2010年光伏太阳能发电科技创新前沿

作者：Joyce Laird    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 4 太阳能发电展厅 太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ... 有许多相关的材料、工艺和技术企业等都准备宣称他们已经掌握了光伏技术。在某种程度上，这样能够将很多公众注意力吸引到光伏技术上来。但其中有些是值得长期研究的,而其它一些只是着眼于解决眼前的问题。这些创新的技术都准备在未来的几个月内推出。Joyce Laird对此进行了一些分析。 创新背后的科学 再也没有比以科学研究的角度来看待技术创新更好的了！这样能摈弃传统的为了商业模式中所进行某种产品或技术的宣传推广而进行的科技创新。Argonne国家实验室纳米材料研究中心（伊利诺州）就是这样一个研究机构,它是能为任何希望利用领先技术以获得竞争优势的公司提供资源研究的机构。 Argonne助理研究员Seth B. Darling博士说，有很多先进的技术手段能够降低太阳能电池的成本，如利用原子层沉积（ALD）技术制造的太阳能电池。 另一项先进的技术是太阳能聚光器。一般的太阳能聚光器就是一种能够采集阳光的大型设备。“这种类型的太阳能聚光器是能固定的并能在漫射光中高效运作，而这正是某些太阳能较低的地区所需要的。我们已经开发出一种模型，并对其进行研究以优化相关的一些参数，我们正在使用这些参数来直接指导开发一些材料。如无机半导体纳米晶体材料，它不但具有发光效率高的优点，还具有量子点的调节能力。你可以对它的能带隙或它吸收的能量进行调整，它还能够获取很宽的光谱,甚至是接近红外光部分的光谱。有很大一部分的电能，是使用其他太阳能技术都没有办法获取的，” Darling说。“Argonne的研究是界于学术界长期研究与工业界短期应用之间，这对我们来说是一个很有利的定位，因为这两者之间正需要一座不偏不倚的桥梁，说到底，我们不是一家以赢利为目的的公司，我们的目标是把我们的研究成果提供给我们的合作伙伴。” Intermolecular是另一家不同类型的研究机构，它致力于研发组合，即同时进行类似的多层次研究。“我们的设备看起来像是一台半导体加工工具，但它是专门为大批量的研发所设计建造的，可以同时在平行的试验空间里进行许多不同的试验，而不是使用一个完整的太阳能基板一个一个地进行试验，”副总裁兼太阳能和能源技术总经理J. Craig Hunter先生说。无论是晶体或薄膜，Hunter指出，在试验过程中哪怕是一些细小的变化也将会对最终的产品产生影响。在做出投资项目以及全面投入生产的决定之前，了解整个工艺的操作过程和能够承受的产品最大瑕疵是至关重要的。“我们为客户提供一种一对一的VIP客户服务” Hunter说。“我们每周可以处理1000个单独的太阳能电池，并记录每一个电池不同的以及可能影响整个装置运行的重要参数。我们也有专业的软件和计量系统，能够迅速、全面地记录所有太阳能电池的信息数据并存储起来，以供更加准确地比较和分析数据。” 为创新提供支持 组件、设备和材料的创新，也能帮助光伏领域制造商提高产品质量和工艺。 ◆ 组件 BioSolar是一家以把光伏组件改造得更加“绿色环保”为使命的公司。这可能听起来是种矛盾的说法，事实上，当太阳能正在成为我们能够使用的最为绿色环保的可再生能源时，许多光伏组件并不一定是绿色环保的。如背板的主要原料通常是石油，而其BioSolar的替代产品称为BioBacksheet （生物背板）。 “有很多种不同类型的背板，但它们大多都是以石油为基础材料的。这种背板在晶体和某些非晶硅薄膜发电设备中的使用率达到了90%。更先进的薄膜，CIGS和碲化镉发电设备也使用背扳，但它们对产品的要求更加严格。它们的产品必须能够严格地隔绝湿气，”首席执行官David Lee说。 BioBacksheet（生物背板）采用专利配方技术为基础，使用棉花以及一种使用蓖麻子油作为材料制成的尼龙树脂作为主要材料。Lee说，它提供了一个完美的隔绝湿气的屏障，并具有良好的电绝缘性。该公司已经准备投入小批量的产品生产，样品在2010年提供给光伏制造商进行测试。 ◆ 设备 Tyco Thermal Controls以他们的半导体和平板电视产品打入了薄膜光伏（TFPV）市场。“我们拥有生产平面屏幕所必须的大型平板热处理设备，能够满足大型的真空镀膜和薄膜层压加热等处理的要求。还有热处理设备使用辐射热能进行真空镀膜以及使用传导热能进行薄膜层压热处理的设备。”产品营销总监Chris Mayes说。 “我们研发了一种加热非常均匀的平面基板，然后，我们在其背面接入电缆。设备边缘能够较快冷却，然后再设置更多的电缆。我们已经把基板从传统的2英尺×2英尺的尺寸扩大到了6英尺×6英尺。这样再加上从传统的以加热油为介质改进为加热线圈，使这一处理过程更稳定，并减少维修，” Mayes说。“我们正在开发一种有利的技术。” ◆ 材料 Heraeus光伏业务部原是WC Heraeus贵金属及技术集团的厚膜业务部，总部设在德国的Hanau。去年1月，他们从总部分离并成立了自己的业务部门。他们开发了新的面板镀银涂料，具有优良的接触性能，加上单晶及多晶体晶片的不同纵横比和多种的薄膜电阻发射器能够获得更高的效能。Heraeus光伏业务部经理Andy London说：“我们最新的SOL9235H无镉镀银涂料的化学特性能够提高反射涂层的防腐蚀效能，并能大大提高太阳能电池的接触性能。” 据London介绍，它们的产品相比其他同类产品能使晶体硅光伏制造商的产品效率提高0.3％到0.5％。“我们计划每年推出2到3个新产品。我们的目标是帮助企业提高生产效率，获得更高的产量。”London说。 Integral Technologies (IT)有一项新兴的边缘技术，具有专利技术的混合导电聚合物颗粒材料。其实这项技术的发展源自于该公司制造的一种平板卫星天线跟踪系统，在制造过程中需要一种可以携带电荷的塑料底部材料（ElectriPlast）。当时没有主流的公司生产过类似的材料。“经过我们自己的实验，我们制造出一种有效的混合物质材料，” 首席执行官Bill Robinson说。“我们开发出了一种可以通过注模或挤压技术制造的三维形状的颗粒型材料。这也是一种理想的太阳能电池板底板材料。” Robinson说，这种材料正适合应用于晶体硅及薄膜光伏领域。对于薄膜光伏来说，这种产品可以有效替代目前普遍使用的以厚玻璃板作为底板的材料。对于晶体硅来说，这种材料也可替代目前用于把太阳能电池板固定在一起的铝材。“ElectriPlast具有现在所使用的类似材料的同种效能 ，但其成本却便宜得多。”他说。目前该公司每个月能生产50000磅的该种材料。Robinson说，他们不久将重点开发光伏市场，并与客户携手共同开发新产品。 另一家Plextronics公司为光伏市场提供的新产品也是运用导电聚合物技术制造的产品，但其主要原料是由油墨组成的。Plexcore OC ink是一种多功能、可定制的导电材料，它具有一个只有约200纳米大小的吸收层，Plextronics公司把这种产品命名为第三代薄膜产品。 “导电聚合物发展到了兆瓦的容量，” 业务开发副总裁James Dietz说。“虽然这项技术还处于发展阶段，但是我们在进行实验。我们购买了基板、玻璃和塑料等材料，并动用了公司全部的光电技术力量以使这项技术成为产品，这很简单也很具有吸引力。目前，我们的油墨产品在不同的领域已拥有超过20家的客户。还有一种产品可以应用在室内，因为该产品在荧光灯的照射下能够发挥出很高的效率。另一种是用于太阳能电池板制造，我们在2008年的下半年才推出最初的产品，但现在我们已经意识到了该产品具有很大的潜力。 晶体硅、薄膜光伏的未来前景 Abound Solar研发出了使用碲化镉(CdTe)技术的薄膜太阳能电池。据工程副总裁Dennis Csehi介绍，这一技术大大简化了生产过程，同时降低了产品的成本，并能够生产出具有竞争力的太阳能电池产品。“这是一个非常简单的过程，一切都在真空中进行。半导体层一次成型，然后我们进行激光划片、模块组装等后续处理工序。不同于薄膜市场中的其他产品，我们的产品组装不是一个简单的层压处理过程，我们有一种把背板和面板组装在一起的专利处理技术。”Csehi说。 该公司目前正在对产品进行应用测试。他们的处理方法最近也通过了相关的认证。“我们最近在德国拥有了两家客户，Juwi和Wirsol。他们和我们签署了长期协议，购买我们的产品用于大规模的太阳能发电设备的安装。” Csehi说。 Applied Quantum Technology (AQT)的首席执行官Michael Bartholomeusz说，AQT的使命是帮助太阳能电池制造商达到最佳性价比。“我们的专利技术是基于铜铟硒化镓（CIGS）薄膜太阳能电池的阴极真空喷镀工艺。阴极真空喷镀工艺是经过验证的生产如硬盘和光盘等大容量、高敏感性产品的主要技术。这一技术包括单级沉积、纳米技术、原材料强化处理和简化电池互连设计。”Bartholomeusz说。 AQT希望能够通过使用纳米技术降低产品成本并提高产品性能。该公司目前正着手进行（15MW）产品的试验性生产，并拥有了一家客户。 Ascent Solar Technologies公司也在准备推出另外一个薄膜光伏（TFPV）项目，从该公司设在桑顿的30兆瓦产品的新总部得到的消息称该公司在2010年1月推出了新产品。 Ascent Solar Technologies在塑料基板上使用铜铟镓硒太阳能薄膜技术，此外，他们的太阳能电池都非常轻巧、灵活。生产过程全部都在模块中采用卷带单片集成技术进行。单片集成是模块化制造的唯一方法，单片集成需要使用透明绝缘体，使光线能够穿透它。 该工艺采用热蒸发反应在聚乙烯塑料基板上处理四种金属：铜、铟、镓和硒。这就形成了理想厚度的铜铟镓硒化合物。“在模块化方式中生产，意味着我们没有任何的外部接线，一切都在内部集成电路（IC）中进行处理。这使我们可以进行大模块和使用高压电进行生产，这是一个很大的优势。”总裁兼首席执行官Farhad Moghadam博士说。 这种灵活的电池生产技术可以按产品的大小、尺寸的不同要求来定制，从大到5米长，小到一张信用卡大小的产品都可以生产。该产品的独特性在于不仅是在其光伏生产模块中可以改变大小，即使产品已经封装，它仍然是可以灵活使用的。这样的模块化生产可以提高11％的效率。 “我们的产品主要集中应用在BIPV（太阳能建筑一体化）和EIPV（电子集成光伏），而不是公用事业市场，”Moghadam说。“这种灵活性非常之高的太阳能电池，并不需要特别的框架或安装技术。他们可以简单地放进口袋，可以直接粘到金属或织物的表面。” 说起薄膜太阳能发电技术，Odersun始终站在创新前沿。Odersun太阳能电池产品最独特之处在于他们可以把太阳能电池制成任意的大小或尺寸，在2008年的北京奥运会中，他们的梯形模块就被建成同心圆形状的太阳能发电装置，并为游客中心提供电力。 Odersun在北京奥运会的实验性应用为其赢得了很高的声誉。现在他们投入了批量生产，主要产品是针对光伏太阳能发电及定制屋面市场。 “在德国，很多人都习惯进行屋面设计。正因为如此，屋面建筑师也正在寻求一些公司可以提供太阳能电池组件，以适应其独特的设计，”首席执行官HeinVan der Zeeuw博士说。Odersun太阳能电池组件的灵活性来自于其最基本的制造方法。电池都是通过在长卷的铜带上安装二硫化铜铟（CISCuT）半导体的方式进行生产的。这种铜带只有1厘米宽，0.1毫米厚,不仅可以制成CIS半导体产品，而且可以作为太阳能电池的基板和载体的材料。使用此专利技术的“卷到卷”生产过程中，0.001毫米厚的太阳能电池层的制造仅需要3个阶段。 完成的卷状太阳能电池被切成小片，使用导电胶进行重叠和相互连接就形成了SuperCells。电池带的长度可以自由决定，也可以根据需要的电压决定一个系列互联电池的数量。这些模块由一个或多个并联的SuperCells组成。他们可以被单独安装在薄膜层压板上或坚硬的玻璃膜板上。在这方面，电池的大小，功率和模块的设计可以随时根据每个客户不同的要求进行调整。 虽然晶体硅(c-Si)技术相对来说已经比较成熟，但还是有很多的创新与突破。主要是体现在寻求发展、精简流程方面，Applied Materials是这一领域的先锋。“作为世界上最大的晶体硅(c-Si)太阳能设备供应商，我们是世界上最高效的商用太阳能电池的供应商。”晶体硅太阳能技术和新产品应用事业部副总裁Ken MacWilliams说。 一个产品应用项目的例子是与Baccini Cell Systems公司合作，把Baccini的产品和技术与我们的专业加工技术、自动化技术和研发资源以及世界级先进的晶体硅太阳能电池工厂生产设备和技术相结合。 这种合作体现在了双面印刷金属线沉积技术的应用。这一技术已被证明能够提高太阳能电池高达0.5％的效率。“这些系统的高生产力，先进的超薄晶圆处理和广泛的自动化应用可以大幅度地降低成本，从而降低每瓦电能的制造成本。”MacWilliams说。“今天，约80％的太阳能光伏基板都是基于晶体硅技术而研制的，因为晶体硅技术已经被沿用了几十年，同时它也表现出了其良好的耐用性及可靠性。每瓦特1美元的电池成本将在几年内出现。不同材料的应用也将持续改进产品的性能（CIP），以满足当前和下一代市场的需要。” 不是所有的创新都集中在晶体硅或者是薄膜光伏（TFPV）上，怎样能做到两全其美？这就是Sanyo公司所想的。他们的HIT（异质接面矽基）太阳能电池是一种独创的技术。这种混合集成了晶体硅基板和非晶硅薄膜。迄今为止，它还保持了世界上每单位面积太阳能电池最佳的发电能力，优良的能量转换效率及良好的耐高温性。 “结晶硅型太阳能电池降低光伏太阳能发电系统成本的最重要的问题，是如何在达到良好的能量转换效率的同时，保持硅晶片即发电层体积的轻薄，”太阳能部业务发展执行Robert Zerner说。Sanyo最新的一个HIT(异质接面矽基)太阳能电池产品研究项目实现了突破，把太阳能电池的厚度控制在了只有98微米，这只是目前使用的太阳能电池厚度的一半。这种电池同时具有22.8％的能量转换效率，并且此产品已经被国家先进工业科学和技术研究所认证。虽然目前这项技术仍只停留在研发和安装测试阶段。Zerner说这项技术有着广阔的前景。“Sanyo目前工作的关键是保证产品和技术100％的精确度。”他补充说道。 未来的科技 有些创新项目虽然已经度过了纸上谈兵的阶段，但是还没有准备好全面投产。以下都是一些应该在未来的一年内推出的创新项目。 Shrink Nanotechnologies是一设在加州的热收缩塑料薄膜制造商。“有一种塑料薄膜被用来制造太阳能光伏电池，但不是通常所设想的类型。我们的技术包括太阳能聚光器，”首席执行官Mark Baum说。 加州大学博士、物理学助理教授、Shrink纳米技术顾问Sayantani Ghosh女士解释说，这种技术采用的是一种非常独特的处理过程。 “太阳能电池把阳光转换为电能，”她说。“而我们所做的是把阳光转换成为不同颜色的光线。然后把这种不同颜色的光线应用到现有的硅光伏中，把这种有颜色的光设置为光伏的首选颜色。它就像把阳光中的有用光线分解出来，能够加强硅光伏的效能。” “想象一下，一个窗口采用的不是普通的玻璃，窗格的表面是由放置在两个玻璃层之间的一个非常薄的太阳能聚光器组成的。日光将直接照射到太阳能聚光器上，然后通过使用围绕窗格边缘的晶体硅电池，硅会吸收薄膜中的量子点散发出的光子。这些光子将被吸收到系统中并最终转化为电能，同样的技术可以适用于家庭的墙板和屋顶的瓦片，这一切都是为了把建筑物的表面功能化。” Baum说。 XsunX是一家专注于开发薄膜光伏（TFPV）太阳能电池技术和制造工艺的公司；Intevac是为硬盘驱动器行业提供磁性介质存储设备的公司。把这两个企业联合起来，就形成了新的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制造商。 “将我们的热蒸发技术与他们的溅射技术结合起来，创造出了一种新的工艺，这种工艺结合了两种技术的优点：热蒸发的高效率和溅射的高通量。” XsunX首席执行官Tom Djokovich说。 这些系统采取5〃到8〃的方形薄膜,处理起来就像处理硬盘一样，以硬盘技术作为基础，然后蒸发系统处理铜铟硒化镓(CIGS)层。随后进行前接触层的应用，该系统是针对每小时生产600至1000块太阳能电池的产量而开发的。 “我们的实验室正在进行小型铜铟硒化镓光伏(CIGS)电池样品的试验; 4〃×4〃或6〃×6〃的电池产品正陆续推出。然而，当扩大到生产大型太阳能电池时，与之前在实验室的工作完全不同，CIGS电池在实验室已经取得的成果和实际生产的产品相比效率几乎下降了100％，”Djokovich说。“事实是，如果你有一些小型产品的技术研究，目标不应该是把它在体积上做大，干脆就让它保持小的形状但具有非常高的产量 — 每小时1000块，这是我们将要做的。” 把它带回家 ABB公司是众所周知的自动化和机器人专家，但其实它们也有一个太阳能部门，致力于为客户提供太阳能发电厂的建设。虽然这不是一个完全的光伏太阳能技术创新，但这无疑是创新家族中的重要成员。“我们生产一切与太阳能发电相关的设备，包括面板和集光器，” 业务发展部经理Rick L Ulam说。“即使是集光器，我们也加入了自动化控制系统和马达。”他补充说道。 根据GPS定位，ABB公司为客户计算出相应地点的辐照度，然后为客户设计并建设最好的太阳能发电厂。他们可以这样做是因为ABB公司并不依赖于任何一种类型的太阳能发电技术。 独特的整体自动化系统能够在早上打开，并在夜间关闭它们。这样持续工作20年，能够生产更多的电力。特殊情况下，自动化系统还能自动感知并启用额外的补充面板来进行发电作业。“我们从各个方面关注发电厂设备的可靠性。任何一个变极器出现故障，系统可以自动重设。我们的自动化系统会自动对工厂内的各个设备进行监测，如果不是严重的机器故障，系统将自动修复。这基本上就是一个‘智能工厂’。” Ulam说。 ABB公司目前拥有9个聚光太阳能发电（CSP）项目和6个光伏太阳能发电项目。“CSP是热能发电项目，在工厂中使用镜子来集中太阳光线,然后加热工作液。工作液通过一个热能转换器制造出蒸汽，蒸汽驱动涡轮产生电力。因此，我们可以从事CSP和直接光伏太阳能发电。”Ulam解释说。 关于作者：Joyce Laird常驻美国加州。十多年来，Laird一直为多家工业杂志撰稿，得益于她在半导体行业的背景，Laird对光伏行业发展的报道也得心应手。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/2/2010)