薄膜太阳能电池---1.ppt
薄膜太阳能电池技术产业化发展现状,晶硅电池与CdTe薄膜电池对比,晶硅电池： 技术陈旧，1954年 高能耗，高碳排放量 电池材料厚度100-300 m 禁带宽度1.12 ev（电压低） 成品率低：40% 生产过程几小时左右 透光性差 市场份额递减（2015，欧盟停用） 成本：1.6美元/W,CdTe薄膜电池： 2003年 低能耗（湿法冶金） 0.8-3 m 1.52 ev （有高压潜能） 90% 30-45 mins 透光性好（BIPV） 市场份额激增（中国：2GW） 成本：0.87美元/W,1954年 美国贝尔实验室制造出 第一块商用太阳能电池,1954年 2009年 世界人口 27亿 67亿5千万 +2.5倍 石油价格 2.8美元/桶 81.6美元/桶 +29倍 汽车数量 5千万辆 2亿7千万辆 +5.4倍,美国开发多样化的能源资源 来满足不断成长的能源需求,美国的能源结构 美国能源部 2009年5月公布统计数据,美国政府的观点,在未来的十年中，美国会面对更高的油价。 绿色能源将引发一场新的工业革命。美国要想继续保持世界领袖地位，必须成为新能源领域的领导者。 美国必须制定更为严格的二氧化碳排放政策。 奥巴马政府必须制定一系列新政策为美国的绿色能源建设打下政策基础。保证政策不变。,美国政府目前的对策,美国在未来10年将投资1500亿美元建立清洁能源工业。 美国通过了新的2009年二氧化碳税法案，15美元/吨，每年增加10美元税率，5年后每年增加15美元税率。对进口产品同样适用。 美国政府强制大型电力公司在其产品中必须有10%-24%以上电力来自的再生能源。 美国联邦和州政府为安装太阳能系统的所有家庭用户提供50%以上的补贴。,美国政府的具体措施 现有电网的强制性再生能源比例,美国太阳能行业的几个数据,投资：2001-2010年的太阳能相关半导体行业风险投资资金为45亿美元，比以往增加1100%， 而对传统的半导体行业的投资则减少了30% 。 企业：美国太阳能企业有200 多家，大部分2005年后成立。 增长：2001-2008年对太阳能行业年增长率超过40%。 市场容量：从2000年的300 MW 增加到2010年的7.5 GW。 售价： 硅系太阳能板的零售价2002年 7.5美元/瓦， 降到 2008年 3美元/瓦。 2009年1.8美元/瓦。 2010年1.7美元/瓦,太阳能电池的终极目标和技术解决思路,太阳能电池的终极目标： A 真正清洁能源 B 社会可负担的价格 举例： 如果要产生1GW(一个核电机组）的电力，需要大约面积为5平方公里大小的太阳能电池板。阳光的能量密度约 1KW/m2，到达地面只有70%，而其中只有部分能量可以转换为电力。20% 可以认为是非常好的商用转换率。土地和系统都有成本。 要取得好的成本效益，目前的技术有只2种解决思路： 1. 电池的面积降到最小 2. 电池的成本降到最低,为使电池面积最小研制聚焦型太阳能电池,高倍聚焦的太阳能发电系统 80%,国内最好的聚焦系统 3KW 38%,核心技术,为使成本最低研制薄膜太阳能电池,应该对昂贵的半导体材料的消耗要少1%10%（材料消耗少） 应该非常适合高度自动化的生产过程 （工艺成本低） 应该在产品达到生命周期后可以回收再用（额外收益大）,硅和薄膜太阳能电池产业链比较,第一代硅光太阳能电池制备工艺,Chronar（美国）,PECVD,沉积P、I、N层的工作气体,P层：硅烷（SiH4）、硼烷（B2H6）、甲烷（CH4）、高纯氩（Ar）、高纯氢（H2） I层：硅烷（SiH4） 、高纯氢（H2） N层：硅烷（SiH4）、磷烷（PH3）、高纯氩（Ar）、高纯氢（H2）,最具广泛应用潜力的三种薄膜材料,非晶Si CIGS（CuInGaSe） 碲化镉（CdTe）,三种薄膜技术的优缺点-1,非晶硅薄膜太阳能电池 优点： 硅薄膜沉积温度低，可直接沉积在普通基材上； 适合生产大面积太阳能电池，5.6平米左右； 和晶硅太阳能电池比节约原料。 缺点： 转换效率低，7-8%左右； 工艺成本太高，生产线造价1-1.2亿美金。 技术瓶颈： 沉积速度慢； 光诱导衰减问题是大难题，目前无根本解决方法。,非晶硅薄膜太阳能电池,三种薄膜技术的优缺点-2,铜铟镓硒薄膜太阳能电池 优点： 多晶异质结薄膜太阳能电池，反对的人少； 4个元素安全环保，稳定； 目前实验室转换效率高，19.9% （世界纪录）。 缺点： 技术多样，无标准工艺方法； 4元化合物，工艺复杂，沉积速度慢；成本高。 技术瓶颈： 材料处理工艺问题是大难题； 大面积镀膜的均匀度问题，目前无很好解决方法。,多源共蒸发法（PVD）,CIGS 铜铟镓硒薄膜太阳能电池,三种薄膜技术的优缺点-3,碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池 优点： 第一种在工业规模上成本大大优于所有其他材料的太阳能电池技术，2010生产成本仅为0.80美元/W； 和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光； 低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收； 强弱光均可发电，复杂环境条件下表现好； 目前实验室转换效率17.3%，目前工业化转换效率11.4%。理论效率应为28%。 缺点：产品面世时间短，原材料特性认识不充分问题。 技术瓶颈：提高Voc，研发出提高转换效率的工艺方法。,CdTe制备工艺（近距升华法）,碲化镉薄膜太阳能电池,电力系统需要稳定性，一般情况下 三种技术工作稳定性的对比,实际工作环境下性能参数对比,- 根据EUPD2009年调查报告,美国电网中的太阳能电力成本比较,目前，从经济效益上看，晶体硅太阳能电力价格和传统电网电力价格比，尚无竞争力。碲化镉有实现平价上网电价的可能。 美国电网平均电价 0.086美元/度 美国备用电网平均电价 0.22美元/度 美国平均晶硅太阳能电价 0.27美元/度 内华达，12MV碲化镉电站电价 0.075美元/度 美国能源部对太阳能发电的期待价格是： 0.10美元/度,碲化镉薄膜太阳能电池是近期最好的技术,最优化的单质结能带 理论: Eg 1.56 eV; 实际: Eg 1.35 1.40 eV 直接能带 节约原料和成本 3 mm(2009) 和硅系材料厚度(100-300 mm)相比; 阳光吸收指数最高:95%以上。 材料的结构和处理过程简单 碲化镉是2种材料的合成，比铜铟镓硒4种元素合成简单。 系统工作稳定性好。 已进入大规模工业化生产。（First Solar）,从产能，市值 数据对比看资本市场的态度,美国过去3年中铜铟镓硒薄膜太阳能电池 大规模的风险资金投入,Solyndra $6亿美元 CMEA，Redpoint等 Nanosolar $5亿美元 Larry Page 等 Miasole $3亿美元 KPCB，firelake等 SoloPower $2.3亿美元 Convexa 等 Sulfurcell $1.7亿美元 Intel，masdar 等 （全部是CIGS）,BIPV市场应用举例,功能性薄膜太阳能电站,集群式小型薄膜太阳能电站,建筑一体化太阳能幕墙,停车场,纳斯达克大楼太阳能幕墙,幕墙式太阳能电站,纽约旅馆太阳能光伏幕墙,分析碲化镉太阳能电池板结构,背电极,P极-碲化镉,N极-硫化镉,导电氧化膜,基板玻璃,光发生率,基材玻璃占成本的53%，碲化镉及辅助原料占成本的47%,碲化镉组件拥有非常高的转换率提升潜力,中期目标,转换率,Time Line,2009,2013,2015,11%,12%,15%,当前水平,近期优化,18%,未来预计,2011,镀层优化 提升玻璃透光性,持续的改进 优化刻槽技术,全新的电池和储能装置设计,国际光伏技术提升路径,国际市场对未来碲化镉电池尺寸要求,碲化镉技术可以适应浮法玻璃尺寸优化边缘,3.2m x 6,0m 未来,1.2m x 1.6m 当前,0.6m x 1.2m 中试,2015,尺寸,年,2000,2010,2005,中国的光伏建筑一体化市场的前景,目前中国有大约500亿平方米的建筑表面，如果我们能将10%的建筑面积转化为光伏建筑一体化材料，将是250 GW的市场（以目前世界产能需要生产20年）。 如果只是将现有每年新建建筑的1%的外墙建筑面积转化为光伏建筑一体化材料，将是2 GW的市场。 目前的光伏建筑一体化材料尚无国际和国内标准，谁创造标准，谁主导市场！,碲化镉太阳能电池发展的2个误区,误区1：碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求。 在过去，碲是以铜，铅，锌等矿山的伴生矿副产品形式，也就是矿渣，以及冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。碲化镉太阳能电池的不断成长的市场需求，无法得到原料的保证。 答案:中国四川发现了世界上唯一的，独立存在的碲矿，目前已探明的储藏量为 2000多吨。已经可供全球可用50年。碲化镉电池每瓦用量为0.1克。（瑞士银行的分析报告）,镉: 是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。镉和锌是同族元素，在自然界中镉常与锌、铅共生。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。镉被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积肝、肾中。其中，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。 其它脏器如脾、胰、甲状腺和毛发等也有一定量的蓄积。由于镉损伤肾小管，病者出现糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特别具使骨骼的代谢受阻，造成骨质疏松、萎缩、变形等一系列症状。,碲化镉太阳能电池的2个误区,误区2：碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染，危害环境怎么办？ 太阳能级高纯碲化镉是由高纯碲和镉在高温密闭的惰性气体，还原性气体和真空 环境中反应得到的。反应容器为石英管，在这一反应过程中，通过回收清洗液中的碲和镉，回收使用过的碲化镉太阳能电池，可实现零排放。美国国家实验室做过碲化镉高温燃烧试验，温度为760-1100度，试验发现，在火灾发生时每100万千瓦，释放的镉总量极限为0.01克。目前的火力发电厂排放的镉大大高于碲化镉电池。 生产一节镍镉电池需用10克镉，而峰值功率100瓦的一平米太阳能电池，仅用7克镉。每产生一度电，镍镉电池需消耗3265毫克金属镉，而碲化镉太阳能电池仅需1.3毫克。二者相差2000倍。 碲化镉不是单独的镉元素。碲化镉是稳定的。 答案：同镉在其他方面的应用相比，镉在碲化镉太阳能电池中的应用是最安全和环保的，目前还没有对环境有危害的报道。,碲化镉电池的政府支持,碲化镉太阳能电池技术以他特有的优势，得到了多国政府支持。 美国政府支持，开放市场。多个发电厂。 德国政府支持，欧盟奖。多个建设项目。 中国政府支持，建立世界最大的电站。 日本政府支持，曾经禁止，现在重建发电站。,First Solar公司的历史经验,历史变迁 哈纳德博士 1948 年代建立玻璃公司，研发生产钢化玻璃和弯曲玻璃（电视机用玻璃）。结果遇到50年代美国汽车工业迅速发展，挖到第一桶金。69年成为世界第三大电视机和汽车玻璃生产商。 哈纳德博士 1971年建立GT 玻璃技术公司专门做汽车钢化玻璃。 哈纳德博士 1984年 建立 GT 太阳能公司生产薄膜太阳能电池。先做硅薄膜，后来放弃， 87年把GT玻璃公司卖了一亿美金，专心做碲化镉薄膜太阳能电池。 由于几次濒临破产，99年 沃尔玛. 约翰沃顿投资4000万美金。改名First Solar 。2006年12月上市，2009年成为世界第一大薄膜太阳能电池生产商。,四方面因素帮助First Solar成功,1. 技术和人才积累 虽然第一太阳能99年成立，但技术贮备从50年代就开始了，尝试过多种技术方法，还是玻璃制造业的专家。 2. 耐心的投资人 沃顿于99年投入4000万美金。 和公司一起渡过头几年的艰难岁月。没有像普通风投3-5年必须套现，而是坚持开发和生产，公司于2006年12月上市。目前公司市值128亿美金（320倍回报） 。,4 方面因素帮助成功,3. 独特的开发思路 公司开发的工艺和方法，适合于大规模量产。不求转化率最高，但求最有竞争力。先占领市场，再不断提高。工厂以快速复制为主。 4. 坚持 镉元素有毒，但碲化镉无毒。碲资源当时稀缺，但现在不稀缺，大部分企业没有信心。但First Solar坚持不断改进工艺，减低耗材，并创立产品用后回收制度。即让用户放心碲化镉的排放问题，又得到碲原料再利用的额外收益。,碲化镉薄膜太阳能电池产业化的意义,减低碳排放，将低层次过剩产能改造成高效导电玻璃生产基地，为全世界的太阳能电池行业提供基材，利用中国独有的碲原料优势，成为世界碲化镉薄膜太阳能电池的领导者。为人类造福。 开发符合发展我国具有独立自主知识产权的技术和标准，从而使我国碲化镉薄膜太阳电池产业快速步入世界先进行列。领导并建立中国国家行业标准，占领产业制高点。 开发符合我国实际和现实需求的具有自主知识产权的成套工艺技术和关键设备制造技术，快速扩大市场。 将我国的重金属污染的劣势转化为经济优势，解决矿山，电解厂，冶炼厂的废料回收和污染问题。,中国政府态度,First Solar将在内蒙古建设世界最大的2000 MW CdTe太阳能发电站（2009.11）,
