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光伏发电的未来及硅材料

光伏发电的未来及硅材料. 赵玉文. 光伏发电的未来及硅材料 1 。光伏发电的未来趋势及硅材料 2 。太阳级硅材料短缺引起的效应 3 。太阳级硅材料纯度讨论及思考 4 。结语. 1 ． 光伏发电的未来趋势及硅材料 1 ） 太阳能光伏发电是未来最重要的战略能源 ◆ JRC 预测. “ European Roadmap for PV R&D”, European Commission Joint Research Center, 2004 EUR 21087 EN ）. ◆ 欧洲光伏工业协会 (EPIA) 的预测：

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光伏发电的未来及硅材料

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Presentation Transcript

  1. 光伏发电的未来及硅材料 赵玉文

  2. 光伏发电的未来及硅材料 1。光伏发电的未来趋势及硅材料 2。太阳级硅材料短缺引起的效应 3。太阳级硅材料纯度讨论及思考 4。结语

  3. 1．光伏发电的未来趋势及硅材料 1）太阳能光伏发电是未来最重要的战略能源 ◆JRC预测 “ European Roadmap for PV R&D”, European Commission Joint Research Center, 2004 EUR 21087 EN）

  4. ◆欧洲光伏工业协会(EPIA) 的预测： 2020年：光伏组件年产量：40GW 系统总装机容量：195GW 光伏发电量：274TWh, ＝2020年全球发电量的1％ 光伏组件成本：1美元/Wp 2040年：光伏发电量：7368TWh, ＝ 2040年全球发电量的21％

  5. ◆ IEA-PVPS预测 2020年光伏发电占世界总发电量1％，2040年>20％

  6. Year 2000 2010 2020 2030 USA (GWp) 0.14 2.1 36 200 Europe (GWp) 0.15 3.0 41 200 Japan (GWp) 0.25 4.8 30 205 World-AIP (GWp) 1.0 14.0 200 1850 ◆世界光伏发电发展路线图 Sources：Japanese，US，EPIA and EREC 2040 scenarios EREC - European Renewable Energy Council， EPIA - European Photovoltaic Industry Agency， AIP - Advanced International Policy Scenario

  7. 2）未来（至2030）超纯多晶硅材料的总需求思考，吨2）未来（至2030）超纯多晶硅材料的总需求思考，吨 注:电子级硅材料的总需求，吨，按照6％年增长率考虑

  8. 未来硅材料需求结构将发生重大变化：超纯硅材料（电子级＋太阳极）硅材料不但需求量极大（两百万顿量级），而且对能源、环境、社会的可持续持续发展具有极端重要意义。未来硅材料需求结构将发生重大变化：超纯硅材料（电子级＋太阳极）硅材料不但需求量极大（两百万顿量级），而且对能源、环境、社会的可持续持续发展具有极端重要意义。 太阳级多晶硅材料逐渐成为高纯多晶硅材料主体。当太阳级硅材料比例超过90％、总量在百万顿以上时,硅材料供应格局将发生根本性变化。而且这个庞大的产业也必须是节能的环境友好的。 我们应该以这种新格局和要求考虑未来硅材料制造技术和产业的发展。

  9. 2．太阳级硅材料短缺引起的效应 1）正面效应：促进了光伏发电技术的全面提升： 加速了太阳级硅材料产业发展和技术进步， 促进了太阳级硅材料新方法的探索和开发； 促进了晶硅电池及组件技术的提升： 电池效率，硅片减薄，薄片电池技术， 产业化技术（高度规模化和自动化）， 大组件技术发展等。

  10. 加速了薄膜电池发展 硅基薄膜(a-Si，c-Si, a-Si/c-Si)， CdTe， CIGS。。。。  促进了聚光光伏技术发展  其它：促进了其它可再生能源技术的发展 如太阳能热发电技术等。

  11. 2）负面效应：  硅材料大幅度涨价，增加了光伏发电成本， 减 缓了光伏发电成本下降趋势等，我国尤其严 重。国际市场价格从过去的25美元/kg涨到50美 元/kg时，我国部分公司甚至要200美元/kg以上 才能买到。  由于材料短缺和价格飞涨，在利益驱动下少数 公司在制造硅锭时掺入过量劣质材料，导致电 池效率下降和衰减。这种组件出口到国际上可 能引起严重后果。我国少数电池/组件生产商已 经为此受苦。

  12. 3。太阳级硅材料纯度讨论 3.1 硅太阳电池工作特点与硅材料性能关系 目前国际上尚没有统一的太阳级硅材料纯度标 准和界定。每年EG和SG-Si的报道数据是根据 商家卖给EG用户和SG用户的量统计的，SG中 也包含有优质料。 光伏界的经验提法是－太阳级硅纯度大于6N。 实际上对“大于6N”要具体分析，金属杂质浓度 要求更苛刻。

  13. 晶硅太阳电池本质上是硅半导体二极管器件，同时 是一个要求有“极限性能”的器件（即开路电压、 短路电流、填充因子愈高愈好，最好能达到理论极 限值）。从器件性能讲，对材料纯度要求与半导体 工业并无本质差别，电子级（EG）与太阳极的纯 度差别只是因为光伏发电对成本的苛刻要求，成本 与性能的折中在一定程度上放松纯度要求。

  14.  在各种产业领域中，半导体器件与 材料性能（纯度 和品质）之间的关系最直接、最敏感、关联度最 大。微电子器件如此（向微观尺寸发展），太阳电 池（向宏观尺寸发展）也如此。  太阳电池的工作环境是各种半导体器件中最苛刻 的：要经受风吹、日晒、沙尘、冰雹、高低温交 变、潮湿、酸雨、酸雾侵蚀等几乎所有恶劣环境考 验，这是其它半导体器件（大多在室内环境或者恒 温环境中工作）所没有的。

  15. 太阳电池要求的工作寿命是几乎所有半导体器件中太阳电池要求的工作寿命是几乎所有半导体器件中 是最长的（25年以上甚至更长）。 特别恶劣的工作环境、特别长的工作寿命以及市场对 愈来愈高的效率要求，都对材料提出了特殊的纯度和 品质要求。 从世界晶硅电池技术发展路线图看到，效率（实验室 电池、商业化电池）持续提高，对材料纯度也会有基 本要求。

  16. 3.2理论计算结果 p-型 4cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响

  17. n-型 1.5cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响

  18. Quality Target Total Metals < 100 ppbw P & B < 5 ppba, each C, O < 1 ppma, each Lifetime >100 s Porosity < 10 vol% (open pores) Granule diameter range 0.5 – 2.0 mm Bulk density ～1500 kg/m3 3.3国外经验和数据太阳级硅材料产品目标（ASiMI / SGS） MISSION • Dedicated supplier of cost-effective PV-grade silicon from silane • Developing innovative production technologies to secure reliable production capacities meeting projected feedstock needs

  19. 2001年国际上所使用的太阳极硅材料性能状况2001年国际上所使用的太阳极硅材料性能状况 购买用于多晶硅片生产的最低级硅的化学杂质指标 购买的用于生产多晶硅片最低级硅的电学指标 Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Edited by A. Luque and S. Hegedus  2003 John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 0-471-49196-9

  20. 3.4杂质影响的实际案例－CZ－Si中氧含量的影响3.4杂质影响的实际案例－CZ－Si中氧含量的影响 在直拉单晶过程从石英坩埚中引入了氧（大约从＜1ppm 到 10～40ppm），结果导致CZgui太阳电池的光衰减现象。 在p-型Cz-Si太阳电池中，氧与硼在光照下发生电池效率衰减、退火后恢复的现象。 过高的氧是石英坩埚引入的。FZ-Si及MCz-Si太阳电池则没有此现象发生。

  21. 掺硼p-型Cz单晶硅电池的光照效率 衰减(～5％)和200℃退火恢复现象

  22. 光衰减大小(1/ f - 1/ i )与间隙氧浓度[oi]的关系(样品的硼浓度基本恒定：NB=0.8-1.51016cm-3.) 超线性关系：说明氧影响的严重性。

  23. 研究表明，光衰减和退火恢复现象同样存在于mc-Si(掺B)中。研究表明，光衰减和退火恢复现象同样存在于mc-Si(掺B)中。 1.6Ωcm 1010cm2 mc-Si 衬底在120分钟照射和260℃退火10分钟后平均少子寿命的可逆变化

  24. 在国际光伏组件质量认证测试中，允许晶硅组件效率有小于5％的效率衰减与此有直接关系。在国际光伏组件质量认证测试中，允许晶硅组件效率有小于5％的效率衰减与此有直接关系。 只要太阳电池使用Cz-Si片，光衰减就不可避免。 MCZ（加磁场）能有效减少氧的引入、避免光衰减现象；目前拉制半导体工业用8英寸单晶硅必须施加磁场，但还没有在光伏工业中推广。 此外，氧存在还导致形成热施主、氧沉淀等，对电池效率均产生不利影响。 “半路”引入的氧杂质的影响尚且如此，原材料中过多的杂质影响可能更为复杂， 特别是金属杂质。

  25. 3.5 思考 目前我国在太阳极硅材料制造技术和产业发展方面，正在进行以下两方面的工作; 1)通过合作、引进、消化、吸收，加紧实现西门子改良法中的尾气回收和循环工艺，特别是四氯化硅氢化工艺以及综合利用技术，快使我多晶硅材料工业成为节能和环保的产业之一， 同下游工业一样与世界拉平。目前许多产业正在做此项工作。 2）一批资深材料专家、专家团队和企业正在探索太阳极硅材料制造新方法、新工艺。为我国高纯硅产业的跨越式发展进行着艰苦卓绝的创造性劳动。

  26. 在硅材料技术创新过程有两种思维路线： ◆瞄准高纯度目标探索新方法 ◆基于：高纯度－高效率－高成本 中纯度－中效率－中成本 低纯度－低效率－低成本 的思路探索新方法。但这个思路会受到寿命因素的 挑战，即： 高纯度－高效率－高寿命－目前（高）成本 中纯度－中效率－高？中？低？寿命－中成本(？) 低纯度－低效率－高？中？低？寿命－低成本(？) 太阳极硅材料纯度和光伏发电成本不一定有简单的 对应关系。

  27. ◆最近的试验结果 用冶金法提纯的5N-Cz硅片制作的太阳电池 在16小时照射后相对效率下降39.%～45.%， 说明太阳极硅材料的新方法需要从原理上和方法上 获得突破。当然，冶金法正在不断改进和提高。

  28. 4。结语 ◆伴随着光伏发电的未来发展，太阳极硅材料将成为 一个庞大的产业； ◆现有晶硅电池对太阳极硅材料纯度有一基本要求； ◆我国当前急需解决现有多晶硅材料产业中的尾气回 收，特别是四氯化硅氢化和综合利用技术； ◆建议加大投入，鼓励创新，从原理和方法上获得高 纯硅制造技术的突破，为我国高纯硅产业的跨越式 发展而奋斗。

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