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CIGS薄膜太阳能光伏产业发展现状

电力是人类社会存在和发展的基础。当前火力发电占据主流地位,随着资源短缺和环境污染的日益加重,寻找一种清洁的、绿色的、可再生替代能源以缓解煤供应紧张和火力发电带来的全球环境压力,已成为国际社会共同追求的目标。据世界能源委员会预测数据显示,全球化石燃料最终可开采量至少可供人类使用约100年,但开采成本相对较低的储量在逐年减少。这就意味着火力发电的上网电价会逐年上升。在众多的可替代能源中,太阳能储量丰富、绿色环保、分布广泛,备受世人青睐。近年来,在国家和地方政府积极推动下,太阳能光伏产业展开了全方位、多层次的尝试和努力,取得了显著成效。

1、太阳能光伏电池分类

太阳能电池按其所用原料不同可以分为晶体硅太阳能电池、薄膜电池、染料敏化电池和有机太阳能电池等几类。其中染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池尚处于实验研发阶段,市场占有率极低。图1显示了欧洲光伏产业协会(EPIA)列举的太阳能光伏电池分类及市场占有份额。从图1中可以看出,晶体硅电池仍是光伏产业的主流产品,市场占有份额约9O%。薄膜电池领域中,化合物薄膜电池市场占有份额在1/2以上,高于非晶硅薄膜电池。

1.1晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池包括单晶硅和多晶硅太阳能电池两种,生产工艺成熟,技术路线稳定,光电转化效率高,市场占有率高。实验室研发的钝化发射极背部局域扩散(PREI)单晶硅太阳能电池光转化效率已达到24.7%,商品化电池组件效率在17%左右。然而,传统的单晶硅太阳能光伏产品自身的特殊性限制了它的广泛发展,主要包括冶炼过程耗能巨大(冶炼1硅耗电量400~500kW˙h,以硅太阳能电池发电寿命25年计算,冶炼生产过程就要耗费硅太阳能电池片7~8年的发电量),生产成本昂贵(主要原材料是高纯硅,每生产1MW规模的硅太阳能电池组件需要17t高纯度硅)。另外晶体硅属间接带隙半导体,光吸收系数低,电池厚度一般需要达到100m以上才能吸收大部分太阳光,加工破损率高,这就直接导致单晶硅电池成品价格居高不下。

相比于单晶硅电池高能耗、高污染的提炼、加工过程,多晶硅太阳能电池的生产成本降低很多。但由于多晶硅组织内部存在较高密度的位错和缺陷,光转化效率较低。目前实验室研发的小面积多晶硅电池的光转化效率在20.3%,产业化后效率基本维持在12%左右。

1.2薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池厚度可降至几到几十微米以下,原料消耗率低、加工工艺简单、耗能小、制造成本低廉、可大面积连续生产,在光伏领域引起极大关注。薄膜电池主要包括非晶硅薄膜电池和其他化合物薄膜电池两类。

非晶硅的长程无序结构使其转变为直接带隙半导体,光吸收系数显著提高,相应的电池厚度大幅降低,硅原料消耗少,在薄膜太阳能光伏产品中占据一定市场份额。然而非晶硅薄膜电池长时间使用后转化效率降低,即出现w光诱导衰变效应,光电转换效率难以进一步提高,市场化进程受阻。

其他化合物薄膜电池是指在玻璃或柔性衬底上沉积Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族化合物薄膜构成p-n结组装而成的太阳能电池,主要包括GaAs、CdTe、CdS和CIGS等几类。这些化合物薄膜电池属直接带隙半导体材料,光吸收系数高,带隙宽度与太阳光能谱匹配性好,光伏特性好。然而GaAs、CdS、CdTe等系列电池所用原材料价格昂贵、有毒、污染环境严重,制约了其大规模商业化应用。

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