蓄势待发|光伏电池核心辅材——“光伏靶材”

蓄势待发|光伏电池核心辅材——“光伏靶材”
2024年06月12日 17:15 云奇新材料

目前,薄膜太阳能电池在全球市场的份额大约为3%至4%,虽然与晶硅太阳能电池相比规模较小,但随着晶硅太阳能电池降本难度越来越大,光伏行业正迎来新一轮技术创新迭代周期。在这个过程中,以铜铟镓硒为代表的薄膜太阳能电池技术将获得更多的应用机会。

铜铟镓硒作为一种多元素半导体新型光伏材料,其物理性能优于硅、锗等传统的单质元素半导体,由此基于此类材料生产的电池产品具备高转换效率、稳定性以及较低的成本。在理论上,铜铟镓硒太阳能电池的潜在转换效率远超晶硅太阳能电池。具体而言,晶硅太阳能电池和铜铟镓硒太阳能电池在实验室条件下的最高转换效率分别为26.7%和23.4%,而量产组件转换效率分别为20%和16.5%。这表明,铜铟镓硒太阳能电池发展空间很大。

光伏领域对靶材的使用主要是薄膜电池、HJT光伏电池等。以HJT电池片为例,其结构中包含有TCO(透明导电氧化物)薄膜层,该层具有透光和导电的双重功能。通过应用物理气相沉积(PVD)技术,可以从靶材表面剥离离子和原子,在基底上形成透明导电薄膜。同样地,钙钛矿电池的结构也是由多层薄膜和玻璃等组成,其中ITO(氧化铟锡)薄膜的制备就需要使用到光伏靶材。

靶材的纯度和质量会直接影响膜层的质量。一般来说,靶材的纯度在4N-6N,其纯度和质量是决定薄膜导电性和透光率等关键性能的重要因素,这些性能进而会影响整个光伏组件的成本效益和能效。靶材的关键性能指标包括纯度、密度、晶粒尺寸及其分布、结晶取向以及结构的均匀性:

纯度:在制备过程中,气孔和杂质是主要的污染源。气孔的存在会降低薄膜的质量,杂质则会影响薄膜的纯度。因此,光伏靶材的纯度通常维持在4N至6N之间。

密度:靶材的密度越高,孔隙就越少,以此保障薄膜的性能。而高密度的靶材更能承受镀膜过程中产生的热应力。

晶体粒径及分布:溅射靶通常采用多晶结构,晶粒的大小对溅射速度有影响,即晶粒越小,溅射速度越快。此外,晶粒大小均匀分布可有效提高薄膜厚度的均匀性。

结晶取向:在溅射过程中,靶材原子倾向于沿着密排方向发生溅射。通过改变靶材的结晶结构,可以有效提高溅射速率。

结构均匀度:靶材在溅射平面方向和法线方向上的成分、晶粒取向以及平均晶粒度的均匀性都应保持一致,以确保薄膜的整体质量。

在薄膜太阳能电池生产中,常用的溅射靶材主要有铝靶、铜靶、钼靶、铬靶以及ITO靶和AZO靶(氧化铝锌)等。其中,ITO靶材是当前太阳能电池生产中使用最为广泛的溅射靶材之一。在薄膜电池的制造过程中,透明导电膜发挥着至关重要的作用,它既要保证良好的透光性,又要具备优异的导电性能。从ITO靶材的特性来看,氧化铟锡(ITO)属于N型半导体材料,拥有诸如高导电率、高可见光透过率、较强的机械硬度以及出色的化学稳定性等优点。因此,在光伏行业中,以ITO靶材为原料制备的ITO薄膜展现出了卓越的光学和电学性能。

全球靶材的研发和生产主要集中于霍尼韦尔、日矿金属、东曹等大厂,形成寡头垄断的市场格局。国内厂商正积极推动靶材的国产化进程,江丰电子、隆化科技、有研新材、阿石创等企业已取得较大进展。若2025年国内薄膜电池产品的类型结构开始与国际市场趋同,并且HJT电池与薄膜电池在国内和全球市场的渗透率逐渐接近,预计到2025年,中国太阳能电池靶材的市场规模将有望达到约38亿美元,从2020年到2025年的复合年增长率(CAGR)为58.2%。

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