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太阳能电池薄膜电池薄膜电池优势显现 原材料和技术风险须规避

从技术上讲,最为成熟的薄膜太阳能电池当属硅基薄膜太阳能电池,包括非晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅/微晶硅双叠层薄膜太阳能电池,在进行薄膜电池投资或研究时,应着重考虑原材料拥有量和技术进步的风险。薄膜电池会首先在欧美日等国家和地区大规模开发,晶体硅太阳能电池等较为成熟的技术将向中国及其他发展中国家转移。

  当前太阳能电池产业的主流技术为晶体硅太阳能电池,包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。经过近几年太阳能电池产业的发展,其效率已经有了很大提高,成本也大幅度下降。目前大规模生产的单晶硅太阳能电池的平均光电转化效率可以达到16.5%至17%之间,而多晶硅太阳能电池的平均光电转化效率达到15.5%。晶体硅太阳能电池的主要问题是产业链的工艺复杂,因此,将晶体硅太阳能电池的成本大幅度降低会遇到较大困难。在降低成本方面,薄膜太阳能电池渐渐显示出了它的竞争力。

  硅基薄膜太阳能电池技术相对成熟

  目前,从技术上讲,最为成熟的薄膜太阳能电池当属硅基薄膜太阳能电池,包括非晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅/微晶硅双叠层薄膜太阳能电池,其中非晶硅薄膜太阳能电池在上世纪80年代就已经开始较大规模的批量化生产,但是后来发现该种电池存在光致衰退现象,而且其效率提高得很缓慢,因此在上世纪90年代晶体硅太阳能电池产量扩大的情况下,非晶硅薄膜太阳能电池的生产所占的比例越来越低了。直至最近,太阳能发电市场的不断扩大,以及由此造成的硅材料短缺日益严重,使得人们加紧了硅基薄膜太阳能电池的研发。人们的主要目标是提高效率,提高稳定性,降低制造成本,其基本技术是使用PECVD(等离子增强化学气相淀积)技术沉积非晶硅或微晶硅薄膜,衬底是低廉的玻璃或不锈钢材料。

  目前非晶硅单层薄膜的光电转化效率为6%,光致衰退率可以控制在初始效率值的15%左右。也就是说,在刚制备的电池组件的效率为8%,经过几个月的日照之后,其效率达到6%左右,并最终稳定在这个值。这种特性可以为当前的消费者所接受。目前新近开发出的非晶硅/微晶硅双叠层太阳能电池可以达到8.5%的稳定效率,而其光致衰退更小,但是由于其工艺较复杂,产业规模不大,致使其成本仍较高。实际上,目前研究机构和产业界都在加紧研究硅基薄膜太阳能电池的大规模产业化技术,各方都投入了巨资进行新产品的研发,其中包括世界顶级半导体设备制造商美国的应用材料公司、欧洲的Oerlikon公司、日本的日本真空公司、德国的莱宝真空公司、美国的EPV公司等。这些公司可以提供成套的非晶硅或者非晶硅/微晶硅双叠层太阳能电池制造设备以及相匹配的生产制造工艺。

  硅基薄膜电池出现投资热潮

  在世界范围内出现了硅基薄膜电池的投资热潮。研究机构目前已经描绘了五代硅基薄膜太阳能电池工艺技术:第一代非晶硅单结薄膜太阳能电池、第二代非晶硅/非晶硅双结薄膜太阳能电池、第三代非晶硅/微晶硅双结薄膜太阳能电池、第四代非晶硅/非晶硅锗双结或三结薄膜太阳能电池、第五代非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结薄膜太阳能电池。目前在产业化领域中的主要技术仍旧是前两者,但是第三代硅基薄膜太阳能电池将在2009年或2010年投入大规模生产,届时第一代和第二代技术将退出产业界。

  在生产线技术方面依关键的PECVD沉积系统分类,可以划分出以下5种设备模式:单室多片 PECVD沉积系统(EPV、BudaSolar)、串联线列式多室单片PECVD沉积系统(日本真空)、并联线列式多室单片PECVD沉积系统(莱宝真空)、团簇式多室单片PECVD沉积系统(应用材料公司)、单多片混合型PECVD沉积系统(Oerlikon公司)。目前,每一种系统都在电池制造商建立了生产线,但是具体哪种生产线模式将成为主流技术还有待验证。

  注意防范原材料供应和技术风险

  对于CIGS薄膜电池因其量产电池的效率较高,已有一些厂家推出中试规模的组件,效率达到10%以上,应该是一种更为理想的薄膜太阳能电池,但是其之所以迟迟不能进入大规模生产,主要原因是生产的重复性和稳定性。由于这种电池使用4种材料,而且每一种材料还需要控制制成特定的晶相以达到最好的光电效应,因此很难控制成膜后的光学和电学特性,尤其难的是在大规模生产状态下能否很好地控制产品的重复性和一致性,这成为制约这种电池发展的关键所在。另一个问题是,由于该种电池的原材料In和Ga都属于稀有金属材料,地球含量较低,这就导致在将来大规模生产后原材料的供应将成为一种隐忧。另外,目前还很少有厂家可以提供这种电池的成套生产线设备。

  对于CdTe电池,其生产技术较为简洁,主要为磁控溅射或近空间升华技术,产品重复性和一致性很好,电池效率目前为7%~8%,并且可以较为容易地提高到10%以上。原材料成本也较低,因此使得该种电池得以快速扩产。但是该种电池在市场上一直存在争论,就是该种电池使用了镉元素,这种元素属于环境不友好物质,因此一直受到很多公司及市场的抵触。而且在未来Te的储量也会限制这种薄膜电池的发展。因此这种电池可以在一定规模下、在晶体硅电池价格居高不下、高纯硅材料产能不够的情况下起到一个缓冲作用,真正大规模的生产并占有较大的市场份额是值得怀疑的。当硅基薄膜电池克服了技术瓶颈,高速发展之后,CdTe电池将会停滞下来。

综合比较3种薄膜电池的技术及其优缺点,在进行薄膜电池投资或研究时,应着重考虑以下两点:

  第一,原材料拥有量。当一种太阳能电池作为替代型能源产品时,其应用规模将是巨大惊人的,因此必须考虑其所用原材料在地球上的拥有量,以及电池工艺中的单位原材料使用量。从这个角度考虑,硅太阳能电池将最终成为胜出的产品,硅在地球中的含量占到26%,仅次于氧,为地球上储量第二位的元素。因此,没有一种薄膜电池在长远来看可以和硅基薄膜电池相比。从这个角度来看,人们同样看好晶体硅太阳能电池。不论 CIGS还是CdTe电池,其基本原材料中都含有储量不足的稀有金属,前景不容乐观。即使是新兴的像纳米染料二氧化钛太阳能电池也因大量使用钛这种稀有元素而增加了对其原材料供应的忧虑。

  第二,技术进步的风险。目前各种薄膜电池都处在刚刚进入市场的阶段,前期一些厂家和研究单位为了开发技术和设备投入了巨大的人力和资金,因此新技术的设备制造成本和工艺成本都很高,使得薄膜电池生产线的价格居高不下,比如25MW非晶硅薄膜电池生产线的售价在3亿元~4亿元之间,而25MW晶体硅太阳能电池的生产线的设备成本只有4000万元~5000万元,差别巨大。更为关键的是薄膜电池目前的技术进步很快,因此在一个中国的电池厂商花巨资购买了昂贵的薄膜电池制造设备之后,在较短的时间内就有新技术出现,因此旧有设备就很可能遭到淘汰。这就使得薄膜电池设备的折旧过高,影响了薄膜太阳能电池成本的降低。再有就是中国的薄膜电池厂商的技术实力很弱,没有薄膜电池技术更新的能力,因此在新技术和新设备出现之后,厂家无力跟上技术进步,将面临重新购买新设备或者被淘汰出局的局面。

  因此,对于未来薄膜电池发展的趋势,我们认为薄膜电池会首先在欧美日等国家和地区大规模开发,与此同时晶体硅太阳能电池等较为成熟的技术将向中国及其他发展中国家转移。

  从薄膜电池的投资方来看,最重要的是招聘或自我培养一支技术队伍,确保在设备的维护和未来的技术更新时能发挥作用。

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