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1、發(fā)展新一代先進技術薄膜太陽能光電池產(chǎn)業(yè)的綜合分析及產(chǎn)業(yè)化,馬昕 Dr.Xin Ma 行者集團創(chuàng)始人首席科學家 中科院博士、清華大學博士后， 2008科技奧運委員奧運安保顧問2012倫敦奧運顧問 北京市市政府顧問中國科學技術協(xié)會第七次全國代表大會代表 國家標準委會委員,國家發(fā)改委歐洲貨幣基金組織2008新能源論壇光伏論壇主席,2008年中國科博會新能源主題報告人 國家專利局北京市專利局太陽能專利申請冠軍獲資助第一名 中國國家安全論壇CNSF大會報告人（綜合安全，能源安全） 中國人民解放軍軍事統(tǒng)籌學會科技委委員 北京青聯(lián)委員 科協(xié)委員,我作為中國科協(xié)七大全國代表，見證了七大上胡主席,溫總理非常重視
2、新能源的情形.七大代表中有不少人是在毛主席周總理帶領下制定國家一五規(guī)劃的專家科學家，“一五”規(guī)劃出了兩彈一星，保證了中國37年和平穩(wěn)定發(fā)展.新的一代領導人的治國思路是建設創(chuàng)新型國家，尤其重視以太陽能為代表的新能源，更重視中國對新能源核心技術的掌握和太陽能電池板的規(guī)模化生產(chǎn)。這將實現(xiàn)國家領導和國家發(fā)改委提出的中國成為世界最大能源輸出國的偉大理想和目標。 作為2008年國家發(fā)改委和歐洲貨幣基金組織世界新能源大會光伏論壇主席 ，我和與會的其他新能源分論壇有過深入交流，風能不穩(wěn)定，生物質(zhì)能原料不足等難以大規(guī)模推廣。先進市可以在全國首先樹立集中發(fā)展非晶硅薄膜電池產(chǎn)業(yè)，作為正在興起的第二波太陽能光電池的產(chǎn)
3、業(yè)化浪潮代表，低能耗，低成本，完全綠色生產(chǎn)，這也是先進工業(yè)可以率先超越江蘇等省金融危機下陷入頹勢的多晶硅高能耗高污染產(chǎn)業(yè)的機遇。措施是建立市政府支持，企業(yè)為主的產(chǎn)學研相結合研究中心、裝備制造和大批量生產(chǎn)。以行者集團SinoSolar 等為代表的掌握核心裝備制造和工藝技術的企業(yè)在第一輪光伏浪潮多晶硅投資1000億元的指標型多個大省迅速取代多晶硅，成為拉動內(nèi)需的骨干項目。,太陽光輻射是地球上光和熱的主要源泉。太陽輻射的能量來源于太陽核心的熱核聚變，4 個氫原子聚變成1 個氦原子。對于“質(zhì)子質(zhì)子”循環(huán)核聚變，反應過程的質(zhì)量虧損m4mHmHe，按照愛因斯坦質(zhì)能關系E=mC2 (C 為光速) 計算，相當
4、于25MeV 的能量。在太陽核心，每秒大約有700 億噸氫聚變成氦，其質(zhì)量虧損分數(shù)約為0.7，每秒釋放的能量大約相當于3.91026 焦耳，主要以射線的形式放出。經(jīng)過對流、輻射和吸收、再發(fā)射等復雜而漫長的（以百萬年計）能量傳遞過程，這一能量到達太陽表面，維持太陽表面光球溫度約為5758K 。太陽從誕生至今大約已經(jīng)過了46 億年，估計太陽壽命至少還有50 億年。所以，太陽光輻射，對于現(xiàn)今人類社會活動而言，實際上是無窮無盡的 薄膜太陽能電池是愛因斯坦光電效應的原理由光子直接和電子交換能量，電子能級跳躍，通過薄膜材料的結構，產(chǎn)生光電壓光電流，能量轉(zhuǎn)化效率目前已經(jīng)可達到63%；而且沒有任何熱和污染。
5、光電轉(zhuǎn)化中光是廣義的，可見光，紅外光，激光甚至核射線都可以通過光電池特別是 薄膜光電池發(fā)電，比如行者的專利技術”穩(wěn)定的B伏長壽命核電池” 就是15年以上不用充電不用陽光能穩(wěn)定發(fā)電的電池。來自量子電子學理論的核能光子電子能量轉(zhuǎn)換的效率是化學燃燒所不能比的。 煤和石油都來自太陽能，是不可再生化石能源，傳統(tǒng)煤電是化學燃燒溫度升高電子運動速度加快，金屬鍋爐電子和水分子電子交換能量帶動水蒸汽升溫推動汽輪機發(fā)電，這個過程能量轉(zhuǎn)化率不足1%，而且產(chǎn)生沒用的熱量和污染排放；,光電產(chǎn)業(yè)和薄膜太陽電池物理基礎。,信息的載體一般是指光子、電子和聲子，聲子運動速度很慢，主要考慮光子和電子。 光伏太陽電池作為光電能量轉(zhuǎn)
6、換器件，主要研究光子和電子之間的相互作用，以及如何抑制聲子（主要能量損失途徑）對過程的參予 電子和光子在器件中的運動一般是在很薄的一層有源區(qū)內(nèi)，材料中真正有用的部分是在表面上，這就為制造薄膜器件提供了物理基礎 由于光子在晶體硅內(nèi)需要100um以上才能充分吸收，而以非晶體硅為代表的薄膜在500nm-1um以內(nèi)就可以吸收光子，材料消耗僅為1%，具有根本的成本優(yōu)勢，低生產(chǎn)能耗、低排放、低污染。 美國薄膜太陽電池從2006年起占優(yōu)勢，2008 三大家公司合并超200MW超過其他,信息的載體,能量的載體,光伏太陽電池,光子 電子 聲子,微電子和光電子,科學分類： 兩類（外延和非單晶）薄膜電池技術,薄膜電
7、池并不僅是非晶硅薄膜電池，科研規(guī)劃必須有廣闊的視野才能保證長久發(fā)展 晶體襯底上外延生長單晶薄膜： 有序度更高，完整性更好，遷移率高，少子壽命長，光譜尖銳。晶體襯底上外延生長單晶薄膜.應用舉例: 高密度、高速度光電子器件和微電子器件; 高效III-V族三結疊層太陽電池（40.7%）;低阻Si襯底外延薄膜太陽電池（15%）;理提純Si襯底外延薄膜太陽電池; 介質(zhì)襯底上淀積的非單晶薄膜 大面積薄膜材料，一般是在低溫下沉積在廉價的異質(zhì)襯底上的，如玻璃、不銹鋼帶、塑料薄膜等都是常用的薄膜電池襯底材料，從而成本低。 這樣制備的薄膜材料具有多晶、微晶或非晶態(tài)結構,大面積薄膜太陽電池,由于對光電轉(zhuǎn)換的速度沒有
8、高的要求，器件結構又相對簡單，薄膜材料可以勝任。 硅基薄膜太陽電池的極限效率 對于非聚光和全聚光6000 K 黑體輻射條件而言，電池極限效率分別約為31.0和40.7%；對于AM1.5G 光譜而言，電池極限效率在1.13eV 和1.35eV 處存在兩個十分相近的峰值，大約為32.8%。在具有Lambertian理想織構表面下，俄歇復合限制的晶硅電池極限效率與厚度有關。80 微米時效率極大值29%；對于硅基薄膜電池，厚度2微米時26%；,目前全世界應用和研究最多的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵（ GaAs ）以及非晶硅（ -Si ）薄膜、碲化鎘（ CdTe ）、銅銦硒（ CuInSe2
9、，或縮寫為 CIS ）等薄膜材料等。 砷化鎵電池成本高，用于面積小的特種場合，原材料有毒。 CdTe 是劇毒制癌材料，生產(chǎn)和環(huán)保問題嚴重。鎘處理技術最近有突破，將來。南非。 多晶硅/單晶硅：是最老的技術之一，二戰(zhàn)后即出現(xiàn)，最近30年提高很慢，發(fā)展?jié)摿苄?，現(xiàn)在隨著歐元貶值投資多晶硅生產(chǎn)的各省已經(jīng)陷入頹勢，國際上投資重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到本技術的高效非晶硅薄膜電池上來。 銅銦鎵硒：技術尚在實驗階段、原料稀缺、因用重金屬做原料而嚴重污染環(huán)境， 30年前即已發(fā)明，始終沒能產(chǎn)業(yè)化，有3個致命缺點：1）所用銦材料，是地球上最短缺的材料之一，若從小批量試驗到大批量生產(chǎn)材料根本難以供應，現(xiàn)在僅僅是小規(guī)模1MW級的小
10、試驗線已經(jīng)帶來材料價格飛漲）；2）所用材料中，硒也是劇毒材料，生產(chǎn)過程始終有嚴重環(huán)保和排放問題，最早從事CIGS研究的德國西門子公司失敗后把全部業(yè)務賣給更大的殼牌Shell 公司，殼牌公司Shell 也不能解決問題，最終關閉了在美國加州的CIGS生產(chǎn)線。3）成本問題，CIGS的電池需要的工作溫度在600度以上，能耗高，設備本身成本高，在真空系統(tǒng)中，能耗測算有一個簡單公司，工作絕對溫度之比的5次方，此CIGS的制造工作絕對溫度為（600 +273= 873 K ）; 而不到200度制造工作溫度的更有希望的非晶硅+微晶硅薄膜電池工作絕對溫度為 200+273=473K：所以CIGS的能耗比非晶硅+
11、微晶硅薄膜電池能耗比相差幾十倍以上。CIGS系統(tǒng)實際成本是非常高的。,實驗室效率和大面積組件效率難點，近期發(fā)展硅基薄膜太陽電池的關鍵技術和裝備，下面發(fā)展的技術路線,太陽能電池做大面積保持均勻性和效率比實驗室的小面積產(chǎn)品是很大的難點。 高效非晶硅電池的技術路線是用高純度99.999%以上硅烷、磷烷、硼烷等電子特氣在超大真空室（2.5立方米以上）超高真空（10-7torr以上）高溫（200多度以上）作超大面積（8000平方厘米以上）高均勻度高度可控等離子放電沉積，是當今前沿學科等離子體和半導體材料物理的交叉學科，是各個國家巨額投入的戰(zhàn)略性技術，難度巨大，如1970年東方紅衛(wèi)星上中科院就做出了太陽能
12、電池，但是面積很小，需要數(shù)以10年計的積累中科院仍未能突破產(chǎn)業(yè)化技術；我們現(xiàn)已實現(xiàn)了上述突破作出了擁有全部自主知識產(chǎn)權的裝備和電池板生產(chǎn)。 從2006年完成全套圖紙攻關和三百項專利申請后，仍花費了2年時間，可見從圖紙到實現(xiàn)的技術難度之大。 實驗室小面積三結疊層a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si電池穩(wěn)定效率已達到13% ；我們已經(jīng)科研攻關成功完全掌握的產(chǎn)業(yè)化 工藝而大面積商品a-Si/a-SiGe/a-SiGe或者a-si/nc-Si/nc-Si電池組件穩(wěn)定效率7-9% 生產(chǎn)線設備的改進; 摻雜層隔離;針孔密度的降低;襯底清洗; 避免聚合物黃粉產(chǎn)生工藝條件;
13、 趨膚效應、干涉駐波效應等 經(jīng)過這些年的努力，發(fā)展了一種新的高氣壓VHFPECVD沉積模式，即用甚高頻激勵等離子體，在高氣壓、高功率密度、噴淋氣流和小電極間距下沉積微晶硅膜。在這種模式下沉積，不僅提高了微晶硅膜生長速率，而且提高了微晶硅膜的致密度和質(zhì)量。源氣體硅烷或乙硅烷也得到充分的分解和利用，幾近耗盡模式。據(jù)報道，器件質(zhì)量微晶硅膜的生長速率可達到30埃/秒以上；,進一步可發(fā)展下一代高效電池（5大類下一代電池方向）,單就太陽電池效率10 的指標而言，是完全可以實現(xiàn)的。 Si 基薄膜電池已達到9，個別大面積組件效率已達13，預示著Si 基薄膜電池商用組件的效率在不久的將來也可以達到10。前面我們
14、已經(jīng)談到，晶硅電池商用組件的效率現(xiàn)已達15，正在向20的目標努力；薄膜電池商用組件效率，已達到9%-10. 多量子井超晶格電池可以進一步提高效率 5大類下一代電池研究方向 1）.多結疊層太陽電池：多結疊層太陽電池采用6疊層技術的電池效率可達64。2% 2）熱電池（TPV） 3）多帶隙太陽電池，如染料敏化電池可望進一步降低成本 4）碰撞離化電池 5）熱載流子太陽電池,關于以薄膜為代表的非晶硅電池的發(fā)電成本（發(fā)改委2007數(shù)據(jù)，廣東，陽光一類地區(qū)）,根據(jù)世界自然基金會報告，和國內(nèi)國家最大電力公司共同研究結果： 達到集約化生產(chǎn)的非晶硅和納米硅太陽能發(fā)電發(fā)發(fā)電成本可帶到7分錢人民幣/度，即1個美分，低
15、于火電的最低成本2美分，甚至核電的1.2個美分。,集約化生產(chǎn)(2GW)發(fā)電成本下降:,集約化生產(chǎn)時：總成本下降為0.9457/2.26=0.42;既原來的42%；規(guī)?；娬颈竟镜男乱淮蔷Ч韫怆姵氐某杀荆好縦wH成本：=2.26萬元x 0.42 /5.2955萬度= 0.17 元/度; 減排效益：利用太陽能發(fā)電，每發(fā)1萬度相當于代替4噸煤，減少4頓煤的4項大的污染（二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和煙塵）排放；減排效益：使得成本進一步下降為：2.26-0.44 =1.82萬元，下降為原來的約80%，使得成本進一步降低為：0.17元/度 x 0.80 = 0.13元/度；可配合聚光鏡在高溫下工，成
16、本下降50%到0.07元/度。,附：已經(jīng)可以實現(xiàn)的生產(chǎn)成本明細,太陽能是最大的金融業(yè)和航運業(yè):石油和煤也是用太陽能形成的，稱為昨日陽光；本項目太陽能電池直接利用太陽能：今日陽光。 建議：,對于各地政府，建立技術創(chuàng)新體系，由掌握全套核心技術和已成功進行裝備制造的企業(yè)如行者集團（Sinocome, 賽瑞能太陽能光電技術有限公司）等在一個優(yōu)選地域如臨港區(qū)等設立核心公司，立項具有集聚效應的建立科研、測試、裝備制造總裝線及關鍵設備配套制造初期50MW擴展到500MW和2GW太陽能光電池設備制造和電池板生產(chǎn)項目；占地29萬平方米約500畝集約化規(guī)劃物流和管線等建設。 資金投入：50MW生產(chǎn)線設備投入約1.
17、5億人民幣（合10MW3000萬元）；整個項目可以最終形成20-40億元市政府投入，配合40-60億元的區(qū)縣投入，加上社會投入達到總投資100-200億元/每年規(guī)模，形成100-200億元/每年的工業(yè)增加值。 在政府帶領下，迅速將產(chǎn)能擴充到近期500MW;遠期2GW（200萬千瓦/年）以上，對年增加電力容量折合占先進市電力峰值的2.3%-9.2%；創(chuàng)工業(yè)增加值10億到40億美元，帶動產(chǎn)業(yè)鏈100億至400億美元，直接增加高附加值貨物港口吞吐量20萬集裝箱標準箱至80萬集裝箱，占先進港集裝箱總吞吐量2%-8%；間接帶動160萬至640萬集裝箱吞吐量，占增加后的總吞吐量10-30%，成為先進金融中心和航運中心的支柱產(chǎn)業(yè)， 直接新增加就業(yè)崗位2萬個，間接增加就業(yè)崗位10萬個以上； 每年可新增加發(fā)電15億度到60億度折合2010年先進全市用電量1%-4%，減少2000萬噸到8000萬噸標準煤，減少二氧化碳排放4000萬噸至32000噸，減少二氧化硫80萬噸至640萬噸，減少氮氧化物排放960萬噸。使先進在本領域達到國際先進水平。,
發(fā)展新一代薄膜太陽能電池先進技術和產(chǎn)業(yè)化
