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光伏TCO镀膜玻璃的应用技术分析

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/9/8 10:32:03   

  所属频道:  太阳能    关键词:  光伏 镀膜玻璃 电池

  TCO(Transparentconductingoxide)玻璃,即透明导电氧化物镀膜玻璃,是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜,主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。
  
  TCO玻璃首先被应用于平板显示器中,现在ITO类型的导电玻璃仍是平板显示器行业的主流玻璃电极产品。近几年,晶体硅价格的上涨极大地推动了薄膜太阳能电池的发展,目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10%,光伏用TCO玻璃作为电池前电极的必要构件,市场需求迅速增长,成为了一个炙手可热的高科技镀膜玻璃产品。
  
  TCO镀膜玻璃的特性及种类
  
  在太阳能电池中,晶体硅片类电池的电极是焊接在硅片表面的导线,前盖板玻璃仅需达到高透光率就可以了。薄膜太阳能电池是在玻璃表面的导电薄膜上镀制p-i-n半导体膜,再镀制背电极。
  
  透明导电氧化物的镀膜原料和工艺很多,通过科学研究进行不断的筛选,目前主要有以下三种TCO玻璃与光伏电池的性能要求相匹配。
  
  ITO镀膜玻璃是一种非常成熟的产品,具有透过率高,膜层牢固,导电性好等特点,初期曾应用于光伏电池的前电极。但随着光吸收性能要求的提高,TCO玻璃必须具备提高光散射的能力,而ITO镀膜很难做到这一点,并且激光刻蚀性能也较差。铟为稀有元素,在自然界中贮存量少,价格较高。ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定,因此目前ITO镀膜已非光伏电池主流的电极玻璃。
  
  SnO2镀膜也简称FTO,目前主要是用于生产建筑用Low-E玻璃。其导电性能比ITO略差,但具有成本相对较低,激光刻蚀容易,光学性能适宜等优点。通过对普通Low-E的生产技术进行升级改进,制造出了导电性比普通Low-E好,并且带有雾度的产品。利用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜光伏电池的主流产品。
  
  氧化锌基薄膜的研究进展迅速,材料性能已可与ITO相比拟,结构为六方纤锌矿型。其中铝掺杂的氧化锌薄膜研究较为广泛,它的突出优势是原料易得,制造成本低廉,无毒,易于实现掺杂,且在等离子体中稳定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO产品。目前主要存在的问题是工业化大面积镀膜时的技术问题。
  
  光伏电池对TCO镀膜玻璃的性能要求
  
  1.光谱透过率
  
  为了能够充分地利用太阳光,TCO镀膜玻璃一定要保持相对较高的透过率。目前,产量最多的薄膜电池是双结非晶硅电池,并且已经开始向非晶/微晶复合电池转化。因此,非晶/微晶复合叠层能够吸收利用更多的太阳光,提高转换效率,即将成为薄膜电池的主流产品。
  
  2.导电性能
  
  TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素,使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素被称为杂质,掺杂后的半导体称为杂质半导体。氧化铟锡(ITO)透明导电玻璃就是将锡元素掺入到氧化铟中,提高导电率,它的导电性能在目前是最好的,最低电阻率达10-5Ωcm量级。
  
  3.雾度
  
  为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力,光伏用TCO玻璃需要提高对透射光的散射能力,这一能力用雾度(Haze)来表示。雾度即为透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊的外观。以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。
  
  一般情况下,普通镀膜玻璃要求膜层表面越光滑越好,雾度越小越好,但光伏用TCO玻璃则要求有一定的光散射能力。目前,雾度控制比较好的商业化TCO玻璃是AFG的PV-TCO玻璃,雾度值一般为11%~15%。其不包含散射时的直接透过率曲线。
  
  4.激光刻蚀性能
  
  薄膜电池在制作过程中,需要将表面划分成多个长条状的电池组,这些电池组被串联起来用以提高输出能效。因此,TCO玻璃在镀半导体膜之前,必须要对表面的导电膜进行刻划,被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层,以保持绝缘。刻蚀方法目前有化学刻蚀和激光刻蚀两种,但由于刻蚀的线条要求很细,一般为几十微米的宽度,而激光刻蚀具有沟槽均匀,剔除干净,生产效率快的特点。
  
  5.耐候性与耐久性
  
  TCO镀膜一般都使用“硬膜”镀制工艺,膜层具有良好的耐磨性、耐酸碱性。光伏电池在安装上以后,尤其是光伏一体化建筑安装在房顶和幕墙上时,不适宜进行经常性的维修与更换,这就要求光伏电池具有良好的耐久性,目前,行业内通用的保质期是二十年以上。因此,TCO玻璃的保质期也必须达到二十年以上。
  
  光伏用TCO玻璃的发展前景
  
  当光伏产业以连续五年近40%的速度向前发展时,主流产品晶体硅太阳能电池的上游原材料多晶硅的供给出现了空前的紧缺。多晶硅价格从2003年的24美元/公斤上涨到目前现货价格超过300美元/公斤。与晶体硅太阳能电池相比,薄膜太阳能电池具有弱光应用性强及形状可塑性强等特点,晶体硅价格的上涨无形中推动了薄膜太阳能电池的发展,目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10%,伴随着多晶硅价格的走高,薄膜太阳能电池的发展有望进一步加速。
  
  2006年世界薄膜太阳能电池的统计生产量为190兆瓦左右,2007年在多晶硅原料价格上涨导致生产量不足的情况下,薄膜电池的产能得到了迅速扩张,产量达到了350兆瓦。我国的薄膜电池主要为非晶硅薄膜电池,2007年的产量约为29兆瓦。
  
  由于薄膜电池的转化效率各不相同,我们以主流的非晶硅为计算依据,折合每平方米的电池标称功率为50瓦,也就是说,每50瓦的电池将使用1平方米的TCO玻璃。据此可以计算出,2007年世界上光伏产业对TCO玻璃的需求为700万平方米。这一数字看似不大,但正是由于TCO玻璃生产技术的高端性,导致目前世界上的主要供应商仅有两家。随着太阳能电池产业超过50%的年增长率,产品已经开始供不应求。每平方米售价达到了20美元以上。
  
  根据权威预测,薄膜太阳能电池将继续保持高速增长,到2010年将达到每年4000万平方米的需用量。目前,多家厂商和研究机构正在进行TCO玻璃产业化的过程,产量将会不断扩大,高性能的新型产品也将不断推出。
  
  可以看出,正是由于薄膜太阳能电池的飞速发展,使目前光伏用TCO玻璃市场变得非常紧俏。在导电玻璃的领域中,光伏TCO玻璃有着独特的性能要求,这些特性指标与太阳能电池的输出特性密切相关。可以说,薄膜太阳能电池的发展将在一定程度上依赖于光伏TCO的改进程度。能源的紧缺促进了光伏产业的发展,也必将推动光伏TCO玻璃产品成为玻璃行业中一颗璀璨的新星。
  
  

来源:电力网
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