2023年太阳能电池费用接近于普通电能.doc

太阳能电池费用接近于普通电能 　　几种光伏技术制作方法的进展正在降低制造商品化光伏组件的本钱，同时也创造了光伏光电池效率的新记录。光伏光电池组件本身相对于它所产生的电能必须低本钱。正如许多商业化生产制造商正在扩大他们的产量一样，制造技术的推进已使美国主要制造商的光伏组件本钱降低了约三分之一。但单靠实验室的研究并不能进行经济合算的太阳能发电。 由于光伏光电池可用各自方法制造，几乎不存在普适性的制造方法。所用材料也有好几类，但所有光伏光电池根本上都是大面积的p-n 结光电二极管。本文讨论商业化生产中的普遍问题及每类光电池的制造技术。 光伏制造技术项目〔PVM aT〕 是美国政府和工业界共同承当费用的项目，针对商业化光伏公司和预商业化光伏公司制造中存在的问题。PVM aT 项目由能源部投资和国家能量更新实验室〔NREL〕运行。 图1　制造能力和每瓦平均制造本钱的比拟， 以美国12 家制造商1996 年的实际数据和到2023 年估计为根底。各制造商的生产能力正在增长 实验室项目经理E.Witt说，美国五个主要光伏制造商中的四个以及8个较小制造商都与PVM aT 项目有关。本项目的制造商制作一个光伏组件的平均本钱已降低1/3，最高输出时为每瓦3 美元，而所有涉及公司的总制造能力已比过去3 年翻一番。光伏工厂的年生产能力以一年所制作的所有组件和光电池提供的最大功率W p计算。制造商确信，本钱还可进一步下降，市场将继续开展。1999 年底， 参加者预期，他们的平均本钱将为1.79 美元/W p ，生产能力将提高187.4MW ，为1996 年全世界生产能力的2 倍以上〔见图1〕 普通生产问题 　　单晶硅片是一种成熟技术， 并继续占据市场优势， 其次是用浇铸法或条带生长法制作的多晶硅〔图2〕。其它商品化光伏光电池用非晶硅薄膜或碲化镉〔CdTe〕薄膜制作。有些晶态硅电池专供太阳能收集器组件使用。A stropower 公司跨在体块材料和薄膜材料间， 在低本钱衬底上生长较厚的多晶硅厚膜。 图2　1996 年全世界生产的光伏光电池和组件总计为88.6MW。其中53.4% 为单晶硅，27% 为多晶硅，13.2% 为无定形硅，3.4%是带形多晶硅，1.8% 是碲化镉〔其中3/4是用于室内，如计算器中〕，0.8% 是结晶硅，用于集光器组件，0.3% 是低本钱衬底上的硅 每种晶片材料都需用不同处理技术，但所有类型的光伏光电池组件都要使材料费用最低。虽然组件的生产效率始终低于单个优质光电池，各类组件必然存在效率降低的问题， 防止电池不受环境影响的包封必须做得很牢，以便有效应用和长寿命。光电池之间以及光电池到连接盒之间的电连接也必然要化一些劳力。 材料 晶体系统公司总经理F. Schmid 说，对于单晶和多晶光电池，硅片约占组件费用的三分之一。研究薄膜硅的局部动力是它只使用几微米厚的硅层而不使用几百微米厚的独立式硅片。 如果光伏光电池制造商不需使用半导体级硅作初始材料，也可实现本钱的某些节省。半导体级硅不仅价格昂贵， 纯度也比光伏应用所需的高1000 倍。较低级的冶金级硅为99% 纯度，所含杂质约比光伏光电池多1000倍。Schmid 说，最近，存在生产太阳能电池级硅的要求，这种硅可能比半导体原料廉价。Schmid 说，产业界每年需要10 万吨左右较低价格和添加较多杂质后光伏效率不致下降的供货。为浇铸多晶硅制作提供炉子的晶体系统公司已建议用他的炉子工艺来生产这种级别的硅。 除光伏材料的本钱费用外，组件框架本钱也很可观，少数公司正在试验无框架组件。麻省埃佛格林太阳公司正在开发使用聚合物框架的组件，这种框架可作为封装工艺的一局部通过加热而形成到组件上。公司B.Kanzer 说，铝框架是组件第二昂贵的部件，使用一种与开展中聚合物框架相同材料制成的新型仿鞣式织物可比普通后部聚合物Tedlar 更厚更坚韧。这种试验性聚合物框架比典型铝框架更轻和更薄。它包括背部的铝安装横条。研制者预计， 无框架组件可使组件制作和安装本钱节省0.5美元/W。 相互连结 为了提高输出电压，各光电池串联式连接。在晶态光电池中，导电接片把光电池上部的接触条附到下一个光电池的金属化底部。在做这一步之前，每一光电池并不附着另一个， 因此，这步工艺需要对光电池作对准和使导线相连，这是一个复杂的工艺。对准调整和接片机械已使这个过程局部自动化，正在开发把所有接触都安排在一侧的光电池结构的研究，这将使相互连接工艺大为简化，使连接操作成为一种平面工艺而不是三维工艺。 光电池相互连接是薄膜光电池可以胜过晶态光电池的另一生产技术：薄膜光电池通过把淀积在大面积上的薄膜划分成段而制成，虽然它仍需要进行相互连接，但薄膜光电池已经集成。 封装 除了光电池实用材料的寿命外，组件寿命大多还与其它因素有关。Kanzer 指出，材料可以持续很久，那就是金属化和封装。晶态组件的金属接片最后是氧化和腐蚀。工业标准封装聚合物乙基乙烯酸酯〔EVA〕经高温和紫外辐照后变成黄色和褐色。EVA 的替代物正在国家能量更新实验室、几家光伏光电池制造商和聚合物公司中研究。理想封装物应当能像EVA 那样进行处理，而费用和光学质量差不多，但要求在20～30 年时间里不太变黄。 晶态硅的类型 单晶硅 为了制作光电池，要用恰克拉斯基法生长出毛坯，并切割成晶片，然后通过形成结的方法进行制作，镀上增透膜，再加上前〔指条和母条〕、后〔面〕接触。由于晶片是圆的， 抛光组件在晶片之间有很多空隙，有些晶片材料因晶片做成方形而浪费掉。然而，恰克拉斯基法的优点在于生长工艺的成熟，因此，半导体晶片生长者也可利用。 世界最大的光伏光电池生产商是单晶硅制造商西门子太阳能公司〔在加州的卡马里奥〕。1996 年，西门子生产了世界产量的约26%。E.Witt 报导说，由于有了光伏制造技术项目方案的支持，西门子可使它的单晶硅组件本钱降低50% 以上，同时使它在美国的制作能力翻一番。其中的改良是自动化和改变毛坯锯成晶片的方法。采用丝锯法可把1 英寸厚的毛坯片锯成45片晶片。 多晶浇铸硅 熔融硅熔化后再慢慢〔在坩埚或模具内〕冷却成矩形大颗粒半结晶铸锭，然后切成晶片。这种生长方法比单晶生长随便些，并且矩形晶片解决了晶片和组件的包装匹配问题，留下较小空隙。制造商Solarex 通过使组件装配自动化〔在不增加工人情况使产量翻番〕、减小晶片厚度、改变光电池反面的接触提高了效率，并在光伏制造技术方案的帮助下增大了铸锭尺寸。 增大铸锭尺寸可在较小切割下暴露出较大面积。晶体公司销售的自动热交换炉，可以生产大至200 kg〔约450 磅〕的浇铸多晶铸锭。Schmid 指出，多丝划片技术减少了划片期间材料的损耗量。 带形多晶硅 晶片割锯导致硅以锯末形式的消耗。带形生长法由于以单独带状形式生长硅而防止了割锯问题，然后将此带切割成可操作尺寸，做成光电池。美国ASE 公司采用边缘限制馈膜生长〔EFG〕法，模具在氩气氛下在熔融硅中提拉。公司用8 边形模具制作15 英寸的8边形多晶硅管，壁厚约为300 mm。整根管子生长时间只化4 h，可以做360 个10 cm ×10cm 的光电池衬底。 埃佛格林太阳公司也制作带状多晶硅片，但带片是在两根通过熔融硅的高温绳之间形成。国家能量更新公司的光伏光电池项目经理T. Surek认为，该公司工艺“非常振奋人心〞。 薄膜多晶硅 防止锯铸锭的另一方法是把硅淀积到衬底上。A stropower 公司制作了较厚的多晶硅薄膜。国家能量更新实验公司薄膜合作经理K. Zweibel 说，这个方法提供了低本钱材料的薄膜。试验厂在软性衬底上制作了15 cm宽的材料片。形成p-n 结的多晶生长和n 型掺杂都是连续性工艺。光电池尺寸不受铸锭尺寸的限制〔浇铸或单晶技术那么不然〕，公司已演示了尺寸为30 cm ×60 cm 的光电池，公司认为，这是世界上最大的光伏光电池。 薄膜 　　Zweibel 说，薄膜有些方面还有待验证。虽然薄膜是作为晶态硅的较廉价替代方法而开展，但在商业上还没有得到证明。薄膜淀积在很大面积上，然后割开。透明氧化物导体可用作前外表接触。虽然薄膜已开展几年了，但由于制造方面的问题，它们还没有像预期那样快速商业化。Zweibel 还说，薄膜光伏组件的目标是在所有方面与晶态光伏光电池竞争。Surek 说，从论文情况看， 所有大规模制造的薄膜看来都有希望，它们甚至可使本钱降到每瓦1 美元以内。 非晶硅薄膜 然而，1997 年已有三个厂走向联机，薄膜非晶硅已进入市场。单单这三个厂每年就提供1996 年全世界硅-氢合金光电池总产量2 倍多的组件。Solarex 公司弗吉尼亚厂跃增了10 MW ，日本佳能公司建立了一个10MW 工厂，密执安州联合太阳能系统公司已建立了一个5MW 工厂， 生产柔软衬底的光电池。Zweibel 告诫说，制造才刚刚开始，还没有最正确化。虽然他没有预言硅光电池将压倒光伏光电池市场，但他确实预言了今后5～10 年制造方面的改良。 联合太阳能系统公司是佳能和能量转换器公司的合资企业，正在制作可作为屋面瓦盖材料使用的非晶硅组件。组件不是玻璃作阵面，而是由EVA 和Tefgel 聚合物作盖面并衬有不锈钢衬底。制造厂采用逐卷连续淀积工艺， 把9 层薄膜淀积在35 cm 宽、762 m长的衬底上。公司已开展了一种用于100MW 工厂的设计构思。 碲化镉薄膜 用p 型掺杂CdTe 层上n 型硫化镉〔CdS〕 层制作的光伏光电池是一种高风险高潜能技术。Zweibel 说，这种技术最有希望突破，如果行之有效，一夜之间就可使本钱降低50% ， 这是相当罕见的。俄亥俄州太阳能光电池公司制作了效率9% 的组件，现在的本钱是小于100 美元/m2。主要挑战是均匀CdS层的制作，同时又要相当薄，以便使光通过结。光电池稳定性和有害镉的处理也是一个障碍。如果找到可靠的制造方法，这种光电池本钱可以接近1～2 美元/W，而不是3～4 美元/W，费用将与晶态硅光伏组件差不多。 光伏光电池制造包括各种技术，其中许多是可以降低本钱的。国家能量更新实验公司的E. Witt 对制造商正在采用的各种路线抱有信心，他说，存在一大批从事的正确方法。 ——激光与光电子学进展　　　　1999 年第4 期