设备供应商崛起推动薄膜电池产业发展

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供应商崛起推动薄膜电池产业发展
北京北仪创新真空技术有限责任公司技术副总经理 赵益萍
! H/ V, v* ^, z$ x4 ]1 H+ p设备供应商的快速崛起对薄膜太阳能电池行业迅猛发展起到了重要的推动作用。拥有强大技
术实力和丰富研发经验的核心技术团队，是可持续发展的关键。
% T+ }1 G* q) _* d光伏发电是未来能源体系的重要组成部分，高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基
- K# A0 e: A1 i6 q8 p本原则。围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标的各种新型太阳能电池的研究工作，一
8 |4 {# T- ]  e: h, A: J  f/ `直在各发达国家及一些发展中国家积极进行。其中非晶硅成为突破原料瓶颈的出路，太阳能电池
( z/ l& F3 |# c+ g' N& x. M薄膜化是降低成本的主要发展方向。生产非晶硅薄膜太阳能电池与化合物薄膜电池受到了业内越
- b. X2 E+ L  F' B0 d来越广泛的关注。
非晶硅薄膜太阳能电池优势明显
自2004 年以来，薄膜太阳能电池发展十分迅速。同时，为改变其转换率较低的缺点，一些
大型的半导体设备制造商都投入大量的人力和物力进行研究。从发展速度来看，在未来市场中，
! {+ H6 i7 [9 b$ }/ l. {5 {/ @薄膜电池所占的比重将会不断增加，新型薄膜电池技术将成为关注的焦点。在提高非晶硅薄膜太
& |  l$ a% Q/ J1 x" |阳能电池光电转换率的技术发展方向上，国际上普遍认同的是非晶/微晶的叠层技术。这项技术在
实验室已达到11%-13%的光电转换率，目前还没有产业化的数据报道，产业化的目标是8%-10%。
1 l2 Y0 X3 E7 I8 U. Z6 X" v" h& Q薄膜太阳能电池作为晶体硅光伏电池的替代品，使用只有不到1 微米或几微米厚的半导体材
料，厚度比晶体硅电池薄100 倍以上。这些半导体薄层可以附着在廉价的基片上(亦叫衬底)，如
玻璃、活性塑料或不锈钢薄板，特别是大片玻璃做衬底的非晶硅(a-Si)光伏发电产品。
薄膜太阳能电池种类较多，我们对主要的三种薄膜光伏发电技术进行了研究比较，即非晶硅
3 {5 H8 t0 X# K5 z7 ?$ |(a-Si)、铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)。我们决定只全力投入非晶硅光伏板块生产设备的制造与
6 L# C1 U1 X- g) k) X进一步发展，这是因为镉被证明可致癌，而铜铟镓硒的生产工艺过于复杂且极不成熟，很难在数
年内达到低成本的大规模生产水平，这些衬托出了非晶硅的优势。
7 t6 v$ T9 E( |5 o+ N- t9 E同时，相比较晶体硅，非晶硅薄膜光伏发电具有几大长处：
第一大优势是非晶硅薄膜的制造成本较低。例如，在发达国家非晶硅的平均成本约为每千瓦
! V& z' g+ o4 o& x/ K7 M4 r时2 美元，而晶体硅光伏电池平均为每千瓦时3 美元-4 美元。在劳动力成本较低的国家比如中国，
非晶硅的成本可降至近于每千瓦时1.3 美元。目前，全球唯一在大规模生产的薄膜太阳能电池类
6 q" }7 X: b$ R" a+ l2 \型就是非晶硅。这种相对简单的低成本生产技术及生产设备已达到较成熟的水平。
+ z9 V) L5 ~) o; W- x第二大优势为薄膜光伏电池模板易在两片玻璃之间进行密封，而且既耐久其生产原料又易取
得。而晶体硅因其厚度要求则密封难度要大得多。薄膜光电模板的质量和寿命不仅可与晶硅模板
# j: V# t( O' P# o, j' k8 b相媲美(一般为20 年)，而且玻璃密封使得他们更耐用，还可防止天气变化引起的效率递减。非晶
硅薄膜光电模板的质量和寿命都可超过晶体硅。
第三大优势是光伏建筑一体化的应用(即与建筑相结合的光伏发电)，光电建筑是指将太阳能
模板作为建筑材料直接应用到建筑设计中，为建筑提供电力。这种做法往往还会起到节能的作用。
; s# P, W( Y7 A  V从美学观点上讲，薄膜比晶体硅要更适合得多，因为薄膜光电模板可以做成半透明的(部分透明)，
/ m4 z6 z) _$ R0 ]而且非晶硅光电板看起来要均匀自然得多。非晶硅原材料本身就是比较透明的(依厚度而定)，所
! j) e3 X% D; g% W0 C  }& O5 O" ~7 X以最适合制成有一定透明度的光电模板。这是非晶硅薄膜应用于光伏领域时最大的优点之一。
另外，在高温性能及低光性能方面，相对其他光电材料来说，非晶硅光伏电池有着良好的性
能，在温度增高的情况下丧失的转换效率较少。晶体硅则相形见绌，其在高温下的发电性能明显
不如非晶硅光伏电池稳定。当我们考虑在夏天和较热的地区(包括中国的中南方及北方的夏季)使
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0 I& \! n) K1 u( N% I用光伏产品时，这是一个不可忽视的问题。
% s- p7 P7 q8 C. i3 U, B9 }* t+ g非晶硅光电产品在光度很弱的情况下依旧运行很好，而其他光伏产品的效率则明显降低。值
得注意的是，晶体硅在低光(弱光)条件下的发电性能比在强光下要差很多。这是非晶硅电池在实
" c) [. I7 k3 l际应用中的非常有利的特点之一。(在早晚天色不很亮的时候，仍可有效地发电。)
1 {+ a$ n% X' _6 v4 A2 P非晶硅薄膜光伏电池技术的主要劣势为其光电转换效率远低于晶体硅光伏电池，为6%左右，
多晶硅为13%以上。因此在同等功率的前提下，非晶硅光伏板的面积要比晶体硅光伏板大许多。
随着非晶硅光电模板效率的提高和稳定，以及大规模生产经验的增长，非晶硅薄膜光电无疑将逐
, U: N$ x9 q! Z* L: `; N6 I渐成为太阳能市场的重要成员。特别在BIPV(光伏建筑一体化)这个市场，直接镀在玻璃上的非晶
# q" d% a% y" m, x0 d" f/ `硅薄膜光伏电池，无论从成本或功能(包括视觉)的角度来看，均胜过晶体硅产品。非晶硅薄膜光
2 e& j4 x4 n* B" e7 w% i电模板的生产安全环保，设备和工艺成熟，非常适合低成本的大规模生产。
7 m. k- m: W! T) g1 m& f设备供应商起到重要推动作用
3 n$ A4 o. n5 k" _$ _设备供应商的快速崛起对行业迅猛发展起到了重要的推动作用。薄膜电池行业的大量工艺涉
2 y& _) X. W3 v. s0 H+ [及真空镀膜技术，镀膜技术水平、沉积速率直接影响产品良率和生产效率，间接影响到赢利能力。
拥有强大技术实力和丰富研发经验的核心技术团队，是可持续发展的关键。
, a: Q+ U  `$ e2 O8 G+ A北仪创新公司，是拥有50 余年真空镀膜设备的研发和生产过程丰富经验的专业企业。同时
) G4 O8 Q5 o1 o& m5 G" v- Z3 @/ ?8 O也是最早与多所科研院校合作，成功进行多项非晶硅薄膜太阳能电池试验设备制造的企业。公司
) f7 }/ G% g% W! @, H% K4 s5 p通过对“在高真空环境下进行的大面积磁控溅射”和“多片化学气相沉积(PECVD)”两项关键技
" ~5 X3 E1 h. ^) u( t+ C术的产业化研究，2006 年率先自主研发出我国首条非晶硅薄膜太阳能电池生产线成套技术和设
备，是国内唯一实现销售收入的设备制造厂家，目前已为3 家用户提供了总计20MW 的成套生产
线设备。产品的稳定转换效率达到了国际同类产品水平。
' B! H0 r, K3 H' W北仪创新公司生产的非晶硅太阳能电池生产线覆盖整个非晶硅太阳能电池生产过程所需的
" D4 Q' `( [- e设备及工艺，从采购的TCO(透明导电膜)玻璃一直到封装完好的非晶硅电池，整个项目为交钥匙
) P1 ?% H% J7 }+ C- u工程。整条生产线主要包括：玻璃磨边、玻璃清洗、玻璃钻孔、预热炉、冷却炉、老化炉、PECVD
设备、PVD 设备、激光刻膜设备、封装层压设备、电池I-V 检测设备等。
公司已建成非晶硅薄膜太阳能电池生产研发线，在为用户提供成套的非晶硅薄膜太阳能电池
生产线的同时，同步进行新型非晶硅薄膜太阳能电池的产业化研发工作，形成了良好的可持续发
/ s; g: v: E2 C$ b0 |展的产业结构形式。
) L  n) v  V+ K) ^9 C北仪创新公司自2006 年3 月份，开始进行“5MW 非晶硅薄膜太阳能电池生产线设备”的研
发工作，同年年底在用户处完成安装和调试工作，为用户提供“交钥匙工程”式的软硬件服务。
2007 年年初，该生产线在用户处投入正常使用，生产的非晶硅电池模板的主要技术指标——— 光
- _" ]4 F1 Q, ?8 W8 t* @电转化率，已达到5.5%-6%的国际水平，至此成功完成了我国第一条国产成套的非晶硅薄膜太阳
能电池生产线设备的研发工作。
为了不断对太阳能电池生产线产品进行提升换代，适应市场及技术发展的需要，公司决定在
现有已掌握技术的基础上，开展新型太阳能电池膜系的研究工作。在北京大兴基地建设薄膜太阳
2 o$ l& g4 c; w5 e' S能电池研发基地，建造5MW 的非晶硅薄膜太阳能电池研发试验线，通过与国内外专家和单位的
* G( \3 `$ n. ]合作，进行新型太阳能电池的研究，以进一步提高电池的转化率，为下一代微晶薄膜太阳能电池
+ W: V( \% P' ~2 V设备的研究奠定基础，并对设备结构进行更深入的研究，增强结构的合理性，降低设计成本。
" e! A8 ~+ i& P" [北仪创新公司具有设备制造和电池组件生产的技术。所以，对于非晶硅薄膜光伏电池这一项
  ^3 {8 h- r3 p+ s+ U& n, E. j: V目的扩展方向，公司计划在发挥制造优势，生产制造设备的同时，还要发挥技术优势，直接进行
  n9 U$ S3 q8 Z太阳能电池片及其组件的生产。
这一经营模式的扩展，不但可以增加企业的经济效益，更重要的是，可以使我们能够更紧密
地贴近市场，感受市场产品技术的发展和用户的需求，以便更好地完善我们已有的软硬件技术，
8 c% e" M- e2 D9 s+ w不断提高产品整体的、综合的技术水平，并且为今后进一步研发升级换代的太阳能电池产品(如微
+ J& o& x/ y$ B1 [晶硅薄膜光伏电池)打下坚实的基础。
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非晶硅薄膜太阳能电池原理及特点
非晶硅光伏部件产生电压的触发原料是氢化非晶硅(a-Si：H，这里简称非晶硅a-Si)，像结晶
3 v, H- v4 X! v% _& ^" I' l6 U* i硅(晶体硅)一样，非晶硅是半导体，但它不具备常规的结晶体的有序结构，做成薄膜，非晶硅可
以用来制造很多种光电子元素和产品，包括太阳能电池、晶体管、光接收器和影像监测器。非晶
硅可以被涂到面积很大的各种各样的基片(衬底)上，这为开发大表面电子和光电产品打开了大门。
3 i. w2 u$ h3 k: b7 |2 T+ P非晶硅被夹在一个透明导体(氧化锡膜)和背面的金属(铝膜)之间，所有的层都沉积在一个玻璃
4 @0 q) e7 U6 F1 N; {9 y! Y9 Q基片上。非晶硅的p-i-n 结构实际上是一个半导体二极管，阳光在里面发生耦合。对电池而言，
  k/ x# |. m$ b6 P6 o电压的正极在氧化锡层，负极在铝层。制作完成的非晶硅电池被切割串联，形成完整的电池组，
在真空状态下用黏合剂将后片玻璃叠压于覆有薄膜的前板上，完成密封封装。