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[信息] 软性塑胶薄膜太阳能电池

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发表于 2008-12-5 04:55:09 | 显示全部楼层

软性塑胶薄膜太阳能电池

  软性塑胶薄膜太阳能电池

  目前市场上,绝大多数的太阳能电池是採用硅晶圆作为材料,主要是因为硅晶圆太阳能电池的製造原理和过程都和半导体相当接近,因此在半导体生产技术和设备都已经相当成熟,且人才众多的情形下,硅晶圆太阳能电池具有转换效率佳、设备成本低、量产速度快、良率又高的优势,因此预期至少未来十多年,硅晶圆太阳能电池仍然会是市场上的主流。

  不过,由这两年上游多晶硅材料缺乏,所导致整体产业链价格飞涨的情形,可看出硅晶圆太阳能电池所面临的最大问题乃是材料成本太高—一方面是因为多晶硅原料虽然是一般的砂(SiO2),但是纯化过程中需要规模庞大的厂房,耗费大量的能源才能办到,因此单位成本并不便宜,生产上也无法快速因应需要增加产能;另一方面,由于物理性质的限制,目前用硅晶圆製造太阳能电池目前最少也要200μm的厚度,因此在製造大面积发电模组时对硅原料的用量也相对庞大。

  所以薄膜太阳能电池节省材料(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上),可在价格低廉的玻璃、塑胶或不鏽钢基板上製造,甚至可以Roll to Roll方式大量生产大面积太阳能电池的特性,在业界持续寻求降低生产成本的要求上,加上具有可挠性,容易搭配建筑外牆施工等其他优点下,已广被看好将是未来的明星产品。

  然而,目前的薄膜太阳电池,都有明显的製造成本过高或是转换效率太低的缺点,因此各研究单位和厂商仍不断在进行新材料或製程的研发,期望能改善目前的缺点;短期之内,薄膜太阳能电池仍将是以特殊应用的市场为主。

  薄膜太阳能电池的种类

  薄膜太阳能电池,顾名思义,乃是在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜,厚度仅需数μm,因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量。薄膜太阳能电池并非是新概念的产品,实际上人造卫星就早已经普遍採用砷化镓(GaAs)所製造的高转换效率薄膜太阳能电池板(以单晶硅作为基板,转换效能在30%以上)。

  不过,一方面因为製造成本相当高昂,另一方面除了太空等特殊领域之外,应用市场并不多,因此直到近几年因为太阳能发电市场快速兴起后,发现硅晶圆太阳电池在材料成本上的侷限性,才再度成为产业研发中的显学。目标则是发展出材料成本低廉,又有利于大量生产的薄膜型太阳能电池。目前已经开发出多种薄膜太阳能电池技术,以下将目前已经商业化,或是已经有具体产品出现的薄膜太阳能电池做一简单介绍。

  非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)

  在1980年代,非晶硅是唯一商业化的薄膜型太阳能电池材料。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很强,而且利用溅镀或是化学气相沉积方式在玻璃或金属基板上生成薄膜的生产方式成熟且成本低廉,材料成本相对于其他化合物半导体材料也便宜钗h;不过缺点则有转换效率低(约5~7%),以及会产生严重的光劣化现象(就是在受到UV照射后会使得转换效率大幅降低)的问题,因此无法打入太阳能发电市场,而多应用于小必v的消费性电子产品市场。

  不过在新一代的非晶硅多接面太阳能电池(Multijuction Cell)已经能够大幅改善纯非晶硅太阳电池的缺点,转换效率可提升到6~8%,使用寿命也获得提昇。由于发展历史相当长,目前市场上绝大多数的薄膜太阳能电池都是用非晶硅作为主要材料,而未来在具有成本低廉的优势之下,仍将是未来薄膜太阳能电池的主流之一。

  微晶硅(Nanocrystalline Silicon,nc-Si,也被称为Microcrystalline Silicon,mc-Si)

  微晶硅其实是非晶硅的改良材料,其结构介于非晶硅和晶体硅之间,主要是在非晶体结构中具有微小的晶体粒子,因此同时具有非晶硅容易薄膜化,製程便宜的特性,以及晶体硅吸收光谱广,且不易出现光劣化效应的优点,转换效率也较高。目前已有将a-Si和nc-Si叠层后製成的薄膜太阳能电池商品(由日本 Sanyo研发成),可镀膜在一般窗户玻璃上,透光的同时仍可发电,因此业界广泛看好将是未来非晶硅材料薄膜太阳电池的的发展主流。

  CIS/CIGS(铜铟硒化物)

  CIS(Copper Indium Diselenide)或是CIGS(Copper Indium Gallium Diselenide)都属于化合物半导体。这两种材料的吸光(光谱)范围很广,而且稳定性也相当好。转换效率方面,若是利用聚光装置的辅助,目前转换效率已经可达30%,标准环境测试下最高也已经可达到19.5%,足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积製程上,採用软性塑胶基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效率都已经相当优异,因此被视为是未来最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。目前主要的CIS薄膜太阳电池生产技术是採用溅镀法,成本较高,但是6月底时,美国硅谷的Nanosolar公司宣佈已研发成孕H金属箔为基板,以印刷(就像印报纸)的方式生产CIGS薄膜太阳能电池的技术,可大幅降低生产成本。

  CdTe(碲化镉)

  CdTe同样属于化合物半导体,电池转换效率也不差:若使用耐高温(~600度C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%,而使用不耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率,转换效率远优于非晶硅材料。此外,CdTe是二元化合物,在薄膜製程上远较CIS或CIGS容易控制,再加上可应用多种快速成膜技术(如蒸镀法),模组化生产容易,因此容易应用于大面积建材,目前已经有商业化产品在市场行销,转换效率约11%。不过,虽然 CdTe技术有以上优点,但是因为镉已经是各国管制的高污染性重金属,因此此种材料技术未来发展前景仍有阴影存在。

  GaAs Multijuction(多接面砷化镓)

  在单晶硅基板上以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所製成的薄膜太阳能电池,因为具有30%以上的高转换效率,很早就被应用于人造卫星的太阳能电池板。新一代的GaAs多接面(将多层不同材料叠层)太阳能电池,如GaAs、Ge和GaInP2三接面电池,可吸收光谱范围极广,转换效率目前已可高达 39%,是转换效率最高的太阳能电池种类,而且性质稳定,寿命也相当长。不过此种太阳能电池的价格也极为昂贵,平均每瓦价格可高出多晶硅太阳能电池百倍以上,因此除了太空等特殊用途之外,预期并不会成为商业生产的主流。

  色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)

  色素敏化感染料电池是太阳能电池中相当新颖的技术,产品是由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。此种太阳能电池的优点在于二氧化钛和染料的材料成本都相对便宜,又可以利用印刷的方法大量製造,基板材料也可更多元化。

  不过目前主要缺点一是在于转换效率仍然相当低(平均约在7~8%,实验室产品可达10%),且在UV照射和高热下会出现严重的光劣化现象,二是在于封装过程较为困难(主要是因为其中的电解质的影响),因此目前仍然是以实验室产品为主。然而,基于其低廉成本以及广泛应用层面的吸引力,多家实验机构仍然在积极进行技术的突破。

  有机导电高分子(Organic/polymer solar cells)

  有机导电高分子太阳能电池是直接利用有机高分子半导体薄膜(通常厚度约为100nm)作为感光和发电材料。此种技术共有两大优点,一在于薄膜製程容易(可用喷墨、浸泡涂佈等方式),而且可利用化学合成技术改变分子结构,以提昇效率,另一优点是採用软性塑胶作为基板材料,因此质轻,且具有高度的可挠性。

  目前市面上已经有多家公司推出产品,应用在可携式电子产品如NB、PDA的户外充电上面,市场领导者则是美国Konarka公司。不过,由于转换效率过低(约4~5%)的最大缺点,因此此种太阳能电池的未来发展市场应该是结合电子产品的整合性应用,而非大规模的太阳能发电。

  

  薄膜太阳能电池市场概况

  薄膜太阳能电池虽然有材料成本远低于硅晶圆太阳能电池的优点,但是一方面因为转换效率不高,二方面目前生产设备相当昂贵,设备成本高出硅晶圆太阳能电池三倍以上,再加上产品寿命都远不及硅晶圆太阳能电池可长达20年以上的使用寿命,导致目前薄膜太阳能电池并未因材料成本较低而拥有价格优势。

  根据太阳能专业网站Solarbuzz.com的统计,目前(7月份)薄膜太阳能电池模组的平均每瓦售价约在4美元左右,和多晶硅太阳能电池相差相当有限。不过在材料和生产技术不断加强,以及规模扩大之后,未来成本下降的速度应该会较硅晶圆太阳能电池快速钗h。以美国为例,美国再生能源实验室(NREL)的目标是在2020年时将薄膜太阳电池成本降至每度电5美分;若与未来结晶硅太阳电池之发电成本每度电仍将高于10美分相比,薄膜太阳电池仍深具市场竞争力。

  在市场方面,根据工研院IEK的资料,2004年全球薄膜太阳电池模组产量约63MWp,仅佔全球PV产量5%,其中以美国为最大产地,约佔 36.5%,其次为日本佔27.7%。而若以薄膜技术类型来看,非晶硅产品佔最大宗,市佔率约75%,其中以日本佔37%为最大产地,领导厂为 Kaneka,其次为美国约佔30%,最大厂为United Solar。

  两家公司的薄膜产品都是採用非晶硅材料,产量佔全球非晶硅太阳电池产量比重分别约为36%和30%。在成长速度方面,目前薄膜太阳能电池模组的成长速度约是和全球太阳能电池产业成长率相当,2005年约成长四成,达88MW;而美国再生能源实验室(NREL)预测至2009年,其全球年产量可进一步扩大为280MW,并仍以美国产量166MW为最高,其中a-Si技术年产量约55MW。

  美国于太阳电池产业之发展规模明显落后日本及欧洲,但在开发薄膜型太阳电池方面仍然具有领先地位,因此在薄膜太阳能电池未来的成长潜力被广为看好之下,未来仍有相当机会能重返世界太阳光电产业之领导阶级。

  

  

  主要厂商动态

  1.非晶硅技术方面:2005年全球薄膜太阳电池产业以Kaneka年产能30MW最高,其次为United Solar之25MW。今年United Solar将扩大产能达到50MW,至2010年产能更将达300MW;Kaneka则计划至2008年将年产能提高为70MW。另一家欧洲太阳电池大厂,SCHOTT Solar,最近亦宣佈将扩大其非晶硅太阳光电模组产能,预计2007年秋天年产能可达30MW。

  2.CIS/CIGS技术方面:原来结晶硅太阳电池大厂Shell Solar,在策略转变之下,将其在加州之单晶硅太阳电池工厂出售给德国SolarWorld AG,转向发展CIS薄膜太阳电池,其CIS试製品转换效率可达13.5%。而今年6月在美国的Nanosolar,则在宣佈研发成孕HRoll to Roll印刷技术生产CIGS薄膜太阳能电池的同时,宣佈将在明年年底其设立年产430MW的生产线。

  若果真成央A不仅将成为薄膜太阳能电池全球第一大厂,也将成为仅次于日本Sharp和德国Q-Cell的太阳能电池产业全球第三大厂。此外,日本本田汽车也在去年底宣佈,将在2007年量产CIGS太阳能电池板,初期产能约为27.5MW。

  3.其他技术方面:美国First Solar已量产CdTe太阳电池,并稳定维持每年产量约33万个PV模组,去年年底年产能约20MW,今年将增为40MW、2007年75MW。

  至于国内厂商,由于开始研发薄膜太阳能电池技术的时间远远落后国外,且目前产业发展重心仍放在结晶硅晶圆型太阳能电池上,因此目前仅有少数厂商仍在研发阶段,并没有厂商具有足够竞争力的量产技术。

  由于薄膜太阳能电池具有成本优势,未来市场的成长速度普遍预期将高于硅晶圆电池,因此未来国内厂商仍需积极加紧研发脚步以抓住庞大商机。

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