（講稿）薄膜太陽能電池激光解決方案

1、Laser Solutions2022-3-5薄膜太陽能電池激光解決方案劉良清光學(xué)工程師武漢凌云光電2010年10月武漢凌云光電http:/ 3太陽能以其儲(chǔ)量的“無限性”、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性等優(yōu)勢，是理想的替代能源。 1全球石油、天然氣、煤、鈾儲(chǔ)量利用年限分別為40、50、200、60年。武漢凌云光電http:/ 自自 2000 年以來，全球經(jīng)濟(jì)的繁榮推動(dòng)了對能源的巨大的需年以來，全球經(jīng)濟(jì)的繁榮推動(dòng)了對能源的巨大的需求，原油價(jià)格一度在求，原油價(jià)格一度在 2008 年暴漲到年暴漲到 147 美元美元/桶，今天亦在桶，今天亦在 70美元美元/桶之上。于此同時(shí)，在全球氣候變暖的壓力之下，

2、各國政桶之上。于此同時(shí)，在全球氣候變暖的壓力之下，各國政府都積極尋求合適的替代能源，以達(dá)到減排的目的。太陽能作府都積極尋求合適的替代能源，以達(dá)到減排的目的。太陽能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。在為取之不盡、用之不竭的清潔能源具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。在各國政府的政策支持下，太陽能產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展十分迅速，根各國政府的政策支持下，太陽能產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展十分迅速，根據(jù)據(jù) EPIA 數(shù)據(jù)，全球累計(jì)裝機(jī)容量從數(shù)據(jù)，全球累計(jì)裝機(jī)容量從 2000 年的年的 1.4GW 增長到增長到 2009 年的年的 。其中，。其中，2009 年的裝機(jī)容量更是達(dá)到年的裝機(jī)容量更是達(dá)到政府扶持政府扶持高速發(fā)

3、展高速發(fā)展武漢凌云光電http:/ 盡管經(jīng)歷了金融危機(jī)的沖擊，盡管經(jīng)歷了金融危機(jī)的沖擊，2009 年全球市場還是同比增長年全球市場還是同比增長 15%，取得，取得了了7.2GW 的裝機(jī)容量。其中，德國是全球最大的市場，達(dá)到的裝機(jī)容量。其中，德國是全球最大的市場，達(dá)到 ，同比增長了，同比增長了109%，占據(jù)整個(gè)市場的半壁江山，占據(jù)整個(gè)市場的半壁江山,約為約為 52%；排名次席是意大利市場的；排名次席是意大利市場的 711MW；歐洲其他國家像捷克、比利時(shí)和法國則各自安裝了；歐洲其他國家像捷克、比利時(shí)和法國則各自安裝了 411MW、292MW 和和 285MW；但是；但是 2008 年的市場份額最大

4、的國家西班牙因政策調(diào)整，年的市場份額最大的國家西班牙因政策調(diào)整，2009 年裝機(jī)容量從年裝機(jī)容量從 2008年的年的 2600MW 驟降到驟降到 69MW。歐洲以外，主要貢。歐洲以外，主要貢獻(xiàn)來自于日本和美國，分別安裝了獻(xiàn)來自于日本和美國，分別安裝了 484MW和和474MW。武漢凌云光電http:/ 50%左右份額左右份額 在供給一端，其中產(chǎn)業(yè)鏈的上游太陽能級多晶硅方面，美國約占在供給一端，其中產(chǎn)業(yè)鏈的上游太陽能級多晶硅方面，美國約占 39%，歐洲和中國則各占?xì)W洲和中國則各占 18%，日本占，日本占 12%，亞洲，亞洲 其他國家占其他國家占 13%；而晶片方面，；而晶片方面，中國大陸則是最大

5、的生產(chǎn)國，約占全球產(chǎn)能的中國大陸則是最大的生產(chǎn)國，約占全球產(chǎn)能的 47%，歐洲以，歐洲以 17%的份額占據(jù)的份額占據(jù)次席，中國臺(tái)灣地區(qū)和日本分別占次席，中國臺(tái)灣地區(qū)和日本分別占 12%和和 9%；在多晶硅組件方面，中國和歐；在多晶硅組件方面，中國和歐洲各占據(jù)洲各占據(jù) 54%和和 28%的份額；薄膜組件方面，歐洲占的份額；薄膜組件方面，歐洲占 31%，中國和日本各占，中國和日本各占16%，美國占，美國占11%。武漢凌云光電http:/ 年起市場份額逐漸超過年起市場份額逐漸超過單晶硅單晶硅銅銦鎵硒薄膜電池銅銦鎵硒薄膜電池制造工藝較難控制，潛力還制造工藝較難控制，潛力還很大很大 碲化鎘薄膜電池碲化鎘

6、薄膜電池考慮毒性及環(huán)境影響，發(fā)考慮毒性及環(huán)境影響，發(fā)展較慢展較慢柔性薄膜電池柔性薄膜電池前景不錯(cuò)，正在逐步發(fā)展前景不錯(cuò)，正在逐步發(fā)展 發(fā)端于研發(fā)、獲權(quán)于法律，而價(jià)值來自于市場發(fā)端于研發(fā)、獲權(quán)于法律，而價(jià)值來自于市場以經(jīng)營為核心以經(jīng)營為核心武漢凌云光電http:/ 太陽能電池發(fā)電原理太陽能電池發(fā)電原理利用特定半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)利用特定半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)太陽能電池分類太陽能電池的分類太陽能電池的分類武漢凌云光電http:/ 太陽能電池的分類太陽能電池的分類武漢凌云光電http:/ 不同材料類型薄膜太陽能電池的特點(diǎn)不同材料類型薄膜太陽能電池的特點(diǎn)晶硅（c-Si）非晶硅（a-Si）銅銦(鎵)硒（C

7、IS/CIGS）碲化鎘（CdTe）砷化鎵（GaAs）制造成本預(yù)期成本$2.4-2.7/瓦 $1.75/瓦$2.0/瓦$1.25/瓦$2.4-2.7/瓦$1.0-2.0/瓦$1.14/瓦（First Solar，2008）$0.6/瓦非常高效率15-20%6-10%10-14%(19.5%-NREL)9-11%30-35%主要優(yōu)勢技術(shù)成熟產(chǎn)品穩(wěn)定市場活躍靈活性強(qiáng)效率高，靈活性強(qiáng)，材料穩(wěn)定效率較高，靈活性強(qiáng)技術(shù)成熟可集成主要不足價(jià)格高，原料消耗大效率低長期老化有毒氣體成本高（In）原料儲(chǔ)量有限公眾認(rèn)可度較低（毒性）（Te）儲(chǔ)量有限成本高太陽能電池的分類太陽能電池的分類武漢凌云光電http:/ l薄

8、膜太陽能技術(shù)，最主要的競爭優(yōu)勢是在成本。薄膜材料需要的反應(yīng)溫度低，可以在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上淀積，易于大面積生產(chǎn)。目前，在平板顯示領(lǐng)域，基于大面積有源矩陣驅(qū)動(dòng)的TFT-LCD工藝已十分成熟，可借鑒其大面積非晶硅均勻性成膜的工藝和設(shè)備，來生產(chǎn)薄膜硅太陽能電池。美國、歐洲和日本的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，都在積極努力角逐這一市場。從5代線(基板規(guī)格米米)起步，到代(基板規(guī)格米米)生產(chǎn)線。目前，中國已有京東方、上廣電、龍騰光電三家廠商的三條5代TFT-LCD面板生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因此，我國在相關(guān)技術(shù)與設(shè)備上也已作了一定準(zhǔn)備。當(dāng)然，薄膜太陽能的特性是基于大量量產(chǎn)后的成本降低，成本競爭優(yōu)勢是長期的

9、。 太陽能電池的發(fā)展趨勢太陽能電池的發(fā)展趨勢武漢凌云光電http:/ l根據(jù)PVNET的估算，2010年薄膜太陽能電池將占全體太陽能電池產(chǎn)量的8%，而至2015年將上升至13%，到2020年時(shí)，薄膜太陽能電池的產(chǎn)量將占當(dāng)年度太陽能電池總產(chǎn)量的30%。 太陽能電池的發(fā)展趨勢太陽能電池的發(fā)展趨勢武漢凌云光電http:/ 1998年以前，單晶硅電池占市場主導(dǎo)地位，其次是多晶硅電池。 從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。 非晶硅從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。 CdTe電池從80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一； CIS電池

10、的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，In是稀有元素； Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速。太陽能電池的商業(yè)化趨勢太陽能電池的商業(yè)化趨勢武漢凌云光電http:/ 目前，雖然薄膜電池具有轉(zhuǎn)換效率低的劣勢，卻也同時(shí)具備成本低廉的優(yōu)勢。多晶硅是整個(gè)晶體硅電池產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘最為復(fù)雜的一環(huán)，但長期的高凈利率水平必然不會(huì)長期維持，而現(xiàn)在多晶硅價(jià)格出現(xiàn)暴跌，市場一度十分悲觀。而薄膜電池將具有廣闊的發(fā)展前景。薄膜電池基本上分為：非/微晶硅薄膜電池、CIGS薄膜電池和CdTe薄膜電池三種。其中，GIGS的轉(zhuǎn)換效率最高，約為1012%，CdTe的轉(zhuǎn)換效率次之，約為8.5%10.5%，

11、非/微晶電池最低，一般為68%；但從原材料的可獲取性來看，非/微晶電池的原材料為硅烷，最為普遍，而另外兩種電池的原材料中均包含稀有元素化合物，可獲取性較低。 太陽能電池的發(fā)展趨勢太陽能電池的發(fā)展趨勢武漢凌云光電http:/ (玻璃等)系統(tǒng)薄膜型光伏電池價(jià)值鏈武漢凌云光電http:/ Contact）。透明導(dǎo)電層具有導(dǎo)電和透光特性；有源層（例如非晶硅a-Si）吸收光能并轉(zhuǎn)換為電能；背電極層作為電池單元的另一個(gè)導(dǎo)電電極。而基底材料可以是玻璃、金屬板或者塑料等。武漢凌云光電http:/ Technology Presentation page 25薄膜太陽能電池組件生產(chǎn)線模型圖薄膜太陽能電池組件生產(chǎn)

12、線模型圖Technology產(chǎn)品序列產(chǎn)品序列 鍍膜工序 活化 濺射沉積 封裝武漢凌云光電http:/ shows the basic geometry and functioning of a thin-film solar cell.P1刻線工藝對激光功率的要求依據(jù)刻線的寬度與刻線工藝對激光功率的要求依據(jù)刻線的寬度與刻線速度而定。通常，對于刻線寬度小于刻線速度而定。通常，對于刻線寬度小于70um，刻線速度小于刻線速度小于1000mm/s而言，需要的紅外激光而言，需要的紅外激光功率為功率為5-8W（脈沖）。（脈沖）?？叹€速度的計(jì)算公式為：刻線速度的計(jì)算公式為：刻線速度刻線速度=線寬線寬*頻率頻

13、率*（1-30%） 武漢凌云光電http:/ (top) and 3D depth profile (bottom) images of tandem-junction a-Si P2 scribe generated at 12 m/sec speedP2工序要清除的是有源層（非晶硅），其厚度為左右。而TCO和背電極層的厚度均為幾百納米。武漢凌云光電http:/ image of a-Si P3 scribe generated with Explorer 532-2 laser system at 1.5 m/sec speedP3激光刻線工藝與P2激光刻線工藝幾乎相同。P3工藝清除的膜層

14、為背電極金屬層（例如鋁膜），用激光直接清除金屬層需要較大的功率，且工藝控制難度較大，則成本更高。因此，通常從背面通過清除非晶硅的方式，由非晶硅的微爆炸機(jī)制將金屬層去掉。不足之處是使得三線寬度產(chǎn)生的死區(qū)范圍增大，電池板的有效面積較小。武漢凌云光電http:/ -Si+ITO薄膜太陽能電池的制作工藝薄膜太陽能電池的制作工藝清邊清邊武漢凌云光電http:/ Spot sizes of typical 1 to 1.6 mm- Line shift of 90 % of the spot size- Ablation speed from 3,500 mm/s to7,000 mm/s ( 6,000

15、 Hz)- Ablation rate from 25 cm2/s to 50 cm2/s- Resistance from 30 MOhm to 100 TOhm薄膜太陽能電池的制作工藝薄膜太陽能電池的制作工藝清邊清邊薄膜電池基板清邊工序，需要清除的邊緣寬度通常為10mm-15mm，工作方式可選：可以是激光不動(dòng)，平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；也可以是平臺(tái)單向運(yùn)動(dòng)，配合激光掃描（振鏡方式）。兩種方式各有優(yōu)劣。武漢凌云光電http:/ 更高的工作效率需要振鏡速度更快，但振鏡存在上限速度，且壽命受到影響。武漢凌云光電http:/ 薄膜太陽能電池可用于薄膜太陽能電池可用于建設(shè)辦公大樓幕墻光伏建設(shè)辦公大樓幕墻光伏發(fā)電，也可用于移動(dòng)設(shè)發(fā)電，也可用于移動(dòng)設(shè)施發(fā)電，例如汽車，手施發(fā)電，例如汽車，手提電腦，電子表，電動(dòng)提電腦，電子表，電動(dòng)玩具等。玩具等。薄膜太陽能電池的應(yīng)用薄膜太陽能電池的應(yīng)用武漢凌云光電http:/ 4000mm/s)2W (2000mm/s)4W (4000mm/s)2W (2000mm/s)4W (4000mm/s)8W (300um)15W(400um)300W(0.6mm)500W(0.8mm)激光模式基?；；；６嗄Ｃ}沖寬度20ns20ns20ns20ns100ns穩(wěn)定性3%3%3%3%8%光束整形選配