钢,聚酰亚胺为衬底,效率高于10%英国Intersolar5305*915mm玻璃衬底,效率大于7%德国Esole明年投产,约40MWp生产线世界主要非晶硅太阳电池生产厂家美国应用材料（AM）公司日本真空（ULVAC）公司瑞士欧瑞康（Oerlikon）公司非晶硅薄膜太阳电池生产线世界级供应商：目前中国已有的非晶硅太阳能电池生产线存在问题：产量少；效率低；稳定性差；面积小；外观不均匀。序号单位名称产能备注1天津津能5MWp2哈尔滨克罗拉太阳能1MWp3深圳拓日14深圳创益15深圳日月潭16北京世华筹建中7泉州筹建中中国非晶硅太阳电池生产厂家国内非晶硅太阳能电池发展深圳拓日新能源股份有限公司托日工业园乐山光伏产业园国内非晶硅太阳能电池发展保定天威英利新能源有限公司天威英利为美国某地区承建的地面光伏电站（2009年05月）国内非晶硅太阳能电池发展厦门冠宇科技有限公司2SC1-12（10.8W）柔性太阳能电池板该产品适用于给手持电台、手提电脑、测绘仪器等移动负载提供便携能源国内非晶硅太阳能电池发展深圳市创益科技发展有限公司非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题效率较低稳定性问题成本问题其它非晶硅薄膜太阳能电池未来发展趋势非晶硅太阳能电池面临的主要问题：转换效率较低，有光致衰退效应（S-W）提高非晶硅薄膜电池效率措施：（1）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收；（2）薄膜硅电池叠层技术；（3）中间层技术的研究。提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收前透明导电氧化物薄膜（TCO）的研究在光滑与织构的ZnO表面上沉积a-Si电池获得的量子效率提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收减反层的研究标准电池与减反层电池的结构（A）：一般电池结构（B）：带有TiO2减反层的电池结构（C）带有TiO2-ZnO的电池结构示意图上图4中三种结构的mc-Si电池量子效率图比较提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收窗口层的研究n型的a-Si、c-Si以及c-SiC:H的吸收系数比较非晶硅薄膜叠层技术研究a-Si:H/a-Si:H双结叠层电池a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结叠层电池a-Si/µc-Si叠层电池p-i-n结构的a-Si/a-Si叠层电池与a-Si/µc-Si叠层电池的光谱响应图中间层技术的研究中间层提高顶电池与底电池的电流匹配左图：具有透明中间层的a-Si/mc-Si叠层电池的结构示意图右图：有中间层与没有中间层的a-Si/mc-Si叠层电池的量子效率对比太阳能发电宗旨：降低成本和提高效率太阳能电池未来发展趋势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%三种硅基太阳能电池性能分析结论：非晶硅薄膜电池最终将取代单晶硅电池