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薄膜光伏技术覆盖更宽的光谱范围

发表于:2008-09-02 22:40:25 来源:半导体国际 作者:索比太阳能
  尽管薄膜硅太阳能电池的转换效率并不能和当今的主流技术相媲美,然而一旦考虑每千瓦(特)小时能量的生产成本,这项技术就能够脱颖而出。随着半导体和平板技术的发展,薄膜硅太阳能技术将能够帮助太阳能产业实现预期的宏伟目标,即太阳能发电成本与现有电力成本持平。


硅基光伏(PV)电池应用在计算器上已经有几十年历史了,此外在露天照明领域,这项技术也开始大展拳脚,但是直到今天,由于日益激增的能耗需求,产业界才刚刚开始着手将它纳入电网。包括多晶硅和单晶硅在内的晶体硅(c-Si)技术占据了90%的PV市场。薄膜太阳能电池的兴起有一系列的原因,其中之一就是多晶硅原材料的短缺已经严重的妨碍了太阳能产业的发展。


大约在2004年的时候,太阳能电池与IC产业所消耗的硅材料数量大致相当。随着前者的蓬勃兴起,太阳能电池产业对硅材料的需求越来越大,尽管多晶硅供应商不断扩大产能,但原材料仍供不应求。薄膜太阳能技术通过在玻璃基板上淀积一层薄无定形硅(a-Si)取代以往的c-Si体硅基板太阳能技术,从而大为降低多晶硅的使用量。(图1)





另一类薄膜太阳能技术则依靠碲化镉(CdTe)或铜铟镓硒(CIGS)完全取 代了硅材料。尽管CIGS的实验结果令人满意,但是由于其产品的尺寸问题,这项技术尚不能进入商用阶段。与此同时,First Solar (Tempe, Ariz.)在薄膜CdTe模块领域取得突破,据称它能够将电力生产成本控制在$1.25的范围内。


业界正致力于进一步降低成本,当达到$1/W(大约相当于电网价格,商业上能够和传统的石油能源竞争)这意味着太阳能产业进入收获的季节。应用材料公司(Applied Materials)能源和环境解决方案 (Santa Clara, Calif)资深副总裁和总经理Mark Pinto近来指出,在一些地方,将要或已经达到了入网价格的要求。


太阳能技术进入规模推动期


世界各国的政府采取各种手段推动太阳能技术发展,应用材料太阳能事业部资深副总裁和总经理Charlie Gay指出,即便没有这些帮助,太阳能产业也会实现预期的目标,但毫无疑问,这些政策能够进一步促使太阳能技术更快的降低成本。他举例进行说明,在德国过去20年里,电力入网价采用保证收购价格的运作模式。然而随着新的《可再生能源法修正案》的颁布,收购电价每年调降8%,由于太阳能产业签订了长期能源采购协议,这意味着其必须持续不断的降低成本以确保盈利。这些政策与太阳能产业的规模息息相关,随着时间的推移,成本会不断下降。因此,我们能够预期在不久的将来太阳能电力将会和传统电力直接竞争。


Oerlikon Solar (Trübbach, Switzerland)北美市场拓展部负责人Chris O'Brien认为,短时期内通过政策的扶持,推动太阳能技术进入规模发展期是必不可少的。他说:“目前,太阳能电力的价格仍然高于入网价。如果一旦失去了政策的扶持,那么用于推动技术向前发展以及降低成本的资金链会出现问题,这将严重延缓太阳能技术的发展进程。”


对太阳能技术有利的是石油燃料的价格将会持续上涨。“由于煤炭储量丰富,其价格预期会相当平稳,” O'Brien说道:“但是事与愿违,在其它能源的带动下,煤炭的价格也显著的增长。”此外,在华盛顿普遍存在一种观点,政府会采用行政干预或立法限制煤炭价格的上涨。O'Brien补充道:“由于传统能源价格的上涨,电价会上涨2-4分钱/瓦特*小时。


得益于半导体和平板显示(FPD)在工程制造方面积累的经验,太阳能产业不断提升生产效率、降低制造成本,这无疑极大的推动了太阳能电力成本的下降。目前,半导体业界的两大设备制造商Applied Materials和Oerlikon,正致力于开发大面板薄膜硅太阳能技术。Oerlikon在a-Si层上淀积微晶吸收层制造的微晶叠层电池其应用前景十分广阔。而应用材料的SunFab生产线通过进一步扩大面板的面积(达到了5.7 m2)以进一步降低生产成本。


薄膜太阳能技术的出现


Oerlikon Solar CEO Jeannine Sargent指出,目前薄膜太阳能产品占据大约10%的市场份额,预期在未来4-5年内达到全部太阳能PV市场的15-20%。她说:“太阳能PV市场的年均复合增长率超过50%,而未来五年,薄膜太阳能市场的年均复合增长率可能会在80-100% 。”


尽管目前薄膜太阳能技术的转化率低于c-Si(基本上前者为6-8%,而后者达到了13-19%),但是这项技术却在其它一些方面表现突出。“总体上,我们相信薄膜技术的成本优势十分突出,但是困扰我们的是还没有合适的量产产品来发挥这一优势,”Sargent说道。


而且,为了进一步降低制造成本,太阳能面板的面积也在被不断增大(面积越大,成本越低)。


尽管生产厂家习惯用瓦特或功率输出来衡量产品,但是市场却更关心每千瓦(特)小时能量的生产成本和效率,而这往往将对技术的发展产生巨大的影响。“薄膜技术的另一个优势是对光源的敏感性较高,”Sargent说:“比如德国等易于出现多云或阴天天气的国家或地区,得益于这一优势,薄膜太阳能技术就会比c-Si得到更多的应用。” 举例来说,纽约布鲁克林区Stillwell Avenue站的屋顶已经使用了5500m2由Schott Solar (Jena, Germany)生产的薄膜太阳能面板(图2)。Schott对外宣称,即便在没有优化车站朝向或屋顶倾斜度等设计的情况下,薄膜太阳能面板的电力产生量仍然会比c-Si高不少。





此外,Sargent还强调,相对于c-Si而言,薄膜太阳能技术的转化效率不易受到温度变化的影响。他说:“如果假设在高温地区推广太阳能技术,不论在美国的莫哈韦沙漠或阿布扎比或迪拜,可预见的是c-Si太阳能技术在高温地区的转换效率都不会让人满意。”


大面板,大工程


为了降低太阳能面板的价格以进一步提高对传统能源的竞争力,建造十亿瓦特级别的太阳能面板制造工厂是一个不错的选择 。很明显,增加面板的面积能够同时节约生产和安装两方面的成本,基本上越大的面板成本就越低。在这一点上,半导体产业也采取了同样的方式。“当一个机器人向前移动,就需要各个部件的协调配合,所不同的是贡献的大小而已,”Gay说:“如果你想提高性能表现,那么就需要进行优选配置,针对性地解决主要问题而不是拘泥于细枝末节。总体而言,有的放矢是重要的。”


出于同样的原因,面板越大越节约安转的时间和费用。粗略的计算,建造包括卷缆柱、支架、混凝土、钢材、铜连接器、转换器、DC和AC开关以及转换器等在内的那些所谓的“支持系统”的费用,已占到了一套太阳能系统全部投入的一半。对于装配人员而言,如果太阳能产品在出厂前就能完成大部分的配线工作,那么对他们而言将节约大量的时间和精力,而且大型的面板意味着较少的连接固定,无疑也能降低劳动力和硬件成本。


所有的这些贡献都将进一步降低能源成本,从而推动太阳能技术早日能够和传统能源一较长短。


不断进步的太阳能技术


尽管太阳能产业已经存在几十年了,但是直到最近这项技术的产能才能和IC以及平板显示产业相提并论。“如果用一台生产大面积平板显示器的设备在无定形硅上制造太阳能电池,那么其产能会达到50MW/年,”Gay说:“这仅仅是3年前的水平,现在一些太阳能电池厂商的产量已经达到了1000MW/年,以至于15-20条这样的生产线就能够满足市场的需求。而且,太阳能市场涌现了更多的商机,大量的不同领域的设备制造商投入其中期望有所斩获,这进一步推动了太阳能产业的发展和成本的降低。”


Sargent指出,20世纪80年代,BP Solar、Shell Energy以及其它的一些能源公司致力于研发薄膜太阳能技术,但没有形成产业规模。直到得到来自半导体和FPD产业设备制造商们的大力扶持后,这项技术才真正成为了可量产的技术。


“这个产业充满着机遇和挑战,”Gay说:“1981年起,这项技术从孕育到发展、壮大,我几乎见证了它的每一步。这个市场生机勃勃,它必将能够被大众所接受,取得成功。”“我相信对于我们中间那些已经在半导体相关产业摸爬滚打了近25年的老家伙而言,太阳能产业的市场是十分广阔的,”Sargent说:“它不像消费品市场那样会大起大落,对于后者而言,尤其在平板显示或半导体产业内,需要包括Playstation、IPOD以及大屏幕显示器等的杀手锏产品来吸引消费者。能源就是能源,它是与众不同的,对它的需求也近乎无限。”


O'Brien的数据表明,目前太阳能PV的发电量占总发电量的0.1%。世界各国对能源的需求与日俱增,年平均增长量达到1-2%。他说:“对太阳能能源的需求也不断增加,这也为产业的发展提供了有利条件。”包括太阳能PV和太阳能热能在内,到2015年整个产业会达到$1500亿。Sargent说:“尽管目前太阳能产业还比较弱小,但是我相信它的发展前景十分广阔,其发展速度将远超自70年代后期开始的半导体产业。”


References


1. R. Resch, "No Question of Solar Momentum in U.S.," Semiconductor International, July 2008, p. 116.

2. L. Peters, "Pinto: Grid Parity Coming Soon," Semiconductor International, May 1, 2008.

3. V. von Keller, "Razor-Thin Solar Radiation Converters," Schott Solutions, 2008, No. 1, p. 22.


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