全球薄膜太阳能电池部分国家及地区运行分析.docx

全球薄膜太阳能电池部分国家及地区运行分析一、美国美国CIGS化合物太阳能电池研发状况GlobalSolar(亚利桑那州)GlobalSolar公司成立于1996年，以不锈钢板(StainleSS-SteeISUbStrateS)为基板，采同时蒸着法制作可挠式(Flexible)CIGS太阳电池与模块。CIGS太阳电池模块的接合构造为ZnO:Al/ZnO/CdS/CIGS/i/Mo/SS,其特征为太阳电池单元彼此相互重迭。目前受光面积8,709平方公分的大面积模块的转换效率为10.2%,输出电力为88.9瓦(W),开路电压(VOC)36.1V,短路电流(Isc)4.1A,FF(FieldFactor)0.606o目前研究开发着重于太阳电池模块封装方式的开发，以对应户外使用环境下CIGS太阳电池模块性能的提升。Nanosolar(力口州)Nanosolar公司成立于2002年，累计投入1亿5千万美元于研究开发,该公司以不锈钢板为基板、CIGS奈米粒子(NanoPartiCIeink)为原料，采涂布印刷法制作可挠式(Flexible)CIGS太阳电池与模块，目前已从研发阶段进入到商业生产的阶段。目前NanoSoIar公司对于转换效率等产品性能数据相当保密，目前仅针对系统整合厂商(wholesalesystemintegrators)出货。2007年9月Nanosolar公司获得美国SolarAmericaInitiative(SAI)计划的研究经费支持，提升NanOSOIar产品的成本效益，降低系统端的安装成本，使得太阳光电的发电成本达到与市电价格相当的水准，可望在不久的将来被纳入市电的供电系统中。NanOSOlar本次取得的计划经费来自美国能源部(USDepartmentofEnergy)SBIRPhaseII与D0ENREL,研究经费规模达950万美元,近年来Nanosolar从DOE取得研究经费累计达2千万美元。AscentSolar(科罗拉多州)AFRL自1995年起即提供研究计划与经费给AscentSolar公司的前身ITNEnergySystemsInc.,用以发展可挠式(Flexible)ClGS太阳电池，AscentSolar公司的CIGS太阳电池是以不锈钢板为采用卷筒式制造方式(continuousroll-to-rollmanufacturingprocess),力口上光吸收层(activelayer)厚度仅3微米(micrometers),减少材料使用，具低制造成本的优势。2007年1月美国空军(TheU.SAirForce)将原本给予ITNEnergySyStemSlne.公司的合约转移给AscentSolar公司。AscentSolar公司目前的研究重心一为开发可挠式(Flexible)CIGS太阳电池表面电极材料与制造技术，其次是发展迭层结构的CIGS太阳电池TandemDevicesJo2007年5月美国空军给予AscentSolar公司一个中小企业创新研究(SBIR)计划合约。该计划目标为开发出以卷筒式(Rolkto-Roll)制程沉积可挠式(Flexible)CIGS太阳电池透明导电膜(TransparentConductiveC)Xide,TCO)的技术。ASCentSOIar公司预期新的透明导电膜材料与制造技术，将有助于降低成本及提升太阳电池的性能。2007年10月AscentSolar公司从美国空军实验室(U.S.AirForceResearchLaboratory,AFRL)取得74万9千美元的研究经费，计划目标为开发以单晶整合的ClGS技术开发薄膜迭层太阳电池(thin-filmtandemphotovoltaicsbasedonmonolithicallyintegratedCIGStechnology）,研究期间为27个月。据AscentSolar估计，未来迭层结构的太阳电池的转换效率有达到20%的潜力。2007年8月AscentSolar公司从美国能源部所属的国家实验室（UlS-DepartmentofEnergyNationalLaboratory）取得16万5千美元的研究经费，计划目标为发展先进CIGS材料与制程以提高生产量，达到降低AscentSolar公司的ClGS制造成本的目的。金安明邦调研中心美国AscentsolarTechnologies开发出了长度为5m的柔性ClGS（铜锢铉硒）型太阳能电池模块。模块宽度为32cm,重量为2kg。底板采用聚酰亚胺。开口部的发电效率为9.1%,输出功率为123W。AscentSolar将该模块定位为面向建材一体化（BlPV）太阳能电池的主要产品。利用年产能为isMW的卷对卷设备生产。目前正在建设中的年产能30MW的工厂预定导入生产设备。美国CIGS化合物太阳能电池厂商商业化动向全球薄膜太阳能龙头美国FirstSoalr计划到2014年其硅化镉（CdTe）薄膜太阳能电池模块每瓦制造成本将达到0.52-0.63美元，相比目前每瓦约0.93美元的成本下降30-40%,转换效率由目前10.9%上升至12.5%,提升1.6个百分点。FirstSoalr在2008年出乎意料快速崛起后，就成了太阳能市场不可轻视的公司，尤其它宣布在2008年第4季末已达到每瓦成本1美元以下，产能在2009年超过10亿瓦(IGWp)规模量产化，若以一般传统煤的发电成本来看，其成本已与许多高电价地区的成本相当(Grid-Parity)。2009年太阳能市场受大环境影响需求急缩，很多薄膜厂都面临生存空间的打压，尤其是非晶硅薄膜7%的转换效率难与价格跌幅甚大的传统结晶硅太阳能模块相比，FirstSolar薄膜转换效率达10%以上，相对仍有竞争空间，促使多数薄膜厂商竞相提升转换效率。若以投入众多的堆迭式微晶硅薄膜(Tandcm)来看，2010年转换效率会拉升到810%之间，与FirstSolar的转换效率差距缩小，值得观察的就是薄膜厂商投入转换效率大于11%的三结结构(Triple-junction)硅薄膜太阳能电池模块的时间点，若同样在2014年前完成，就有机会与FirStSolar正面迎战，另外，具高转换效率低成本的铜锢钱硒(ClGS)薄膜太阳能电池模块的成功发展时间，也会造就薄膜市场的重大改革。但最值得注意的还是传统结晶硅太阳能模块的成本结构变化，一旦它的成本下降的速度比预期来得大，还是有可能面临2009年非晶硅薄膜太阳能所面临的生存空间受打压的问题。美国CIGS电池转换效率再创历史新高CIGS电池实验室转换效率再创新高，美国再生能源实验室(NREL)2008年3月28日公布其CIGS电池的实验室转换效率再度刷新其原先缔造的19.5%的历史纪录，达到19.9%,使的CIGS电池的转换效率进一步逼近多晶硅电池的20.3%,NREL目前正与美国HelioVolt合作将其CIGS技术导入商业化量产，这样的讯息隐含出一个重要讯号：在维持CIGS电池的成本及外观优势前提下，CIGS电池理论上将突破在与晶体硅电池竞争时所被诟病的应用面积劣势，亦是在同样面积下，CIGS电池的发电量将不比多晶硅电池为低,这是薄膜电池阵营的一个重大突破。市场普遍预估当商业化薄膜光伏模块转换效率达到12%时，薄膜光伏电池的市场渗透率将大幅提升。美国发布CIGS型太阳能电池玻璃底板成膜装置美国维易科精密仪器(VeeCoInStrUmentS)发布了CIGS(Cu、In、Ga、Se)型太阳能电池玻璃底板用蒸镀成膜装置“FastLine:该装置采用易于提高制造能力的系统，每小时可最多处理30块尺寸LlmXL4m的玻璃底板。并且，虽未公布具体数值，但该公司表示可量产高转换效率的太阳能电池模块。蒸镀源采用该公司的"PV-Seriesv0基于蒸镀的成膜方法材料的使用量少，可降低单位输出功率的制造成本。此外,该公司还准备推出柔性底板使用的成膜装置"FastFlex二、日本太阳能是一种纯洁,环保,能量巨大的可再生能源,基于半导体的利用光伏效应把太阳能转换成电能的太阳能电池是最有潜力和希望的.近些年来,还出现了基于具有共辆结构的有机分子制作的电池,有机太阳能电池有重量轻,可弯折,制作工艺简单等优点,因而近些年来成为了一个热门的研究领域.而日本针对有机太阳能的研究较为多,技术比较领先.因而本文主要就有机太阳能电池原理,结构和影响能量转换率的因素以及目前日本有机太阳能电池研究的现状进行评述.1有机太阳能电池的工作原理有机太阳能电池是利用有机化合物的光生伏打效应把光能转变为电能的器件.有机太阳能电池的工作原理可以分为以下几个过程：首先是光的吸收,半导体吸收光之后产生的是激子.第二个过程是激子的分离,也就是激子在扩散到受体和给体界面的时候由于给体与受体的能级不同从而产生了离化能和亲和能的差异从而实现了电子和空穴的分离.最后激子分离后变成载流子需要被有效的收集.2有机太阳能电池的结构太阳能电池的结构对于太阳能电池的性能影响也是显而易见的,从最早期的肖特基结,到现在广泛采用的异质结和体异质结,以及基于以上结构的层叠结构.3影响有机太阳电池性能的因素决定太阳能电池的能量转换率的主要参数就是:太阳能电池的短路电流,开路电压和填充因子.而影响这几个参数的因素主要有:材料的光谱响应特性,材料的能级特性,材料的迁移率等,因而我们从新材料的使用、分子改造、新的成膜工艺和膜的形态结构的改进、缓冲层的采用、电极和界面的改善与掺杂、以及器件稳定性和寿命的改进等方面阐述了日本有机太阳能研究的各个方面的现状31新材料的使用和分子的改造材料的光谱响应一般是受到材料能级结构影响较大,一般能级和地面太阳辐射光谱匹配较好的材料有更好的表现.但大多数时候材料的响应光谱往往和太阳辐射谱没有很好的匹配,因而使用不同的材料光谱的响应特性就会不同.另外通过分子改造或者成膜过程的掺杂和退火工艺也可以改变材料的组织结构从而影响到材料的能级结构特性最终影响到材料的光谱响应特性.日本东京大学Yamakawa等合成了给体受体共聚物PICDTBT和PICDT2BT.分别用两种物质和PCBM制作的光伏器件在AML5(AML5/OOmW/cm2)光照下开路电压可达0.9V,能量转换效率分别达到了1.47%和2.07%.Fujishima等研究者采用了一种全新的较高的光吸收给体材料DBP取得了较高的转换率3.6%(AM1.5,100mwcm2).除了寻找更好的材料之外还有许多其它的因素也能极大的影响到器件的性能.3.2口新的成膜工艺和膜的形态结构的改进材料的迁移率对于短路电流的提高有很大影响,因而选取迁移率较高的材料往往能提高器件的性能,而有机太阳能电池又往往受到材料迁移率的限制而无法提高光电转换率.材料的迁移率可以通过掺杂来改善,在合适条件下进行退火也有助于材料形成较为整齐的结构从而有利于迁移率的提高,当然为了提高有机层迁移率可以做的工作也不止这些.工作都是围绕形成有利于器件性能提升的形态结构展开的.东京大学的OgaWa等研究者利用Iayerbylayer沉积技术(LbL)使载流子的迁移率高达41014cm2Vs大阪大学的Kittichungchit等研究者采用蒸汽成膜取得了较好的膜形态和结晶性,制成的ITOC60poly(3hexylthiophene)(PAT6)Au结构器件,开路电压,填充因子,和外量子效率都有提高.还有一些研究者是通过改进膜的成份比例和溶剂来实现有序结晶性的改进的.东京大学的Nishizawa等研究者通过改变给体受体的不同比例从而导致了器件性能的差异.日本产业技术综合研究所的COOk等研究者在氯苯溶液中加入乙醇从而使P3HT的结晶性提高了.综上所述,针对膜形态结构的改善工作主要是为了改善器件的有机层的分子的有序性和提高结晶性的,也让我们认识到了膜的形态结构对器件性能的影响的重要性33口采用缓冲层,改善电极和界面一般,在有机太阳能器件中,激子的有效分离和载流子的有效收集很重要.因而广泛采用的缓冲层的介入和成膜工艺的变化等得到了广泛的研究.除此之外,电极和有机层的接触的改善,电极的形态结构等对载流子的收集有着至关重要的作用,因而也得到了广泛的关注和研究.缓冲层的引入有些研究者认为是为了阻止激子在界面上的复合,而也有研究者认为他是阻止电子从电极扩散到有机层从而形成反向电压削弱器件的性能.缓冲层的介入还可以有助于形成良好的界面接触有利于载流子的收集,但这个时候缓冲层的厚度要合适的控制.大阪大学的Hori等研究者使用MoO3作为缓冲层使ITOC60PAT6MoO3Au结构的器件的能量转换率提高到了1.15%(AMI.5,10OmW/cm2).松下电工有限公司的Sakai等研究者制作了一种层叠的有MoO3和LiF介入的电池取得了较高的能量的转换率.北陆先端科学技术大学院大学的Kinoshita等研究者研究发现ITOMoO3TetraphenylporphineC60BathocuproineAg结构的电池中的MoO3缓冲层的厚度从0变化到50nm时能量转换率从1.24%升到1.88%.电极的选择合适才能形成良好的欧姆接触不至于导致载流子收集的势垒,从而有利于短路电流的提高.另一方面电极的表面形态对载流子的收集也很重要.德岛文理大学的Yano等研究者通过对ITO表面粗糙程度对电池性能的影响的研究发现短路电流对ITo的表面粗糙程度较为敏感.京都大学的Rattanavoravipa等研究者通过在导电电极上制作纳米管来提高器件的性能34口掺杂通过掺杂可以改变材料的能级结构,从而改善光谱响应特性和提高开路电压,另一方面也有利于改进材料的迁移率.合适的掺杂物质和比例的选择可以改善器件的性能.通过掺杂可以提高开路电压名古屋工业大学的Hayashi等研究者通过在P3HT/PCBM结构的体异质结器件中使用(MEHPPV)层从而使开路电压从0.38V提高到了0.5V,因为这样做可以通过影响能级而使电压提高.北陆先端科学技术大学院大学的Kinoshita等研究者通过在基于PentaceneC60结构的电池中间加入ZnPc层从而使短路电流和开路电压都有相应的提高.掺杂同时也可以促进激子的有效分离,进而可以增大短路电流,从而使器件性能得到提升.中部大学的Somani等研究者在有机层中加入双壁纳米管用于改善激子的分离,使器件的性能改良了很多倍.同时Somani等研究者研究发现在器件中用伯金属颗粒修饰的纳米管能够增强在金属有机物交界处的电场从而使激子分离更为有效,从而提高了器件的性能.同时也发现用金属金和钉也可以有同样的效果,从而得出用金属去修饰纳米管会提高器件的性能的结论.掺杂也可以改善器件对光谱的吸收和响应.京都大学的Yamamoto等研究者发现PCBM含量较少的时候吸收谱较为宽为900-100Onm之间,而含量较多时则较为窄为900nm附近,这也就预示了光谱响应特性也受有机层各组元的比例的影响.名古屋工业大学的Ismail等研究者通过在P3HT/PCBM结构中掺杂入9,10(Jiphenylanthracene(DPA)从而提高了光吸收和载流子的传输,改善了器件性能.因为掺杂一般会影响到物质的能级,进而改善了载流子的迁移率35口器件稳定性和寿命的改进与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池的稳定性差,寿命短,这些问题将会是有机太阳能电池面临的重大问题.导致有机太阳能电池寿命不长的原因有很多,比如水和氧对有机层的氧化作用等,寻找一种途径能够延缓这些过程,延长太阳能电池的寿命也引起了一部分人的兴趣.金汉大学的Kuwabara等研究者使用Ti的氧化物代替低功函数电极,制作成的电池在AM1.5太阳光模拟照射下的能量转换率达到2.5%,并且在周围环境中连续照射IO小时性能还能保持不变.北陆先端科学技术大学院大学的Kanai等研究者发现在ITO电极和p型有机层之间加入MoO3层可以提高器件的稳定性,抑制器件效率的退化.岛根大学的Yoshida等研究者使用Ga掺杂的ZnO作为透明电极制作的器件可以使器件稳定性增大.4未来的发展趋势基于日本目前有机太阳能电池的研究现状可以看出,未来关于有机太阳能的研究的努力方向将会是:1、寻找和合成新的光谱响应特性和迁移率更良好的,能更容易形成有序形态结构的材料,因为材料的自身的性质直接决定着他能不能低成本的被用作光伏器件.2、有机层的形态的进一步优化,和优化结构制作过程的简化.因为只有优化的结构才能使材料的功能得到充分的展现,而制作过程的简单与否则直接关系着器件制作的成本问题,也就是关系着能不能更好的市场化.3、电极的优化形态结构和新的电极材料的找寻.电极形态也对器件的性能有一定的影响,直接关系着有机材料产生的自由电荷能不能被有效的收集并传导出去.目前来看,这种影响是不能被忽略的,如果找到合适的电极将能极大的改善器件的性能.4、电池稳定性的提高和寿命的延长,找到一种能使有机光伏器件的寿命更长的方法或材料也是至关重要的,寿命和稳定性关系着这种器件能不能成为商品三、其他国家分析受全球性经济危机的影响，欧洲的太阳能电池市场不仅将在2009年停下快速增长的脚步，而且还有可能陷入衰退。但是，对该地区的印刷太阳能电池领域来说，2009年可能会成为其快速发展和加快商业化进程的一年。目前人们使用的大多数太阳能电池都是用晶体硅制成的，而且它们一般都被放置在玻璃等硬性承印物上。硫化镉(CdTe)、铜锢钱二硒(CIGS)和染料敏化太阳能电池(DSSC)等有机薄膜太阳能电池的销售额将从2009年的不到5亿美元增长到2014年的200亿美元。到那时，薄膜太阳能电池将广泛采用聚酯有机材料进行生产，而且随着印刷速度的提高、成本的下降和产量的增加,有很一大部分薄膜太阳能电池都通过印刷的方式生产出来。目前，欧洲国家在推动印刷太阳能技术的发展上所起到的作用非常大，因为它们不但能为太阳能技术的开发提供了充足的资金，而且还能给太阳能电池的用户提供一定的补贴或税收优惠。目前，最活跃的一个印刷电子领域就是染料敏化太阳能电池(DSSC),因为它在所有薄膜技术中的应用范围最广。澳大利亚著名的染料敏化太阳能电池材料和元件供应商Dyesol公司的子公司作为欧洲最著名的印刷电子贸易协会，有机电子协会认为印刷电子技术最早将在消费品领域得到应用。在不远的将来，这项技术还将延伸到对与建筑物融为一体的太阳光电板(BuildingIntegratedPhotovoltaic,BIPVo将太阳光电系统结合建筑设计的一种节能建材产品，可直接取代传统屋顶、窗户、外墙及遮阳/雨棚等。可大幅改善传统太阳光电系统笨重外型，不但美观，而且还可以增加空间效益；打造另一个太阳光电建筑产业的市场商机)的生产过程中。据有机电子协会预测，从2015年开始，安装在住宅楼的房顶、外墙和其他地方上的印刷有机太阳能电池板将与电网相连，以便享受政府部门提供的上网电价政策（如补贴、税收减免等）。在今天的欧洲，似乎只有非晶硅太阳能电池才能享受长期保护电价，而再过5年左右，有机电子材料将达到或超过非晶硅的导电水平，并能与多晶硅的性能相媲美。等到那个时候，太阳能电池的成本将达到与传统发电成本相同的水平，这也将进一步提升太阳能电池在能源市场上的份额。欧洲光伏工业协会（EPIA）曾经预测，到2020年，太阳能电池在欧洲电力销售领域所占的市场份额大约为2%到3%,而2008年年底，该协会将这一预测数据提高到了原来的四倍，达到了12%o与这种乐观预期相反的是，德国政府于近日宣布，截止到2010年，太阳能发电只能占到该用电量的2%至U3%o德国目前是欧洲地区安装太阳能电池数量最多的国家之一，因为它能为这类用户提供非常优厚的再生能源补贴。直到现在，德国还在全球每年新增的太阳能产能中占据着一半以上的份额，但它在全球太阳能市场上的领导地位已经被西班牙所取代,后者在2008年共安装了总发电量为2511兆瓦的太阳能装置。这一数字分别比德国和美国新增的发电能力高出了三分之二和七倍。人们之所以预计太阳能电池在欧洲的增长速度会有所减慢，主要是因为西班牙政府对新增产能设置了500兆瓦的上限，但在其他欧洲国家，太阳能电池的产能将在政府的刺激下得到进一步提升。意大利就打算在2009年将自己的太阳能电池产能提高一倍，达到500兆瓦。欧洲光伏工业协会希望太阳能电池在欧洲的持续增长能够帮助投资者建立信心，而且随着成本的逐渐下降，这个领域的规模也将变得越来越大。薄膜太阳能电池也做好了为用户提供更高投资回报率的准备。但是2009年，晶体硅太阳能电池的成本也出现了大幅下滑一一仅在第一季度就下跌了20%左右。这主要是由多晶硅供应商产能过剩造成的，而且根据预测，这将使多晶硅的价格从2008年的400美元/千克下降到50美元/千克。原材料成本的急剧下降迫使很多非晶硅太阳能电池的生产商开始想方设法降低产品价格。目前，印刷太阳能电池并没有与晶体硅太阳能电池展开直接竞争，因为它的第一批商业化产品都被投向了消费市场，这对太阳能电池来说，是一个全新的市场。位于英国威尔士的G24InnoVationS公司一直致力于为消费品提供染料敏化太阳能电池技术，而且他们现在已经成为了新一代用于弱光和室内环境中的染料敏化薄膜太阳能电池的第一个商业制造商。在过去的5到6年间，与建筑物融为一体的太阳光电板(BIPV)一直被人们认为是欧洲地区最具潜力的一个市场，而且它们大多是采用印刷过程进行生产的。市场调研机构NanoMarkets预测，全球BIPV的销售额将从2008年的5.28美元增长到2015年的82亿美元。在BIPV系统中，太样能电池元件是直接嵌在建筑材料中的，因此它们可以传统太阳能电池板的理想替代品。薄膜太阳能电池已经证明了自己在BIPV领域中具有比晶体硅模块更高的成本和能源效率。据NanoMarkets预测，薄膜太阳能电池将在未来六年内成为市场上的新一代霸主，并且有80%的薄膜太阳能电池都将采用晶体硅技术。染料敏化薄膜太阳能电池之所以非常适合用来生产BIPV系统，主要是因为它对太阳光的捕获能力非常强，同时又比较便宜。这种电池能在昏暗甚至是室内人工照明的环境下发挥作用，而晶体硅系统和其他薄膜技术几乎不可能做到这一点。目前,Dyesol与英荷钢铁公司Corus联合开发一个新的项目，旨在将染料敏化薄膜太阳能电池嵌入到施工用的钢条中。它们的第一批产品目前预计将在2010年开始实地测试。据了解，Dyesol公司主要是用丝网印刷技术来生产太阳能电池。目前已经有人生产出了用太阳能电池驱动的小轿车，这种小车每年可以靠在晴天时积攒的太阳能行驶将近8200公里。由此可见，太阳能电池的前途还是一片光明的，特别是对于汽车制造业这种在经济危机中受到重创的行业来说，也能从太阳提供的能源中找到新的商机。