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太阳能电池的相关知识

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:169

  能源的发展关系到各国经济发展的命脉,出于对化石能源枯竭、二氧化碳排放量增加引起温室效应等问题的担忧,发展可再生能源成为各国能源战略的重要组成部分。太阳能电池产业以其清洁、可再生、配置灵活等优点,成为各国重点发展的新能源产业。
  一、太阳能电池产业链
  目前市场上主流太阳能电池产品是晶体硅太阳能电池,也是应用最广泛的产品,其原材料是高纯度硅,在未来10-20年内将以晶体硅原料为主。硅是地球上储量第二的化学元素,人们对它研究得最多、技术最成熟,而且晶硅性能稳定、无毒,因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。每生产1兆瓦晶体硅电池需要17吨高纯度硅。晶体硅太阳能电池产业链一般顺序为:原材料硅砂——多晶硅——单晶硅拉棒———硅片——电池片——电池组件。
  从整个产业链情况看,从下游的太阳能电池组件到上游的多晶硅、单晶硅,越往上游走,对资本和技术的要求越高。尤其是在多晶硅生产领域,全球只有美国、日本、德国几家企业掌握大规模生产技术。这就导致太阳能电池产业在全球形成一个金字塔结构,越接近终端市场,塔底越大,而越往上游走,塔尖越小。“10个需要硅片的,只有1个供硅片的,始终达不到供需平衡。”
  1、原材料硅砂——多晶硅
  多晶硅是制造半导体硅单晶和太阳能电池的重要基础原材料,对我国发展信息电子产业和太阳能产业极为重要。在原材料硅砂到多晶硅的环节中,目前我国只有个别合资企业利用国外二流技术生产多晶硅,年生产能力只能满足国内市场需求的2.6%,严重制约了我国集成电路及太阳能电池产业的发展,在整个太阳能电池产业链中成为一个急需解决的瓶颈。
  多晶硅是集冶金、化工、自动控制、电子学以及环保工程等学科为一体的工业化产业。多晶硅材料是硅产品产业链中的一个极其重要的中间产品。多晶硅核心技术都在国外,但国外从事多晶硅生产的各个公司都在独立发展,引进技术没有可能。多晶硅的环保和清洁生产很重要,不能选在人口稠密的地方和旅游区,多晶硅项目风险大,加工时间长,设备调试时间长,花钱多,而且建成后有可能不被市场接受,因此,即使市场短缺也没人轻易动手。
  2、多晶硅浇铸——硅片
  或者多晶硅——单晶硅拉棒——硅片
  将多晶硅原料加工成太阳能级硅片,可以通过多种不同的工艺途径。直拉单晶,制成单晶棒进行硅片切割加工;多晶硅铸锭,进行铸锭、切片;另外,还有部分国外厂家采用片状多晶硅以及带状多晶硅技术进行硅片的生产。国内生产硅片多以生产单晶为主,而国外厂家大多采用成本较低的多晶为主。
  (1)多晶硅和单晶硅的区别
  多晶硅和单晶硅都是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在着晶界。大量研究表明,多晶硅中晶粒的尺寸和形态、晶界的性质以及不同晶粒内杂质的含量和分布方式是影响多晶硅太阳电池性能的主要因素。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著。
  但从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为;[1]可供应太阳能电池的头尾料愈来愈少;[2] 对太阳能电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产,电池转换效率有了很大提高。
  单晶硅工艺繁琐,成本高,光电转换效率最高、技术成熟,电池的稳定性很高;多晶硅工艺较单晶硅简单,成本较高,光电转换效率较高,电池的稳定性较高。
  (2)单晶硅电池:
  未来3~5年内(2006~2010年),太阳能级单晶硅仍是太阳能电池最重要的来源,虽然单晶硅太阳能电池成本较高,但是由于具有较高转化率的优势,仍然占有一部分市场,并且在一段时间内还处于增长状态,需要技术水平也较低。
  然而,太阳能级单晶硅技术目前已经较成熟,技术水平再提高的空间较小,同时,由于受单晶硅材料价格及相对繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。因此,可以预计单晶硅太阳能电池的长远发展前景并不乐观,但未来一段时期内,仍有较大的发展空间。
  (3)多晶硅电池:
  与单晶硅太阳能电池相比,多晶硅电池成本低,但也存在明显缺陷。晶粒界面和晶格错位,造成多晶硅电池光电转换效率一直无法突破20%的关口。而单晶硅电池早在20多年前就已经突破20%。然而,近年来多晶硅太阳能电池的技术水平提升很快,其电池转换效率最高已经达到17%以上,组件转换效率可达15%以上,与单晶硅的差距正逐步减小。多晶硅成本的优势将进一步提高多晶硅太阳能电池产品的竞争力。
  主要原因是国内直拉单晶技术相当成熟,单晶炉装备已经实现国产化,初始投资成本低,每台成本100万元。据统计,国内单晶硅企业可以生产630-700MWp的太阳能级单晶硅片,其中以河北宁晋的产能最大,可以加工1200吨/年。多晶硅铸锭主要采用定向凝固法(DDS)以及浇铸法为主。国内的主要多晶硅铸锭切片厂商包括保定天威英利新能源、江西赛维LDK、浙江绍兴精工等公司。英利新能源目前的产能为95MWp,浙江精工绍兴的产能为10MWp,仅这三家多晶硅硅片产能总计就达到205MWp。目前国内估计单晶炉数目有900-1000 台,按照每台炉子7 吨每年的产量计算,需要6300-7000 吨原料,依目前电池片的加工水平,可以生产630-700MWp 的电池片。由于原料短缺,硅片薄片化生产成为未来硅片企业技术发展方向。
  (4)、硅片——太阳能电池片
  目前,国内电池片生产加工水平与国际无根本差异,生产加工成本低廉是国内相关企业一大竞争优势。国内多晶硅电池量产转换效率达到甚至超过15%,而单晶硅电池转换效率可以达到17%。
  国内的电池片公司虽然近年来扩张速度很快,但总的产量并不大,无锡尚德将会继续占据领先的位置,另外英利新能源、上海交大泰阳、江阴俊鑫、晶澳太阳能、江苏林洋等公司在20MWp左右,上海太阳能科技、宁波太阳能15MWp;云南天达以及杉杉尤利卡、江苏天保光伏大概8MWp左右,其他公司累计不超过20MWp。国内2006年预计实际的产量为322MWp,而电池片总产能为900MWp-1,000MWp,产能释放仅为30%-35%。按照目前各企业的规划,07年总产能将超过1,700MWp,但由于2007、08年晶体硅原料仍然处于紧缺的状况,07、08年的国内电池片、电池组件产能扩展速度将会放缓,各厂家在新生产线上的投资态度将会显得比较谨慎。在09年后将会出现另外一次投资的高潮,中国将超过日本、德国、美国成为最大的电池片、电池组件生国度。国内大多数电池片生产企业技术水平并不落后国际厂家,又具有一定成本上的优势,在竞争上相对处于有利的地位。预计至2010年国内的产能将会达到4000MWp,中国将成为国际上最大的电池片生产国度。硅片薄片化,大面积化成为电池片发展方向,对于薄硅片加工工艺的改善成为目前相关企业面临的挑战与机遇。
  (5)、太阳能电池片——太阳能电池组件
  国内电池组件生产加工水平与国际也无根本差异,组件的生产进入门槛相对较低,但25-30年的质量保证,并不是所有企业能做到。国内电池组件企业相对较多,多采取代工模式,如上海太阳能科技有限公司给Sharp的代工,深圳珈伟实业有限公司给Sunpower的代工业务等,其中上海太阳能科技有限公司是国内最大的电池组件生产厂家。对于电池片组件生产环节来说,虽然在工艺上相对比较容易,投资成本也相对低,但是仍然具有一定的加工难度。从上半年发生的几次较大的出口赔付事件看来(最大金额接近1亿元),对于组件环节的投资仍然需要谨慎,组件生产方面,由于国内硅片质量难以得到有效保证,所生产产品质量良莠不齐,可能会影响整体出口产品的形象,不利于国际市场的开拓,如何质保5年,保证12年内90%、25年内80%转换效率将决定组件公司的发展前景。预计在近两年内,组件价格将会下跌,由于大部分企业都没有稳定原料的供应,生产上很难得到保障,实力单薄的企业将面临倒闭与被并购的威胁。
  二、多晶硅制作工艺流程
  1、改良西门子法是目前主流的生产方法
  多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来,由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同,因此生产工艺技术不同;进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异,各有技术特点和技术秘密,总的来说,目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有:改良西门子法、硅烷法和流化床法。改良西门子法是目前主流的生产方法,采用此方法生产的多晶硅约占多晶硅全球总产量的85%。但这种提炼技术的核心工艺仅仅掌握在美、德、日等7家主要硅料厂商手中。这些公司的产品占全球多晶硅总产量的90%,它们形成的企业联盟实行技术封锁,严禁技术转让。短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。
  在未来15-20年内,采用改良西门子法工艺投产多晶硅的资金将超过1,000亿美元,太阳能级多晶硅的生产将仍然以改良西门子法为主,改良西门子法依然是目前生产多晶硅最为成熟、最可靠、投产速度最快的工艺,与其他类型的生产工艺处于长期的竞争状态,很难相互取代。尤其对于中国的企业,由于技术来源的局限性,选择改良西门子法仍然是最现实的作法。在目前高利润的状况下,发展多晶硅工艺有一个良好的机遇,如何改善工艺、降低单位能耗是我国多晶硅企业未来所面临的挑战。
  2、西门子改良法生产工艺如下:
  这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术,对环境不产生污染,具有明显的竞争优势。改良西门子工艺法生产多晶硅所用设备主要有:氯化氢合成炉,三氯氢硅沸腾床加压合成炉,三氯氢硅水解凝胶处理系统,三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统,硅芯炉,节电还原炉,磷检炉,硅棒切断机,腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置,还原尾气干法回收装置;其他包括分析、检测仪器,控制仪表,热能转换站,压缩空气站,循环水站,变配电站,净化厂房等。
  (1)石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅,
  其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑
  (2)为了满足高纯度的需要,必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。
  其化学反应Si+HCl→SiHCl3+H2↑
  反应温度为300度,该反应是放热的。同时形成气态混合物(Н2, НС1, SiНС13, SiC14, Si)。
  (3)第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯,需要分解: 过滤硅粉,冷凝SiНС13,SiC14,而气态Н2,НС1返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiНС13, SiC14,净化三氯氢硅(多级精馏)。
  (4)净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。
  其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl。
  多晶硅的反应容器为密封的,用电加热硅池硅棒(直径5-10毫米,长度1.5-2米,数量80根),在1050-1100度在棒上生长多晶硅,直径可达到150-200毫米。这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应,并生成多晶硅。剩余部分同Н2,НС1,SiНС13,SiC14从反应容器中分离。这些混合物进行低温分离,或再利用,或返回到整个反应中。气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的,从某种程度上决定了多晶硅的成本和该 3工艺的竞争力。
  在西门子改良法生产工艺中,一些关键技术我国还没有掌握,在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。
  在“十一五”期间,为实现采用改良西门子工艺的多晶硅的产业化,建议开展下述课题研究:基于SiHCl3氢还原法的低电耗多晶硅生成反应器技术;干法回收中H2、HCl、SiHCl3、SiCl4混合气体大能力无油润滑加压装置;SiCl4氢化反应器进料系统控制技术装置;大型多侧线SiHCl3高效提纯技术装置;千吨级多晶硅生产系统自动控制组态技术。

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