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1、發(fā)展新一代先進(jìn)技術(shù)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(tuán)創(chuàng)始人首席科學(xué)家 中科院博士、清華大學(xué)博士后， 2008科技奧運(yùn)委員奧運(yùn)安保顧問2012倫敦奧運(yùn)顧問 北京市市政府顧問中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)第七次全國(guó)代表大會(huì)代表 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委會(huì)委員,國(guó)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(guó)科博會(huì)新能源主題報(bào)告人 國(guó)家專利局北京市專利局太陽能專利申請(qǐng)冠軍獲資助第一名 中國(guó)國(guó)家安全論壇CNSF大會(huì)報(bào)告人（綜合安全，能源安全） 中國(guó)人民解放軍軍事統(tǒng)籌學(xué)會(huì)科技委委員 北京青聯(lián)委員 科協(xié)委員,我作為中國(guó)科協(xié)七大全國(guó)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(lǐng)下制定國(guó)家一五規(guī)劃的專家科學(xué)家，“一五”規(guī)劃出了兩彈一星，保證了中國(guó)37年和平穩(wěn)定發(fā)展.新的一代領(lǐng)導(dǎo)人的治國(guó)思路是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，尤其重視以太陽能為代表的新能源，更重視中國(guó)對(duì)新能源核心技術(shù)的掌握和太陽能電池板的規(guī)?；a(chǎn)。這將實(shí)現(xiàn)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)和國(guó)家發(fā)改委提出的中國(guó)成為世界最大能源輸出國(guó)的偉大理想和目標(biāo)。 作為2008年國(guó)家發(fā)改委和歐洲貨幣基金組織世界新能源大會(huì)光伏論壇主席 ，我和與會(huì)的其他新能源分論壇有過深入交流，風(fēng)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(jìn)市可以在全國(guó)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(jìn)工業(yè)可以率先超越江蘇等省金融危機(jī)下陷入頹勢(shì)的多晶硅高能耗高污染產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇。措施是建立市政府支持，企業(yè)為主的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合研究中心、裝備制造和大批量生產(chǎn)。以行者集團(tuán)SinoSolar 等為代表的掌握核心裝備制造和工藝技術(shù)的企業(yè)在第一輪光伏浪潮多晶硅投資1000億元的指標(biāo)型多個(gè)大省迅速取代多晶硅，成為拉動(dòng)內(nèi)需的骨干項(xiàng)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(gè)氫原子聚變成1 個(gè)氦原子。對(duì)于“質(zhì)子質(zhì)子”循環(huán)核聚變，反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損m4mHmHe，按照愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系E=mC2 (C 為光速) 計(jì)算，相當(dāng)

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?jǐn)?shù)約為0.7，每秒釋放的能量大約相當(dāng)于3.91026 焦耳，主要以射線的形式放出。經(jīng)過對(duì)流、輻射和吸收、再發(fā)射等復(fù)雜而漫長(zhǎng)的（以百萬年計(jì)）能量傳遞過程，這一能量到達(dá)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(jì)太陽壽命至少還有50 億年。所以，太陽光輻射，對(duì)于現(xiàn)今人類社會(huì)活動(dòng)而言，實(shí)際上是無窮無盡的 薄膜太陽能電池是愛因斯坦光電效應(yīng)的原理由光子直接和電子交換能量，電子能級(jí)跳躍，通過薄膜材料的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生光電壓光電流，能量轉(zhuǎn)化效率目前已經(jīng)可達(dá)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(shù)”穩(wěn)定的B伏長(zhǎng)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(xué)理論的核能光子電子能量轉(zhuǎn)換的效率是化學(xué)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(xué)燃燒溫度升高電子運(yùn)動(dòng)速度加快，金屬鍋爐電子和水分子電子交換能量帶動(dòng)水蒸汽升溫推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，這個(gè)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(chǔ)。,信息的載體一般是指光子、電子和聲子，聲子運(yùn)動(dòng)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(duì)過程的參予 電子和光子在器件中的運(yùn)動(dòng)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(chǔ) 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(shì)，低生產(chǎn)能耗、低排放、低污染。 美國(guó)薄膜太陽電池從2006年起占優(yōu)勢(shì)，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(xué)分類： 兩類（外延和非單晶）薄膜電池技術(shù),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(zhǎng)久發(fā)展 晶體襯底上外延生長(zhǎng)單晶薄膜： 有序度更高，完整性更好，遷移率高，少子壽命長(zhǎng)，光譜尖銳。晶體襯底上外延生長(zhǎng)單晶薄膜.應(yīng)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(jié)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(jià)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(jié)構(gòu),大面積薄膜太陽電池,由于對(duì)光電轉(zhuǎn)換的速度沒有

8、高的要求，器件結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)單，薄膜材料可以勝任。 硅基薄膜太陽電池的極限效率 對(duì)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(duì)于AM1.5G 光譜而言，電池極限效率在1.13eV 和1.35eV 處存在兩個(gè)十分相近的峰值，大約為32.8%。在具有Lambertian理想織構(gòu)表面下，俄歇復(fù)合限制的晶硅電池極限效率與厚度有關(guān)。80 微米時(shí)效率極大值29%；對(duì)于硅基薄膜電池，厚度2微米時(shí)26%；,目前全世界應(yīng)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(chǎng)合，原材料有毒。 CdTe 是劇毒制癌材料，生產(chǎn)和環(huán)保問題嚴(yán)重。鎘處理技術(shù)最近有突破，將來。南非。 多晶硅/單晶硅：是最老的技術(shù)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(shì)，國(guó)際上投資重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到本技術(shù)的高效非晶硅薄膜電池上來。 銅銦鎵硒：技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)階段、原料稀缺、因用重金屬做原料而嚴(yán)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(gè)致命缺點(diǎn)：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(yàn)到大批量生產(chǎn)材料根本難以供應(yīng)，現(xiàn)在僅僅是小規(guī)模1MW級(jí)的小

10、試驗(yàn)線已經(jīng)帶來材料價(jià)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(yán)重環(huán)保和排放問題，最早從事CIGS研究的德國(guó)西門子公司失敗后把全部業(yè)務(wù)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(guān)閉了在美國(guó)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(shè)備本身成本高，在真空系統(tǒng)中，能耗測(cè)算有一個(gè)簡(jiǎn)單公司，工作絕對(duì)溫度之比的5次方，此CIGS的制造工作絕對(duì)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(duì)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(shí)際成本是非常高的。,實(shí)驗(yàn)室效率和大面積組件效率難點(diǎn)，近期發(fā)展硅基薄膜太陽電池的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，下面發(fā)展的技術(shù)路線,太陽能電池做大面積保持均勻性和效率比實(shí)驗(yàn)室的小面積產(chǎn)品是很大的難點(diǎn)。 高效非晶硅電池的技術(shù)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(dāng)今前沿學(xué)科等離子體和半導(dǎo)體材料物理的交叉學(xué)科，是各個(gè)國(guó)家巨額投入的戰(zhàn)略性技術(shù)，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(jì)的積累中科院仍未能突破產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；我們現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了上述突破作出了擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備和電池板生產(chǎn)。 從2006年完成全套圖紙攻關(guān)和三百項(xiàng)專利申請(qǐng)后，仍花費(fèi)了2年時(shí)間，可見從圖紙到實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度之大。 實(shí)驗(yàn)室小面積三結(jié)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(dá)到13% ；我們已經(jīng)科研攻關(guān)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(shè)備的改進(jìn); 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(yīng)、干涉駐波效應(yīng)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(lì)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(zhǎng)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(bào)道，器件質(zhì)量微晶硅膜的生長(zhǎng)速率可達(dá)到30埃/秒以上；,進(jìn)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(biāo)而言，是完全可以實(shí)現(xiàn)的。 Si 基薄膜電池已達(dá)到9，個(gè)別大面積組件效率已達(dá)13，預(yù)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(dá)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(dá)15，正在向20的目標(biāo)努力；薄膜電池商用組件效率，已達(dá)到9%-10. 多量子井超晶格電池可以進(jìn)一步提高效率 5大類下一代電池研究方向 1）.多結(jié)疊層太陽電池：多結(jié)疊層太陽電池采用6疊層技術(shù)的電池效率可達(dá)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(jìn)一步降低成本 4）碰撞離化電池 5）熱載流子太陽電池,關(guān)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(huì)報(bào)告，和國(guó)內(nèi)國(guó)家最大電力公司共同研究結(jié)果： 達(dá)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(gè)美分，低

15、于火電的最低成本2美分，甚至核電的1.2個(gè)美分。,集約化生產(chǎn)(2GW)發(fā)電成本下降:,集約化生產(chǎn)時(shí)：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(dāng)于代替4噸煤，減少4頓煤的4項(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)成本明細(xì),太陽能是最大的金融業(yè)和航運(yùn)業(yè):石油和煤也是用太陽能形成的，稱為昨日陽光；本項(xiàng)目太陽能電池直接利用太陽能：今日陽光。 建議：,對(duì)于各地政府，建立技術(shù)創(chuàng)新體系，由掌握全套核心技術(shù)和已成功進(jìn)行裝備制造的企業(yè)如行者集團(tuán)（Sinocome, 賽瑞能太陽能光電技術(shù)有限公司）等在一個(gè)優(yōu)選地域如臨港區(qū)等設(shè)立核心公司，立項(xiàng)具有集聚效應(yīng)的建立科研、測(cè)試、裝備制造總裝線及關(guān)鍵設(shè)備配套制造初期50MW擴(kuò)展到500MW和2GW太陽能光電池設(shè)備制造和電池板生產(chǎn)項(xiàng)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(shè)。 資金投入：50MW生產(chǎn)線設(shè)備投入約1.

17、5億人民幣（合10MW3000萬元）；整個(gè)項(xiàng)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(huì)投入達(dá)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(lǐng)下，迅速將產(chǎn)能擴(kuò)充到近期500MW;遠(yuǎn)期2GW（200萬千瓦/年）以上，對(duì)年增加電力容量折合占先進(jìn)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)箱至80萬集裝箱，占先進(jìn)港集裝箱總吞吐量2%-8%；間接帶動(dòng)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(jìn)金融中心和航運(yùn)中心的支柱產(chǎn)業(yè)， 直接新增加就業(yè)崗位2萬個(gè)，間接增加就業(yè)崗位10萬個(gè)以上； 每年可新增加發(fā)電15億度到60億度折合2010年先進(jìn)全市用電量1%-4%，減少2000萬噸到8000萬噸標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)在本領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。,