多晶硅太陽能電池實驗室

1、多晶硅太陽能電池（一）未來形勢分析多晶硅是電子和光電產(chǎn)業(yè)的基礎材料，廣泛用于制造半導體收音 機、錄音機、電冰箱、彩電、錄像機、電子計算機等行業(yè)；用多晶硅 制備成各種規(guī)格的硅單品后可制作各種晶體管、集成電路和大規(guī)模集 成電路塊及其他電子元器件等；多晶硅材料是信息產(chǎn)業(yè)、新能源、航 空航天產(chǎn)業(yè)的基石。硅的一個重要用途是生產(chǎn)制造太陽能電池，用于 光伏發(fā)電，但目前因其價格昂貴，無法達到普及推廣使用，而廉價的 多晶硅太陽能電池是達到普及目標最具潛力的后選者。1、多晶硅太陽能電池的市場需求分析太陽能光伏發(fā)電具有的許多優(yōu)點是未來能源非常需要的。（1）它 不受地域限制，有陽光就可發(fā)電；（2）發(fā)電過程是簡單的物理

2、過程， 無任何廢氣廢物排出，對環(huán)境基本上沒有任何影響；（3）太陽能電池 靜態(tài)運行，無運轉部件，無磨損，可靠性高，沒有任何噪音；（4）發(fā) 電功率由太陽能電池決定，可按所需功率裝配成任意大?。唬?）既便 于作為獨立能源，也可與別的電源聯(lián)網(wǎng)使用；（6）壽命長（可達20 年以上）；（7）太陽電池重量輕、性能穩(wěn)定、靈敏度高；（8）太陽壽 命達60億年，因而太陽能發(fā)電相對來說是無限能源。它是一種通用的 電力技術，可以用在許多或大或小的領域，可用于任何有陽光的地方， 可以安裝到任何物體表面，也可以集成到建筑結構中，容易實現(xiàn)無人 化和全自動化。由于這些特點太陽能電池在各國空間技術當中有著廣 泛的使用。據(jù)200

3、4年發(fā)表的歐盟光伏研發(fā)路線圖指出2000年常規(guī)能源 和核能在能源結構中的比例大約為80%，可再生能源的比例為20%。在 可再生能源中主要是生物能，太陽能占的比例很小，但到2050年常規(guī) 能源和核能的比例將下降到47%，可再生能源上升到53%。在可再生能 源中，太陽能（包括太陽能熱利用和太陽能發(fā)電）將占據(jù)首位，占總 能源的29%。特別值得指出的是，其中僅太陽能發(fā)電就占總能源的25%。愛迪生早在1932年就說過，人們將遲早不得不從太陽直接獲得能 量作為主要能源的供應。在20世紀五十年代，第一個實用化的硅太陽 能電池在美國貝爾實驗室誕生了，不久，它即被用于人造衛(wèi)星的發(fā)電 系統(tǒng)上。迄今為止，太空中成千

4、上萬的飛行器都裝備了太陽電池發(fā)電 系統(tǒng)。由于發(fā)電成本過高，太陽電池在地面的應用卻一直停滯不前。 太陽電池應用不廣，主要在航天、通訊、導航、農業(yè)灌溉等領域作為 補充能源。直到七十年代世界出現(xiàn)“石油危機”，地面大規(guī)模應用太 陽電池發(fā)電系統(tǒng)才被列上許多國家的議事日程。進入八十年代時期， 人口快速增長和工業(yè)化造成了三個全球性難題：能源短缺、生態(tài)破 壞和環(huán)境污染。因為人類所使用的能源80%以上是由礦物燃料提供的。 其中煤炭占28%，石油超過40%。人類每年要燃燒40億噸煤，25億噸石 油，并以每年大約3%的速度增長。礦物燃料燃燒排放的是溫室氣體和 有毒物質，它們使地球的生態(tài)環(huán)境急劇惡化。比如，煤炭、石油

5、的燃 燒排放的是二氧化碳，2004年二氧化碳的排放量達到275億噸，比前 一年增加了4.5%，并且這一趨勢不斷加劇。二氧化碳等氣體的排放帶 來的直接后果就是溫室效應，使地球氣溫升高，引起氣候異常變化帶 來的環(huán)境災難。另外，礦物燃料的燃燒每年向大氣釋放的二氧化碳、 二氧化硫以及氮氧化物等有害氣體，是造成溫室效應和酸雨的主要因 素。人們認識到，常規(guī)能源不僅數(shù)量有限，而且使用時對環(huán)境的污染 和生態(tài)平衡的破壞日益嚴重，威脅人類的正常發(fā)展。人類要生存下去， 現(xiàn)代文明要持續(xù)地發(fā)展下去，必須尋找一條可持續(xù)發(fā)展的清潔的能源 道路。1997年150多個國家簽署京都議定書，要求世界各國改變能 源利用方式，從煤和石

6、油逐漸轉化為可再生能源，減少溫室氣體排放， 希望徹底改變人類社會發(fā)展與能源短缺、環(huán)境污染之間的矛盾。但是， 因為擔心影響工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活水平，主要溫室氣體排放國沒有 簽署，所以，希望限制人類對能源的消耗達到環(huán)境保護目的的方法， 與人類提高生產(chǎn)和生活水平的愿望矛盾，因而很難達到。我國是“京都議定書”的簽字國，我國二氧化硫排放居世界第一 位，二氧化碳排放量居世界第二位，從2012年開始我國將面臨越來越 大的減排義務的國際壓力。同時，對我國人民來講，也只有減排溫室 氣體，才能逐步改善我們的生存環(huán)境，這都要求我們大力發(fā)展可再生 能源。太陽能光伏發(fā)電具有無污染、資源的普遍性和不枯竭等優(yōu)點，符 合保護

7、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此全人類再次把目光集中到太陽 能發(fā)電上，各國政府高度重視。如美國政府1970年制定有一系列的建 筑法規(guī)，1978年又將一些法規(guī)作為法律寫進了國家能源法，硬性要求 建筑必須與節(jié)能相結合，對購買太陽能系統(tǒng)的買主實行減免稅等優(yōu)惠 政策。1997年又推出了 “克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計劃”，計劃到 2010年要為100萬美國家庭安裝3-5KW的光伏屋頂，并公布國家光伏計 劃和2020-2030年的長期規(guī)劃，新計劃宏大且富有挑戰(zhàn)性，美國將其與 阿波羅登月計劃相媲美，決心使光伏技術像其他能源技術一樣地發(fā) 展，要使太陽電池板安裝在每一個房屋上；日本政府也提出“新陽光 計劃”，1997

8、年投入1.68億美元資金用于研發(fā)太陽能電池計劃，計劃 到2010年光伏發(fā)電累計安裝達到5GW；德國、俄羅斯、印度、韓國、 墨西哥、沙特、澳大利亞等都投入大量資金發(fā)展自己的光伏業(yè)；希臘、 日本、韓國、意大利、挪威、奧地利、西班牙、瑞典等八國簽訂合作 項目，以期大規(guī)模利用太陽能發(fā)電。1996年，聯(lián)合國召開“世界太陽 能高峰會議”再次要求全球共同行動，廣泛利用太陽能，會中發(fā)表了 一系列重要文件，表示了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決 心。歐盟會議推出“可再生能源白皮書”要求在2010年生產(chǎn)6000MW， 預計僅關、日、歐盟的光伏電池的生產(chǎn)就能超過15300MW。從1999年 開始，光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)

9、展，最近十年中，光伏組件的產(chǎn)量增長近10 倍，而價格下降了3/4。近5年世界光伏產(chǎn)品的年平均增長率更是超過 30%。據(jù)美國世界觀察研究所的報告預測，未來光伏產(chǎn)業(yè)將與資訊、 通信產(chǎn)業(yè)一起，成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。至21世紀中葉，光伏發(fā)電 量將占世界總發(fā)電量的1/5,太陽能將成為常規(guī)能源的重要替代者。 另外，生產(chǎn)規(guī)模的擴大與產(chǎn)品的價格成反比。隨著太陽電池的制作成 本的降低和生產(chǎn)能力的提高，進一步降低成本的潛力使其完全有可能 成為替代能源。我國目前能源的緊缺現(xiàn)狀有日共睹，能源緊缺已成為我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的瓶頸，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源消耗 還將有大幅度的增加?？紤]到環(huán)境保護的日標，大力發(fā)展可再

10、生能源 是最佳選擇。圖1我國太陽能平均日照分布我國太陽能卻極為豐富，我國陸地表面接收的太陽輻射能約為50 X1018KJ/年，年輻射總量達到335-837 KJ/cm2 a。從全國太陽能年 輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西 北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南 部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣的西南部等廣大地區(qū)的 太陽輻射總量很大，全國2/3國土年平均日照2000小時以上，僅84萬 平方公里的沙漠就有太陽能8400億千瓦，是可再生能源中數(shù)量最大 的，尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔在4000米以上，大氣層 薄而清潔，透明度好，緯度

11、低，日照時間長。例如被人們稱為日光城 的拉薩市1961-1970年年平易日照時間為3005.7小時，相對日照為 68%，年平均晴天為108.5天，太陽總輻射為816KJ。（感謝河南省氣象 局提供資料）另外一方面，我國仍然有交通不方便的邊遠山區(qū)等的供 電問題得不到解決，因為長途供應成本太大，而太陽能發(fā)電主要用在 獨立用戶系統(tǒng)，所以，這為我國太陽能電池的發(fā)展應用提供了優(yōu)越的 條件和巨大的市場。2006年開始我國實施“中華人民共和國可再生能源法”，這為我 國可再生能源的發(fā)展提供了法律的保證，也為我國太陽能電池的發(fā)展 提供了良好的發(fā)展機遇。近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出了 無錫尚德、南京中電光伏

12、、寧波太陽能等多家具有20MW以上規(guī)模的太 陽能電池生產(chǎn)企業(yè)。在各種類型的太陽能電池中，多晶硅太陽能電池以其相對高的效 率和相對低的成本占據(jù)太陽能電池市場的主流地位。因此，多晶硅太陽能電池未來的市場環(huán)境非常好。2、多晶硅材料的市場需求分析隨著信息技術和太陽能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，全球對多晶硅的需求快 速增長，市場供不應求，價格大幅上揚。世界多晶硅的產(chǎn)量2005年 為28750噸，其中，太陽能級多晶硅為8500噸，太陽能級多晶硅的 需求量為15600噸，供不應求；2006年世界太陽能級多晶硅產(chǎn)量僅 為10400噸，而需求量為26000噸，供需缺口仍然很大。主要原因是 以歐洲為中心的太陽能市場迅速普及與

13、擴大，預計今明兩年多晶硅供 需不平衡的局面將愈演愈烈，2010年太陽能電池用多晶硅市場至少 30000噸。且今后相當長時間內全球市場的短缺狀況仍將繼續(xù)。（單位:噸）口全球中國圖2 2002-2010年全球及中國太陽能級多晶硅需求量統(tǒng)計及預測中國多品硅產(chǎn)業(yè)的形勢更加嚴峻，半導體和太陽能電池陷入了等 米下鍋、受制于人的困境。我國已成為世界第三大太陽能電池和第六 大集成電路生產(chǎn)加工地，對硅材料的需求量不斷增大，但我國多晶硅 加工能力依然較弱，2006年國內需求量為3800噸，而自產(chǎn)不足400 噸，絕大部分依賴進口；預計2007年我國多晶硅產(chǎn)量將達到450噸， 但仍遠遠不能滿足市場需求；2008年產(chǎn)能

14、將達3300MW，預計消耗多 晶硅40000噸。多晶硅的缺乏導致其價格直線上漲，2000年每公斤太陽能級多晶 硅售價為9美元；到2006年4月，每公斤太陽能級多晶硅的售價已飆升 至60美元。由于需求量大，我國進口的多晶硅價格已由3年前的每公 斤20多美元暴漲到每公斤200美元左右。我國是世界上高品位硅原礦石儲藏國，占全世界已探明儲量的三 分之一，硅礦石首先冶煉成金屬硅，進一步提純?yōu)楦呒兌嗑Ч琛Ｎ覈?是金屬硅出口大國，反過來我國卻又是世界上高純硅進口大國，半個 世紀以來，我國約96%以上的高純硅原料一直依賴進口，這種受制與 國外、極不合理的狀況急待改變。多晶硅作為太陽能電池的原材料行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略機

15、遇難得。由于多 晶硅產(chǎn)品生產(chǎn)難度高、技術門檻高，并且需求急劇上升，因此，未來 四年乃至更長的時間內都多晶硅原料處于供不應求的狀態(tài)，市場需求 非常強勁！因此，多晶硅材料及太陽能相關產(chǎn)業(yè)未來市場環(huán)境長期優(yōu)良。（二）建議建立實驗室建立太陽能電池組件實驗室。全套設備：激光劃片機（太陽能電池片切割、硅片切割），太陽 能組件層壓機，太陽能組件測試儀，太陽能電池片分選機等。1、激光劃片機：工作光源采用YAG激光器和聲光調制系統(tǒng)、數(shù)控 X/Y工作臺，步進電機驅動，在電腦控制下精確運動，專用控制軟件 使程序的編輯和修改簡單方便，并實時顯示運動軌跡。工作臺采用雙 氣倉負壓吸附系統(tǒng)，T型結構雙工作位交替工作。主要技

16、術參數(shù)規(guī)格型號SYS50A / SYS50B激光波長1.06卻 m劃片精度C10p m最大劃片厚度1.2mm劃片線寬W50p m激光重復頻率200Hz50kHz最大劃片速度120mm/s激光最大功率，50W工作臺幅面350X350mm使用電源380V (220V) /50Hz/5kVA冷卻方式外掛式恒溫循環(huán)水冷工作臺雙氣倉真空吸附，T型臺雙工位交替工作2、太陽能組件層壓機：用于太陽電池組件（模組）的層壓和固化封 裝。主要技術參數(shù)層壓面積0.85X1.5m1.1X1.6m1.1X2.2m1.8X3.2m1.75X1.8m1.75X2.2m1.75X2.6m1.8X3.2m溫控范圍30C200C溫控精度W1C工作面溫度不均勻性W3C真空泵抽速N4200L / min抽空時間610分鐘極限真空20Pa工作壓強0.6MPa控制器可編程控制器（西門子）加熱方式電加熱/油加熱控制方式自動/手動全自動3、太陽能組件測試儀：太陽能組件測試儀專門用于太陽能單品 硅和多晶硅電池組件的測試。通過模擬太陽光譜光