快捷搜索:
您的位置:必发88手机版 > 必发88简介 > 半导体产业有助于绿色的太阳能制造,半导体巨头转战太阳能

半导体产业有助于绿色的太阳能制造,半导体巨头转战太阳能

2019-11-27 05:00

【据《新能源网》 2009年02月03日报道】 光伏制造业日渐成为一个重要的新兴产业,但它也面临着两个重大的挑战。首先,它必须要达到与传统发电每瓦成本相当的水平。其次,它必须确保自己维持一个“绿色”的生产制造方式,以便使太阳能给环境带来的好处不会被电池制造过程中产生的污染而抵消。

【据《21世纪经济报道》 2008年11月11日 报道】 “以太阳能为代表的清洁能源或许将成为全球半导体业下一个水草丰美的牧场。”10月28日,英特尔总裁兼首席执行官保罗·欧德宁在北京表示,这是因为太阳能产业可以说与半导体业同根同源,两者同样以晶体硅为原料,同样需要大规模精密制造。

近日,北京交通大学校园内的一幢楼成为很多人关注的“网红”,该楼的一组照片出现在很多网站首页醒目位置。在微信等社交媒体上,这组照片也广为传播。这幢一共10层的男生宿舍楼到底有什么引人瞩目的特别之处呢?答案就在该楼的外墙上:大楼向阳一侧的外墙上“爬满”了太阳能光伏面板,其数量之多、安装之密集让人惊叹。这就是该校推出的太阳能光伏示范项目,通过外墙分布式光伏和相关储能设备,既可以让该楼旧貌换新颜,又使宿舍楼这样传统上的能源消费中心变身为电能生产中心,静悄悄地完成了能源“身份”和“角色”的转换。

众所周知,传统的太阳能电池都是用漂亮但昂贵的硅晶体制成的,而最近,来自加利福尼亚大学和伯克利实验室的研究者们发现了一种可以用任何半导体材料制作太阳能电池的方法。这一研究成果很可能将打开廉价太阳能应用的大门。

从历史来看,太阳能电池制造主要基于半导体技术,但现在也逐渐融合了平板显示器制造技术,用以生产大型太阳能电池板。这给光伏制造商提供了一个极好的机会,可以汲取过去20年来在半导体和FPD产业的经验,降低生产成本以及对环境的影响。

就在当晚,欧德宁宣布投资2000万美金到中国薄膜太阳能研发制造和解决方案公司创益科技;此外,英特尔投资部(IntelCapital)与国内绿色储能系统生产企业汇能公司也签署了投资协定。

这场由太阳能光伏技术引发的能源革命不仅发生在大学校园等大型公共机构,而且已经渗透到中国的一些家庭。一批太阳能光伏的拥趸,特别是相关科研人员更是身体力行,率先在自己的家里实践清洁能源生产理想,上海电力研究所原所长赵春江就是其中的一位先行者。早在2006年,他就在自家屋顶建造了光伏电站,实际上这也是中国第一个“家庭光伏电站”。特别值得一提的是,赵春江的光伏电站不仅能完全满足全家使用,而且还实现了与国家电网并网,把余电输送出去。

市面上几乎所有的太阳能电池板都是这样制作的:从一大块硅晶上切下两片薄片(每片厚度约为200微米,即0.2毫米),再在上面涂上一层涂层来增强光伏效应(含磷物质和溴分别被用来制造N型和P型硅片)。然后将这两片硅片叠压在一起,上下接上电极,再在这一整套装置外包上保护性玻璃——看,一块标准太阳能电池就做好了。

纵观半导体产业的发展,与光伏制造商目前面临的情形类似,都受到来自成本和环境方面的压力。从成立伊始,消费需求和竞争压力就成为了提高运算能力和降低价格的无情动力。此外,虽然半导体行业最初被认为是相对清洁的,但它最终不得不承认并解决与水体污染和危险废物气体相关的重大问题,以及高耗水量和耗电量的问题。因此,通过改善设备生产力、能源使用效率、系统集成和废弃物管理,半导体产业在减少生产成本和降低对环境的影响上积累了相当多的专门知识。本文将讨论那些太阳能产业可以较容易采用的方法和技术,以解决所面临的类似挑战。

其时,全球半导体公司的股价已持续下跌多时,包括英特尔、AMD及NXP在内的半导体CEO们均忧心忡忡,他们普遍担心未来半导体可能面临更大困难,太阳能正是在此情况下获得了这些公司的集体青睐。

今天,当我们行进在中华大地上,不经意间会发现,太阳能光伏早已经成为我们生产和生活中常见的一部分,无论是荒漠戈壁还是江河湖滩,无论是高楼鳞次栉比的城市还是辽阔空旷的乡野,那一片片深蓝色的太阳能光伏面板都随处可见,它们是碧蓝的天宇下一道道亮丽的科技风景。

从理论上讲,你其实可以在任何半导体材料上涂上涂层来制作太阳能电池。但不幸的是,那些更便宜且更易获得的材料(如氧化铜)无法很好的保持表面的涂层,并最终会导致PN结的解体;硅片可以很好的保持表面涂层,但却非常昂贵。

“绿色”认定的要求

IBM于近日宣布将与日本半导体加工企业东京应用化学共同开发高效太阳能技术;上月初,惠普也将一项平板显示技术授权给加州的超能量(Xtreme Energetics)创业公司使用。

图片 1

为了解决这一问题,加利福尼亚的研究者们开发出了一种新型的太阳能电池,被称作"屏蔽加工场效应光伏电池(screening-engineered field-effect photovoltaics)",缩写为SFPV。与传统方法直接在材料上施敷涂层不同,这一新工艺使用微型电场来实现相同的效果。只要这个电场持续存在,PN结就可以一直保持,这块光伏电池也就会持续产生电能。维持这个电场所需的能量也明显小于光伏效应产生的能量。

太阳能行业从一开始就需要采取绿色的制造方式。这有几个原因:首先,作为替代能源之一,其主要的吸引力在于通过太阳能技术发出的电是无污染的。然而,如果事实是,制造太阳能电池板跟天然气或煤发电产生相当的污染,该行业就会有失去其大部分吸引力的危险——替代能源的竞争对手将会迅速利用这一弱点。在一些新兴的太阳能市场,关于气体减排和安全处理光伏制造副产品的问题已经出现,需要整个行业作为一个整体迅速解决这些问题。

“现在几乎每一家电子或半导体公司都在设法涉足太阳能。”英特尔投资新兴平台技术与环保科技部总监斯迪夫向记者透露。

将光能直接转化为电能

图片 2

在替代能源快速增长的欧洲市场,太阳能制造商已经面临严格的微粒、气体及水的排放法规。整个行业正越来越多地采用德国空气质量标准,并有可能成为太阳能电池制造实际上的全球标准(见《排放处理的选择和对环境的影响》一文)。在环保法规相对不严格的地区,制造商仍可选择提前遵循这些规定的要求,以避免产生长期成本,并降低负债的风险。对部分太阳能电池制造商来说,预计将来会受到环境法规管理,因此现在就遵循这些法规,避免由于新规定的要求而升级已有设备,从长期来看,实际上降低了成本。这样做,他们就一定比那些没有贯彻执行环境管理,直到被要求时才执行的竞争对手更加有利。

“除近期的经济危机外,还有很多原因,如过去的半导体业太依赖于尺寸缩小及硅片直径增大,以及规模化投资造成的局限等,这些导致的产业发展不平衡最终终于反映到了市场上。”欧德宁希望,太阳能可以成为摩尔定律能继续发挥的新领域。

传统化石能源消耗对环境造成的危害日益突出,世界各国都纷纷把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,实现可持续发展。而太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。据测算,太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,年发电量将是世界上能耗的40倍。

SFPV电池结构图。

但是,要获得广泛采用,太阳能行业不仅仅须要解决其环境问题;它还必须达到电网平价。这需要进一步削减太阳能电池制造的成本。在大多数情况下,清洁生产在降低营运成本方面可以发挥重大的作用——例如,减少能源和水的消耗。降低能耗对于能源基础设施相对薄弱的新兴国家特别重要,减少水的消耗在像中东这样的干旱地区非常重要,而中东极有潜力成为太阳能“农场”的位置。现在着手投资进行绿色制造,可以在财务和人力资源两方面帮助太阳能电池制造商避免潜在的污染和清理费用。否则这些潜在的费用对企业收益和品牌资产都可能造成长期的消极影响。

从“极小”到“极大”

光伏就是对太阳能利用的直接方式之一。由于光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差,这就是光生伏特效应。太阳光伏发电就是依据此原理,把将太阳光中的光子直接转化为光电流的一种能量转换技术。发电原理也决定了其不涉及机械部件,大部分是电子元件,主要构成器件是太阳能电池板、控制器和逆变器,具有低噪音、耐磨耐用等优点。

电场效应其实并不是什么新发现(工科男女都听说过场效应晶体管吧?),但将其应用在光伏电池中却是很新奇的想法。加州大学和伯克利实验室的研究者们遇到的主要障碍是:在这一方案中,半导体材料上方需要一层触点来产生电场,但很显然这层导体会挡住到达电池的阳光。他们提出的解决方案也并不复杂:要么使用一层很薄的导体,比如石墨(它是透明的),或者使用很多片狭窄的鳍状导体(如上图所示)。

随着太阳能市场的发展,太阳能电池生产过程中的能源消耗量将变得越来越重要。2008年6月份,市场调研机构iSuppli公司预测,到2010年将会有多达400个年产量超过1兆瓦光伏电池的太阳能电池生产线,与2007年相比增加了四倍。

事实上,不光是投资太阳能产业链中的创新型企业,在今年6月,英特尔就已经将原属英特尔新商业集团内部的太阳能电池部门剥离,组建了独立的SpectraWat太阳能电池板有限公司。

目前广泛应用的太阳能电池板主要采用单晶硅、多晶硅等半导体材料,利用半导体界面的光生伏特效应,将一个个小的太阳能电池进行串联,封装后组成大范围电池组合件,一块块的太阳能电池板可以构成光伏发电阵列,通过功率控制器就可以将太阳能转化成电能直接供家庭使用或者通过逆变器将产生的电能供给输电网。

那下一步呢?“这项研究为多种半导体材料(如许多金属氧化物、硫化物和磷化物)在光伏电池中的实际应用打开了大门。目前,我们正在试着为生产出廉价高效的太阳能电池寻找潜力最大的材料。”论文的主要作者威尔·里根(Will Regan)对科技博客Ars Technica说。

随着太阳能行业的发展,它将与其他行业竞争日益昂贵的能源资源。要达到同常规能源电网平价,整体上成为能源的贡献者,而不是能源的净消费者,那么它必须最大限度地减少用于制造太阳能电池板的能量。

斯迪夫表示,该公司由英特尔投资部注资5000万美元,并与高盛集团清洁能源和科技基金会旗下的Cogentrix Energy LLC、PCG清洁能源公司、Technology Fund以及德国太阳能电池模组厂商Solon AG合资成立,预计今年下半年开始兴建,2009年年中开始为太阳能模块制造商们生产和供应光电池。

对太阳能光伏发电的优势,已故中国光伏行业泰斗、上海交通大学教授崔容强教授曾将其总结提炼为4个方面:一是光伏发电是将光能直接转换成电能的能量转换技术,是一种直接的能量转化,不像水力发电、火力发电和风力发电等需要涡轮转动,光伏发电在发电过程中没有机械做工,故而损耗小;二是太阳能作为一种可再生能源,无枯竭危险,分布区域广、光照时间长且可再生,不需运输燃料,就地生产、就地消耗,是一种理想的能源;三是光伏发电在整个发电过程中,绿色安全,不会产生污染气体,也几乎没有噪音,是一种理想的发电技术;四是光伏发电设备相对简单,其安装和拆卸都很方便,运行中不需值守,很少需要维护,维护成本非常低。这些优势使得太阳能光伏技术成为各国竞相投入研发和取得突破的重点领域。

即使某种最佳的材料被找到,将其投入大规模生产也不是件容易的事:标准光伏电池是一个巨大的产业(主要在中国),而这些制造商们却没有生产这种新型太阳能电池的设备和技术。和已经在硅材料上投入上万亿美元的计算机芯片产业相比,光伏电池所面对的困难与挑战并没有那么大,但要转向新型的SFPV光伏电池,我们仍然需要做出很多努力。但这项新技术的确可以节约大量的生产成本,毫无疑问,谁能第一个采用这一技术生产出价格明显低于化石燃料的太阳能源,谁就会是未来市场上的赢家。

半导体行业已经尽力解决了许多太阳能工业现在所面临的污染问题。此外在从200mm过渡到300mm晶圆的过程中,半导体设备制造商克服了购置成本的问题。这与太阳能行业所面临的问题相仿,太阳能也正向下一代生产设备过渡。这两个行业面临着非常相似的挑战,在降低制造成本的同时,生产出更强大且更高效的产品。半导体和太阳能行业所使用的工艺和材料之间具有大量相似之处,这给太阳能电池制造商提供了一个绝佳的机会,使它可以将半导体制造业开发的子系统纳入其制造流程。

此外,英特尔还投资了高能效智能网格基础设施软件公司Grid Net,可以通过WiMAX技术提供智能电网解决方案。

1978年3月,在盛况空前的全国科学大会上,有一项科研成果获得重大科技成果奖,成为走进“科学春天”最先绽放的“迎春花”,这就是“NP结硅太阳电池”。彼时,这项科研成果还鲜为人知,而其应用对象则是运行在九天之上的中国实践一号卫星,这是中国自主研制的科学试验卫星系列首颗星,于1971年3月发射升空。为了克服性能衰减,给实践一号装配性能更优越的太阳能电池,中国科研人员进行了夙兴夜寐的苦战攻关,终于研发成功,使其在8年的寿命期内,功率衰降控制在设定范围。曾参与该项攻关的中国科学院院士、中国科学院半导体所研究员王占国不仅留下永恒的记忆,而且手上也留下攻关时被灼伤的疤痕。

对这项研究成果有兴趣的童鞋,可以戳 这里 阅读研究论文。

斯迪夫指出,英特尔将主要投资在促进绿色能源发展的三个领域,一是开发替代能源;第二是英特尔可以利用自身半导体技术,增强太阳能电池效率和减少电力成本上;第三是推动智能电网应用,英特尔可以利用芯片管理电能的使用。

“美国1957年左右拉出了首块硅单晶,中国1958年也研制出了首块硅单晶,随后,中科院物理所新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。”王占国对中国太阳能光伏技术在起跑阶段取得的成就充满自豪之情。在上世纪60年代中期,中国太阳能光伏电池研制水平与国际上相差不大,并且在相当长时间主要应用于空间领域。王占国介绍说,进入改革开放初期,中国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究,这类新型太阳能电池具有很高的光发射和光吸收系数,经过约20年潜心攻关,到1999年,使这类电池的转换效率大幅提升。从整体上而言,上世纪八九十年代,由于需求端牵引力不强等因素制约,中国太阳能光伏电池的研发工作进展并不快。就研发项目而言,比较大的是1986年国家计委在农村能源“1986—1990年第七个五年计划”中列出的太阳能电池专题,当时全国有6所大学和6个研究所进行晶体硅电池等的研究。

 

“迫于外部经济环境以及产业自身发展的压力,半导体业与清洁能源产业的相互渗透将迅速加深。”对此,半导体产业专家莫大康表示,IT业公司已经瞅准太阳能市场开始跑马圈地,此次英特尔向清洁能源领域跨入了一大步,而随着需求加大,太阳能产业的年均增速将达到30%-40%,还将需要更多英特尔、IBM、HP等不但熟悉半导体而且精通资本密集、高容量制造业的企业来促进产业发展。

在科研攻关的同时,中国太阳能光伏应用也逐步从空间领域拓展开来,随着在浙江宁波和河南开封等地成立太阳能电池厂,太阳能电池开始进入批量生产阶段。20世纪80年代末期,中国引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池的生产能力由原来的几百KW一下子提升到4.5MW。


“太阳能产品和半导体芯片,实际上就是晶体硅形态的两个极端,一个是追求极小极精密,一个是追求极大极扩张,未来必将有更多的领先半导体企业进入到太阳能领域。”上海交通大学太阳能研究所崔容强教授也持相同观点。

随着国家于2000年之后启动“送电到乡”“光明工程”等一系列项目的实施,随着光伏发电技术成熟、成本逐步降低、上网电价初步明确以及国家改善能源结构的需要日益增加,集中式光伏发电得到迅猛的发展。从2009年开始,我国启动了旨在促进光伏发电产业技术进步和规模化发展、培育战略性新兴产业的“金太阳示范工程”,带动了大型光伏电站和分布式光伏快速增长。之后,等接连出台,光伏产业迎来跨越式增长时期。2016年11月出台的提出,到2020年底,中国太阳能发电装机达到1.1亿千瓦以上。

 

10月底,我国台湾地区的光电大厂友达也宣布了将进军太阳能产业,并且拟在明年投资新台币50亿元布局太阳能电池。友达总经理陈来助认为,以目前全球经济大环境看,综合投资成本相比前两年要低得多;而且太阳能技术已逐步成熟,现在进入摊低成本阶段,“友达在液晶面板产业耕耘了10年,对技术资产双密集大型制造业有运营和市场经验,太阳能技术相对也较容易,面板厂进入的障碍不高。”

图片 3

本文编译自Extremtech: So long, silicon: Researchers create solar panels from cheap copper oxide

根据Gartner全球半导体业2007年的数据,半导体市场增长率仅3.2%,并预测今年受金融风暴影响,全年能维持3%增长已相当喜人;与之形成对比,未来5年单就太阳电池制造业,年增长率就将保持在100%-300%。

发力薄膜太阳能电池

作者: Alyson Shontell

“未来两年半导体行业的大部分领域增长都将放缓。”Gartner半导体行业首席分析师保罗·奥多诺万认为,金融危机对高科技业的影响显著,半导体业已经连续两年呈现低增长率,自身发展遭遇瓶颈,寻找像太阳能这样的创新型高增长市场的确迫在眉睫。

经过多年的发展,中国在太阳能电池硅材料生产、电池和组件生产、专用设备等方面取得很大进步。在王占国看来,这些突破和进步还是不够的,与国外最先进水平相比,仍然存在一些差距,主要表现在技术水平、产业和市场发展等方面。比如,无论是单晶硅还是多晶硅,其实验室效率都要比国外的来得要低一些。在太阳能电池制造设备方面,王占国认为要加强自主研发力度,实现进口设备的国产替代,一方面可以节省资金,进一步降低终端成本;另一方面,可以避免受制于人,实现技术自立。

中国市场5年启动

在科研方面,中国太阳能光伏领域在目前阶段具备更雄厚的基础条件,应该瞄准最前沿领域。薄膜太阳能电池是太阳能光伏发电领域研究的重要方向,该类电池放弃或大幅减少对晶硅体材料的使用,直接采用薄膜,具有安全、可折叠、方便连接、轻巧、抗热性能好、不易破损等特点和优点,适应了太阳能电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要。中国科学界和产业界要携手合作,争取尽快把薄膜非晶硅太阳能电池的转换效率提高到新水平,率先真正实现薄膜太阳能电池的低成本、大面积、高效率使用。

“目前,电池板生产成本和供应的束缚一直阻碍着太阳能产业发展。”斯迪夫表示,随着越来越多半导体企业进入太阳能市场,在太阳能电池总价中占比高达56.16%的多晶硅价格,有望在2010年后降至100美元左右,这将使得太阳能中下游企业的成本大幅降低;此外,半导体企业将提高硅片切割的技术和光电转化效率,并提升产业的合格品率,这也将很大程度上降低太阳能电池的成本。

iSuppli的相关预测显示,随着半导体企业的大规模进入,太阳能发电系统的成本将由目前的6美元/Wp(Wp代表太阳能电池的峰值功率)降为2012年的4美元/Wp,因此预测在未来的3-5年,太阳能发电的成本有望降低到1元/度;与此同时,随着传统能源价格上涨,传统发电方式成本会持续增加,这些都为太阳能市场的大幅启动提供了有力保障。

“目前,我国太阳能产能仅次于日本和德国,居全球第三,但90%以上的太阳能电池组件和系统销往国外,其中德国安装的太阳能发电设备,90%为中国制造。”崔容强指出,我国的太阳能产业已出现了典型的产业与市场倒挂现象,而我国目前的太阳能发电仅限于边远无电地区和大城市里的一些示范工程;究其原因,一是目前太阳能发电成本较传统方式高昂,尚不具备大幅应用的条件;二是国内缺少对于太阳能产业强有力的政策支持。

不过,近日温家宝总理在广东调研时已明确强调,太阳能电池是可再生能源、清洁能源发展的重要载体,也是我国电力工业、能源工业的重要方向。

“在国家出台太阳能产业发展扶持政策和太阳能发电成本大幅下降的基础上,我国太阳能市场有望在2012年启动。”崔容强表示,中国市场的开启必将极大地促进全球太阳能产业的发展,这也是全球半导体企业争相投资太阳能产业链、竞相布局中国太阳能市场的主要原因之一。

本文由必发88手机版发布于必发88简介,转载请注明出处:半导体产业有助于绿色的太阳能制造,半导体巨头转战太阳能

关键词: