薄膜太阳能电池行业分析报告(完整版)

三诺h222薄膜太阳能电池行业分析报告(完整版)
30年前出现的非晶硅薄膜,由于转换效率太低及效率衰退的问题,被束之高阁多年。 前几年的硅材料供应危机,强烈刺激了薄膜太阳能电池研究和投资。2008 年全球薄膜太阳 能电池产量达 892MW,同比增长 123%。权威估计,2050 年太阳能在整个能源结构中会占到 1/5 的份额,意味着它的经济规模将在100 万亿以上。
本报告从太阳能电池发电整体市场角度,详细分析了薄膜太阳能电池发展的现状,列举各种 薄膜太阳能电池的技术特点,收集了国内外主要薄膜太阳能电池生产厂家的情况,分析了薄 膜太阳能电池存在的问题和风险、发展前景等。
一、太阳能电池行业近年发展概况及前景展望
太阳能电池产品分为晶体硅电池、薄膜电池两类:前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两 种,占据全球该行业绝大多数的市场份额;后者主要包括非晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化 镉电池等,目前市场份额较小。
图1 太阳能电池产品分类
传统的硅基太阳能电池容量大, 对太阳光的转换率可以达到20% , 技术成熟, 但是它存 在的最大问题就是主要原料多晶硅或单晶硅制造工艺复杂、耗能大,成本高,而且必须加工 成坚硬的板块状电池板,限制了它的许多用途。
DisplaySearch在09 年第三季最新发行的全球太阳能电池产能数据库与趋势季度研究报 告中指出:
从2008 年1 月到2009 年7 月为止,全球总共新增了11.4GW (114 亿瓦) 的新的太阳能 第 2 页 共 30 页 电池产能,这庞大的新增产能是2009 年在需求不佳的情形之下产能仍大幅成长56%的最主 要原因;
截至2006 年为止,日本拥有全球最大的产能,但中国大陆厂商自2005 年起积极投入新 厂产能扩建,并在2007 年成为全球最大的太阳能电池生产地,预计在2009 年占全球太阳能 电池产能的三分之一;
2009 年薄膜(Thin Film)太阳能电池的产能达到 3.58GW (35.8 亿瓦),其中有 30%采用了 600mm×1,200mm的基板尺寸。这个尺寸也是碲化镉(CdTe) 太阳能电池的标准基板尺寸,并 且目前为First Solar 等厂商所采用。一般称之为5 代的1,000×1,200mm 到1,100×1,400mm尺 寸的玻璃基板产能则在薄膜太阳能电池中排名第二,占了所有薄膜的18%;
上帝已死
2005 年时全球太阳能电池产能有95%属于结晶系,5%属于薄膜技术。2009 年时薄膜技 术预计达到全球总产能的20%,2013 年时预计成长到30%;
针对非晶硅的生产产能,2009 年的主要四家设备供货商为 AMAT、Oerlikon、ULVAC 以及EPV;这四家设备厂商所供应的产能达到了946MW(9 亿4,600 万瓦),也就是所有非晶 硅产能的一半;
2030 年以后光伏发电的成本会继续降低,电池的转换效率将进一步提高,光伏系统组 件将发展成建筑物通用的构件,可以实现大规模的标准化应用,几乎所有新建筑都将安装光 伏阵列。欧盟希望在 2030 年安装的光伏发电装置增加到 200GW 左右,全球可能会达到 1000GW。
欧洲联合委员会研究中心(JRC)的预测,到21 世纪末,可再生能源在能源结构中将占到 80%以上,其中太阳能发电占到60%以上,充分显示出其重要的战略地位。
统计显示,2002 年以前国内光伏发电装机容量一直徘徊在5MW左右。2002 年到2004 年,国内光伏市场大幅攀升。2008 年我国太阳能电池以2050MW的产量跃居全球第一,但
国内装机容量仅为20MW,我国制造的太阳能电池几乎全部出口。估计2008 年中国累计安 装量达到115MW。中国光伏应用仍然以独立系统为主,并网光伏发电应用比例还很小。
据中国电力科学院预测,2010 年我国电力供应缺口为 52.9GW,占需求的 7.7%;2020 年为 91GW,占 8.2%。可见国内电力市场日益增长的需求为光伏产业的应用发展提供了有 力支撑。国家发改委提出了2010 年光伏组件及系统累计安装450MW的目标。预计2008-2010 年太阳能光伏装机容量的年均复合增长率将达到80.86%。到2020 年,我国光伏累计装机容 量将达到1.8GW。
科技市场调研机构 isuppli2009nian 9 月 4 日发表研究报告指出,以生产量来看,2009 第 3 页 共 30 页 年全球前10 大太阳能电池制造商依序将为First Solar(市占率由08 年的7.5%攀升至12.8%)、 尚德(市占率由08 年的7.3%下滑至6.9%)、Sharp Electronics(市占率由08 年的7.6%下滑至 6.8%)、Q-Cells(市占率由08 年的8.5%下滑至6.3%)、英利绿能源(市占率由08 年的4.2%
攀升至5%)、晶澳太阳能(市占率由08 年的4.1%攀升至4.7%)、SunPower(市占率由08 年的 3.5%攀升至 4.6%)、京瓷(市占率由 08 年的 4.5%攀升至 4.6%)、茂迪(市占率由 08 年
的 4% 攀升至4.2%)、昱晶(市占率由08 年的3.3%攀升至4.1%)。
表 1 2009 年世界太阳能电池生产企业前十名排序葛根胶囊
二、现有各种薄膜太阳能电池的特点
薄膜(Thin film) 光伏电池, 其薄膜厚度一般在2~3μm。其中包括硅薄膜型(主要包括多 晶硅、非晶硅和微晶硅) 、化合物半导体薄膜型(主要包括非结晶型(a-Si: H , a-Si: H: F , a-Six-Gel - x: H 等) 、III - V 族砷化镓、磷化铟( GaAs, InP 等) 、II -V I 族硫化镉(Cds 系) 和 磷化锌( Zn3 P2 ) 等) 。
新材料薄膜型电池(主要包括聚合物薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池)。不同材 料研究已经达到的应用水平如下:
材料                      效率(%)              利用状况
镓硒/磷化铟/锗混合材料    35                      仅实验室
镓硒                      25                除某些空间利用外尚未广泛应用
磷化铟                    22                      仅实验室
晶硅                      25                  PV 市场中最常用的材料
酷我音乐盒2008多晶硅                    20                        广泛应用
铜铟镓硒                  20                    TF PV 市场中份额正在增长
一棵树上的两种果实>圣手书生
碲化镉                    17            TF PV 场中增长迅速,但大多来自一家公司
非晶硅                    10                    TF PV 中最为常见
有机材料                    4-8          尚未应用,但有几家公司正积极尝试商业化
(一)、多晶硅薄膜光伏电池
从 70 年代中期人们就已经开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜, 但由于生长的硅膜晶粒 太小, 未能制成有价值的太阳能电池。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, 另外还有液相 外延法(LPPE)和溅射沉积法。
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。但是,
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, 这就是再结晶技术, 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 晶硅光伏电池的技术, 这样制得的光伏电池转换效率明显提高。
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。由于多晶硅薄 膜电池所使用的硅远较单晶硅少, 又无效率衰退问题, 并且可以在 廉价衬底材料上制备, 其成本远低于单晶硅电池, 而效率高于非晶硅薄膜电池,可能成为薄 膜太阳能电池当中发展速度最快的一个品种。
(二)非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅太阳电池是 1976 年出现的新型薄膜太阳能电池, 它与单晶硅和多晶硅太阳能电 池的制作方法完全不同, 硅材料消耗少、电耗低。制造非晶硅太阳能电池最常见的方法有辉 光放电法、反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法 和热分解硅烷法等。
辉光放电法是将一石英容器抽成真空, 充入氢气或氩气稀释的硅烷, 用射频电源加热, 使硅烷电离, 形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化 磷或氢化硼, 即可得到N 型或P 型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备 非晶硅薄膜的工艺, 主要取决于严格控制气压、流速和射频功率, 对衬底的温度的要求也很严格。
非晶硅太阳能电池有各种不同的结构, 其中有一种经典的结构叫PiN 型, 它是在衬底上 先沉积一层掺磷的N 型非晶硅, 再沉积一层未掺杂的i 层,然后再 沉积一层掺硼的P 型非晶硅, 最后用电子束蒸发一层减反射膜, 并蒸镀银电极。此种制作工 艺, 可以采用一连串沉积室, 在生产中构成连续程序, 以实现大批量生产。同时, 非晶硅太阳 能电池很薄, 可以制成叠层式, 或采用集成电路的方法制造, 在一个平面上, 用适当的掩模 工艺, 一次制作多个串联电池, 以获得较高的电压。
非晶硅可以生长在很薄的不锈钢和塑料衬底上, 制备出超轻量级的太阳能电池。这种电 池具有很高的电功率/重量比, 首先被用在太阳功率飞机上, 并在 1990 年完成了首次跨越美国的飞行, 创造了太阳功率飞行的新记录。
目前, 非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低, 国际先进水平为 10%左右, 且不够稳定, 常有转换效率衰降的现象, 制约着非晶硅电池作为大型太阳能电源, 只能应用 于弱光电源。非晶硅太阳能电池还存在稳定性秒高等缺点,直接影响了它的实际应用。由于 非晶硅光学禁带为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取得更的高的转换效率。此外,其光电效率会随着光照的时间的延续 而衰减,即所谓的光致衰退效应,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单结太阳能电池上淀积一个或多个多电池制得 的。目前,非晶硅薄膜太阳能电池的研究取得两大进展: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%,三叠层电池最高转 换效率为13%。

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标签:电池   太阳能   薄膜   非晶硅   产能
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