光伏發(fā)電未來(lái)以及硅材料

光伏發(fā)電的未來(lái)及硅材料1光伏發(fā)電的未來(lái)及硅材料1。光伏發(fā)電的未來(lái)趨勢(shì)及硅材料2。太陽(yáng)級(jí)硅材料短缺引起的效應(yīng)3。太陽(yáng)級(jí)硅材料純度討論及思考4。結(jié)語(yǔ)21．光伏發(fā)電的未來(lái)趨勢(shì)及硅材料1）太陽(yáng)能光伏發(fā)電是未來(lái)最重要的戰(zhàn)略能源

◆

JRC預(yù)測(cè)“EuropeanRoadmapforPVR&D”,EuropeanCommissionJointResearchCenter,2004EUR21087EN）3

◆歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)(EPIA)的預(yù)測(cè)：2020年：光伏組件年產(chǎn)量：40GW系統(tǒng)總裝機(jī)容量：195GW光伏發(fā)電量：274TWh,＝2020年全球發(fā)電量的1％光伏組件成本：1美元/Wp2040年：光伏發(fā)電量：7368TWh,＝2040年全球發(fā)電量的21％4◆IEA-PVPS預(yù)測(cè)

2020年光伏發(fā)電占世界總發(fā)電量1％，2040年>20％5

◆世界光伏發(fā)電發(fā)展路線(xiàn)圖Year2000201020202030USA(GWp)0.142.136200Europe(GWp)0.153.041200Japan(GWp)0.254.830205World-AIP(GWp)1.014.02001850Sources：Japanese，US，EPIAandEREC2040scenariosEREC-EuropeanRenewableEnergyCouncil，EPIA-EuropeanPhotovoltaicIndustryAgency，AIP-AdvancedInternationalPolicyScenario62）未來(lái)（至2030）超純多晶硅材料的總需求思考，噸注:電子級(jí)硅材料的總需求，噸，按照6％年增長(zhǎng)率考慮7未來(lái)硅材料需求結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化：超純硅材料（電子級(jí)＋太陽(yáng)極）硅材料不但需求量極大（兩百萬(wàn)頓量級(jí)），而且對(duì)能源、環(huán)境、社會(huì)的可持續(xù)持續(xù)發(fā)展具有極端重要意義。太陽(yáng)級(jí)多晶硅材料逐漸成為高純多晶硅材料主體。當(dāng)太陽(yáng)級(jí)硅材料比例超過(guò)90％、總量在百萬(wàn)頓以上時(shí),硅材料供應(yīng)格局將發(fā)生根本性變化。而且這個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)也必須是節(jié)能的環(huán)境友好的。我們應(yīng)該以這種新格局和要求考慮未來(lái)硅材料制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。82．太陽(yáng)級(jí)硅材料短缺引起的效應(yīng)1）正面效應(yīng)：促進(jìn)了光伏發(fā)電技術(shù)的全面提升：加速了太陽(yáng)級(jí)硅材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了太陽(yáng)級(jí)硅材料新方法的探索和開(kāi)發(fā)；

促進(jìn)了晶硅電池及組件技術(shù)的提升：電池效率，硅片減薄，薄片電池技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)（高度規(guī)?；妥詣?dòng)化），大組件技術(shù)發(fā)展等。

9加速了薄膜電池發(fā)展硅基薄膜(a-Si，c-Si,a-Si/c-Si)，CdTe，CIGS。。。。促進(jìn)了聚光光伏技術(shù)發(fā)展

其它：促進(jìn)了其它可再生能源技術(shù)的發(fā)展如太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)等。102）負(fù)面效應(yīng)：

硅材料大幅度漲價(jià)，增加了光伏發(fā)電成本，減緩了光伏發(fā)電成本下降趨勢(shì)等，我國(guó)尤其嚴(yán)重。國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格從過(guò)去的25美元/kg漲到50美元/kg時(shí)，我國(guó)部分公司甚至要200美元/kg以上才能買(mǎi)到。

由于材料短缺和價(jià)格飛漲，在利益驅(qū)動(dòng)下少數(shù)公司在制造硅錠時(shí)摻入過(guò)量劣質(zhì)材料，導(dǎo)致電池效率下降和衰減。這種組件出口到國(guó)際上可能引起嚴(yán)重后果。我國(guó)少數(shù)電池/組件生產(chǎn)商已經(jīng)為此受苦。113。太陽(yáng)級(jí)硅材料純度討論3.1硅太陽(yáng)電池工作特點(diǎn)與硅材料性能關(guān)系目前國(guó)際上尚沒(méi)有統(tǒng)一的太陽(yáng)級(jí)硅材料純度標(biāo)準(zhǔn)和界定。每年EG和SG-Si的報(bào)道數(shù)據(jù)是根據(jù)商家賣(mài)給EG用戶(hù)和SG用戶(hù)的量統(tǒng)計(jì)的，SG中也包含有優(yōu)質(zhì)料。光伏界的經(jīng)驗(yàn)提法是－太陽(yáng)級(jí)硅純度大于6N。實(shí)際上對(duì)“大于6N”要具體分析，金屬雜質(zhì)濃度要求更苛刻。12晶硅太陽(yáng)電池本質(zhì)上是硅半導(dǎo)體二極管器件，同時(shí)是一個(gè)要求有“極限性能”的器件（即開(kāi)路電壓、短路電流、填充因子愈高愈好，最好能達(dá)到理論極限值）。從器件性能講，對(duì)材料純度要求與半導(dǎo)體工業(yè)并無(wú)本質(zhì)差別，電子級(jí)（EG）與太陽(yáng)極的純度差別只是因?yàn)楣夥l(fā)電對(duì)成本的苛刻要求，成本與性能的折中在一定程度上放松純度要求。13在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，半導(dǎo)體器件與材料性能（純度和品質(zhì)）之間的關(guān)系最直接、最敏感、關(guān)聯(lián)度最大。微電子器件如此（向微觀(guān)尺寸發(fā)展），太陽(yáng)電池（向宏觀(guān)尺寸發(fā)展）也如此。太陽(yáng)電池的工作環(huán)境是各種半導(dǎo)體器件中最苛刻的：要經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、沙塵、冰雹、高低溫交變、潮濕、酸雨、酸霧侵蝕等幾乎所有惡劣環(huán)境考驗(yàn)，這是其它半導(dǎo)體器件（大多在室內(nèi)環(huán)境或者恒溫環(huán)境中工作）所沒(méi)有的。14太陽(yáng)電池要求的工作壽命是幾乎所有半導(dǎo)體器件中是最長(zhǎng)的（25年以上甚至更長(zhǎng)）。特別惡劣的工作環(huán)境、特別長(zhǎng)的工作壽命以及市場(chǎng)對(duì)愈來(lái)愈高的效率要求，都對(duì)材料提出了特殊的純度和品質(zhì)要求。從世界晶硅電池技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖看到，效率（實(shí)驗(yàn)室電池、商業(yè)化電池）持續(xù)提高，對(duì)材料純度也會(huì)有基本要求。153.2

理論計(jì)算結(jié)果

p-型4cm襯底硅太陽(yáng)電池中雜質(zhì)對(duì)效率的影響

16n-型1.5cm襯底硅太陽(yáng)電池中雜質(zhì)對(duì)效率的影響173.3

國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)

太陽(yáng)級(jí)硅材料產(chǎn)品目標(biāo)（ASiMI/SGS）QualityTargetTotalMetals<100ppbwP&B<5ppba,eachC,O<1ppma,eachLifetime>

100sPorosity<10vol%(openpores)Granulediameterrange0.5–2.0mmBulkdensity～

1500kg/m3MISSIONDedicatedsupplierofcost-effectivePV-gradesiliconfromsilaneDevelopinginnovativeproductiontechnologiestosecurereliableproductioncapacitiesmeetingprojectedfeedstockneeds18雜質(zhì)指標(biāo)Fe,Al,Ca,Ti,金屬雜質(zhì)各<0.1ppm(w)C<4ppm(w)O<5ppm(w)B<0.3ppm(w)P<0.1ppm(w)2001年國(guó)際上所使用的太陽(yáng)極硅材料性能狀況購(gòu)買(mǎi)用于多晶硅片生產(chǎn)的最低級(jí)硅的化學(xué)雜質(zhì)指標(biāo)

購(gòu)買(mǎi)的用于生產(chǎn)多晶硅片最低級(jí)硅的電學(xué)指標(biāo)性質(zhì)指標(biāo)電阻率>1cm，p-型少子壽命>25μsHandbookofPhotovoltaicScienceandEngineering.EditedbyA.LuqueandS.Hegedus2003JohnWiley&Sons,LtdISBN:0-471-49196-9193.4

雜質(zhì)影響的實(shí)際案例－CZ－Si中氧含量的影響在直拉單晶過(guò)程從石英坩堝中引入了氧（大約從＜1ppm到10～40ppm），結(jié)果導(dǎo)致CZgui太陽(yáng)電池的光衰減現(xiàn)象。在p-型Cz-Si太陽(yáng)電池中，氧與硼在光照下發(fā)生電池效率衰減、退火后恢復(fù)的現(xiàn)象。

過(guò)高的氧是石英坩堝引入的。FZ-Si及MCz-Si太陽(yáng)電池則沒(méi)有此現(xiàn)象發(fā)生。20摻硼p-型Cz單晶硅電池的光照效率衰減(～5％)和200℃退火恢復(fù)現(xiàn)象21光衰減大小(1/f-1/i)與間隙氧濃度[oi]的關(guān)系

(樣品的硼濃度基本恒定：NB=0.8-1.51016cm-3.)

超線(xiàn)性關(guān)系：說(shuō)明氧影響的嚴(yán)重性。22研究表明，光衰減和退火恢復(fù)現(xiàn)象

同樣存在于mc-Si(摻B)中。1.6Ωcm1010cm2mc-Si襯底在120分鐘照射和260℃退火10分鐘后平均少子壽命的可逆變化23在國(guó)際光伏組件質(zhì)量認(rèn)證測(cè)試中，允許晶硅組件效率有小于5％的效率衰減與此有直接關(guān)系。只要太陽(yáng)電池使用Cz-Si片，光衰減就不可避免。

MCZ（加磁場(chǎng)）能有效減少氧的引入、避免光衰減現(xiàn)象；目前拉制半導(dǎo)體工業(yè)用8英寸單晶硅必須施加磁場(chǎng)，但還沒(méi)有在光伏工業(yè)中推廣。此外，氧存在還導(dǎo)致形成熱施主、氧沉淀等，對(duì)電池效率均產(chǎn)生不利影響?！鞍肼贰币氲难蹼s質(zhì)的影響尚且如此，原材料中過(guò)多的雜質(zhì)影響可能更為復(fù)雜，特別是金屬雜質(zhì)。243.5思考目前我國(guó)在太陽(yáng)極硅材料制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，正在進(jìn)行以下兩方面的工作;1)通過(guò)合作、引進(jìn)、消化、吸收，加緊實(shí)現(xiàn)西門(mén)子改良法中的尾氣回收和循環(huán)工藝，特別是四氯化硅氫化工藝以及綜合利用技術(shù)，快使我多晶硅材料工業(yè)成為節(jié)能和環(huán)保的產(chǎn)業(yè)之一，同下游工業(yè)一樣與世界拉平。目前許多產(chǎn)業(yè)正在做此項(xiàng)工作。

2）一批資深材料專(zhuān)家、專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)和企業(yè)正在探索太陽(yáng)極硅材料制造新方法、新工藝。為我國(guó)高純硅產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展進(jìn)行著艱苦卓絕的創(chuàng)造性勞動(dòng)。25在硅材料技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程有兩種思維路線(xiàn)：◆瞄準(zhǔn)高純度目標(biāo)探索新方法◆基于：高純度－高效率－高成本中純度－中效率－中成本低純度－低效率－低成本的思路探索新方法。但這個(gè)思路會(huì)受到壽命因素的挑戰(zhàn)，即：高純度－高效率－高壽命－目前（高）成本中純度－中效率－高？中？低？壽命－中成本(？)低純度－低效率－高？中？低？壽命－低成本(？)太陽(yáng)極硅材料純度和光伏發(fā)電成本不一定有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。26用冶金法提純的5N-Cz硅片制作的太陽(yáng)電池在16小時(shí)照射后相對(duì)效率下降