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太阳能电池的硅替代品

上次我开始谈论太阳能电池业务,以及考虑到这个行业的现状,新技术是否有任何现实的机会。这是一系列试图回答这个问题的博客中的第二篇。如果你讨厌连续剧,完整的分析可以在我的网站www.impattern.com上找到。让我们先来看看其他半导体的潜力。

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迈克尔pc瓦

上次我开始谈论太阳能电池业务,以及考虑到这个行业的现状,新技术是否有任何现实的机会。这是一系列试图回答这个问题的博客中的第二篇。如果你讨厌连续剧,完整的分析可以在我的网站上找到www.impattern.com.让我们先来看看其他半导体的潜力。

是什么限制了不同材料的转换效率?

太阳是一个热的黑体辐射源,被室温带隙半导体转换成电。任何能量大于带隙的光子都会产生一个电子空穴对,所以低于带隙的低能量光子不会产生电流,而高能光子不会产生比带隙光子更多的电流。这将最大转换限制在30%左右,如下所示。太阳的最佳带隙大约是1ev,而硅是一种最佳材料。

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太阳能光谱与www.pveducation.org单结带隙半导体的卷积

硅的替代品,如砷化镓、碲化镉和CIGS,都有大约1ev的带隙,都能提供相同的最大可能效率。

替代材料CdTe和CIGS是直接带隙半导体,因此在给定的厚度下比间接带隙硅具有更高的吸收。更高的吸收率意味着电池可以薄20倍,从而实现“薄膜太阳能电池”。薄电池使用较少的原材料,可以在大面积的基片上制作。薄膜光伏太阳能的挑战是如何在玻璃、塑料或金属薄膜上制造低缺陷晶体薄片;异质外延最困难的挑战。CdTe细胞是通过升华产生的。CIGS更奇特的是,它们是CuInSe和CuGaSe的二元固溶体,具有多种不同的沉积策略;最有效的是溅射或共蒸发。据报道,CIGS的效率差异很大,成本较低的生产技术产生的效率要低得多。

单晶砷化镓的效率最高,接近理论最大值,多晶硅为20%。当电池被组装到模块中时,还会有额外的损耗。IRENA总结的平均生产模块性能为:厚多晶硅14%,CdTe(9.5%)和CIGS(9%)。鉴于所有这些材料都有相同的理论最大值,差异是在内部效率,这是一个典型的依赖于外延和半导体生长过程的质量。挑战在于直接带隙必须与硅的生长质量相匹配。自从制造出晶体管以来,人们就一直在研究硅的生长,因此硅具有巨大的学习优势。

低效率的非硅材料意味着必须有一个比例更大的面积电池产生相同的能量。这已经被证明是家庭安装的主要障碍,但对大型发电工厂不是。同样的情况也适用于薄膜硅电池,因为它们吸收的光少,效率低得多,因此需要两倍的面积才能产生同样的能量。市场已经表明,即使价格低得多,薄膜硅也无法与之竞争。

到目前为止,没有一种单结替代品创造出比厚多晶硅电池有更好的内部效率的电池,当然也不意味着有任何超越成熟多晶硅技术的近期前景。

电池生产效率达到了什么水平?

查看已发表的设施容量和基板尺寸的数据,我估计;

多晶硅生产线移动0.15×0.15 m衬底,每小时移动1200衬底= 27m2。

第一个太阳能在1.2×0.6m的基材上加工CdTe,在60兆瓦的设施中,计算出100基材每小时= 30平方米每小时

德国CIGS工厂的运行功率为30mw =每小时15平方米。

非晶硅薄膜厂运行在75MW,生产2.2×2.2m玻璃在每小时30 = 154平方米每小时。

我的第一个观点是,由于效率上的劣势,非硅薄膜解决方案的成本结构和制造规模落后于多晶硅,这也解释了它们的竞争挑战。

每瓦特机会的模块成本是多少?

为了理解模块成本的机会,让我们考虑一个测试案例,松下正在马来西亚建设一个新工厂,耗资5.4亿美元,产能为每年300兆瓦,将需要1500名员工。计算每瓦特(0.40美元)和劳动(0.10美元)5年折旧的贡献很容易。2012年,多晶硅模块的总材料成本估计为0.69美元,模块总成本为1.2美元。

一个具有相同生产率、资本成本、劳动力成本和电池效率的薄膜模块工厂的硅成本可以忽略不计,而更高的衬底成本则抵消了模块0.95美元/W (- 20% polySi)的成本。以最高生产率运行的薄膜工厂将有6倍的高吞吐量,使折旧和劳动力组件可以忽略不计,净模块成本为0.55美元/W(-54%的polySi)。

在电池效率和原材料成本相同的情况下,薄膜的制造机会是将总模块成本减半。最新的多晶硅工厂需要2美元/瓦的资本投资才能以1美元/瓦的价格生产面板。看起来一个支持最高产量的薄膜工厂可以支持4-5美元/W的资本投资。

我的看法是,硅的替代品有一个显著的倾斜赤字需要克服,以接近效率平等,然后他们需要投资在生产率最高的制造能力。这两个步骤将带来真正的2倍成本优势。

我将我所有的太阳能博客合并在一篇论文中www.impattern.com


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2的评论

Vikranth Ganti 说:

嘿,迈克尔,
喜欢你那篇关于替代硅的文章。我拥有电子工程学位,来自印度。目前正在攻读我的MBA从顶级B学校(ISB世界第24位)。考虑到经济状况和这一流行病,我认为印度已经到了通过廉价能源改变的边缘。我很乐意与你联系并改进我的想法。

托尼 说:

VIKRANTH,
我是一名纪录片导演,跟踪印度在可再生能源方面的飞跃,那里有哪些公司在制造太阳能电池板,他们会使用这项技术?

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