太阳电池发展趋势1

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1、1,太阳电池发展趋势,赵玉文,2,提纲 1. 引言：原理，简史，分类 2. 晶硅电池的技术发展 2.1 晶硅电池的各种新技术 2.2 向高效化方向发展 2.3 向薄片化方向发展 3. 薄膜太阳电池 3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池) 3.4 有机电池 4. 太阳电池的未来发展趋势,3,引言： 基本原理,4,简史(世界) 1839年-法国Becquerel报道在光照电极插入电 解质的系统中产生光伏效应光电化学系统； 1876年英国W. G. Adams发现晶体硒在光照下 能产生电流固体光伏现象； 1884年，美国人Charles

2、 Fritts 制造成第一个 1硒电池； 1954年贝尔实验室G. Pearson 和D. Charpin研 制成功6 的第一个有实用价值的硅太阳电池；,5,纽约时报把这一突破性的成果称为“ 最 终导 致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代 的开始。” 现代太阳电池的先驱； 1958年硅太阳电池第一次在空间应用； 20世纪60年代初，空间电池的设计趋于稳定， 70年代在空间开始大量应用，地面应用开始， 70年代末地面用太阳电池的生产量已经大大 超过空间电池。,6,（我国) 1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生 1971年3月太阳电池首次应用于我国第二颗 人造卫星实践1号上； 1973年太阳

3、电池首次应用于浮标灯上； 1979年开始用半导体工业废次单晶、半导体 器件工艺生产单晶硅电池； 80“年代中后期引进国外关键设备或成套生产 线我国太阳电池制造产业初步形成。,7,分类 1.技术成熟程度： 1) 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅， 2) 薄膜电池： a-Si，CIGS，CdTe，球形电池， 多晶硅薄膜， Grtzel，有机电池，。 3) 新型概念电池：量子点、量子阱电池， 迭层(带隙递变)电池，中间带电池， 杂质带电池，上、下转换器电池， a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)， 偶极子天线电池，热载流子电池， (也有人称第三代电池),8,2.材料；硅基电池：单晶硅，多晶硅， 微晶(

4、纳晶)，非晶硅， 化合物半导体电池：CdTe, CIGS, GaAs ，InP.。 有机电池， Grtzel 电池(光化学电池) 3. 波段范围：太阳光伏电池 热光伏电池,9,4.光子吸收带隙理论： 单带隙电池(常规电池) 中间带隙(或亚带隙，或杂质带)电池， 带隙递变迭层电池， 上、下转换器电池 偶极子天线电池， a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)电池， 量子点、量子阱电池， 热载流子电池，。,第 三 代 电 池,10,2. 晶硅电池的技术发展 2.1 晶硅电池的各种技术发展 2.2 向高效化方向发展 2.3 向薄片化方向发展,11,2.1 晶硅电池的技术发展 单晶硅电池在70年代初引

5、入地面应用。在石油危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术 1). 钝化技术：热氧化SiO2钝化，氢钝化， PECVDSiN工艺钝化(多晶 硅)，a-Si钝化等 2). 陷光技术： 表面织构化技术，减反射技术,12,3) 背表面场(BSF)技术 4).表面织构化(绒面)技术, 5).异质结太阳电池技术: 如SnO2/Si, In203/Si, ITO/Si等 6). MIS电池 7). MINP电池 8). 聚光电池 ,13,2.2 向高效化方向发展 1)单晶硅高效电池： 斯坦福大学的背面点接触电池： 22 特点：正负电极在同一面，没有栅线

6、阴影损失,14,新新南威尔士大学的PERL电池 24.7%,15,Fraunhofer研究所LBSC电池： 23%,16,北京太阳能研究所高效电池 19.8%,17,单晶硅电池的效率进展,18,激光刻槽埋栅电池,新新南威尔士大学,北京太阳能研究所, 19.8%, 18.6%,19,商业化单晶硅电池组件,20,商业化单晶硅电池组件Sanyo aSi/c-Si电池,（实验室最好效率： 20.7%，面积125125）,21,2).多晶硅高效电池,多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料， 能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方 型硅锭，240kg, 400kg, 制造过程简单、省电、节约硅材料， 因此具有

7、更大降低成本的潜力。,22,但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多 晶界存在，电池效率比单晶硅低； 晶向不一致，表面织构化困难。,23,乔治亚(Geogia)工大 采用磷吸杂和双层减 反射膜技术，使电池的效率达到18.6； 新南威尔士大学采用类似PERL电池技术， 使电池的效率19.8 Fraunhofer研究所 20.3%世界记录 Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化 使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7.,24,商业化多晶硅电池组件Kyocera电池,25,其中PECVDSiN钝化技术对商业化多晶硅 电池的效率提高起到了关键性的作用。 目前商业化多晶硅电池的效率13

8、16,26,2.3 晶硅太阳电池向薄片化方向发展 1) 硅片减薄 硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。 硅间接半导体，理论上100m可以吸收 全部太阳光。电池制造工艺硅片厚度下 限150 m。 降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要 技术方向之一。,27,太阳电池向薄片化方向发展,28,Sharp单晶硅组件,29,Ultrathin Multicrystalline Si High Efficiency Solar Cells Fraunhofer- 20.3%世界记录,30,硅片厚度的发展： 70年代450500 m， 80年代400450m。 90年代350400 m。 目前 260300

9、m。 2010年 200260 m。 2020年 100200 m。,31,2) 带硅技术 直接拉制硅片免去切片损失 (内园切割，刀锋损失300400 m。 线锯切割，刀锋损失200 m)。 过去几十年里开发过多种生长 带硅 或片状硅技术,32, EFG带硅技术 采用石墨模具电池效率1315。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于RWE (ASE)公司所有。,33,34,蹼状带硅技术。 在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好,但其生长速度相对较慢。,35,Astro

10、power的多晶带硅制造技术。 该技术基于液相外延工艺，衬底为可以重复使用的廉价陶瓷。实验室太阳电池效率达到 15.6，该技术实现了小规模的商业化生产。,36,3. 薄膜太阳电池 3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池) 3.4 有机电池,37,3.1 硅基薄膜太阳电池 1)非晶硅(a-Si)太阳电池 a-Si 是Si-H(约10)的一种合金。 1976年RCA实验室D.Carlson和 C.Wronski,38,优点： 资源丰富，环境安全； 光的吸收系数高，活性层只需要1m 厚，省材料； 沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、 不锈钢和

11、塑料膜上等。 电池/组件一次完成，生产程序简单。 缺点： 效率低 不稳定 光衰减(S-W效应)。,39,40,41,42,实验室效率： 初始 稳定 单结： 12 68 双结： 13 10 三结： 15.2% 13 商业化电池效率： 单结： 34 双结： 6 三结： 7 8,43,我国非晶硅电池研究在上世纪80年代中期形成了高潮，30多个研究组从事研究。实验室初始效率810； 80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国Chrona公司引进了1MW生产能力的单结非晶硅生产线，稳定效率34之间。 自90年代后有较大收缩。 2000年，以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池研究被列入国家“973”项目，我国

12、非晶硅电池的又进入一个新的研究阶段。目前双结初始实验室效率810，稳定效率 8?,44,2) 多晶硅薄膜电池 高温技术路线以RTCVD为代表 优点；薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易 作出高效率电池， 缺点：工艺温度高1000，衬底难解决。 衬底材料：陶瓷，石墨，硅片。,45,Fraunhofer研究所SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，RTCVDZMR，效率分别达到9.3和11。 RTCVDZMR non-active Si substrate =15.12% (北太所) modelling ceramic substrate =10.21% (北太所) Particle ribb

13、on Si =8.25% (广州能源所北太所),46, 低温技术路线以PECVD为代表 优点：工艺温度低，200300， 衬底容易获得：玻璃，不锈钢等； 缺点：薄膜质量低，晶粒小，纳米极。 日本Kaneka公司PECVD玻璃衬底 pin结构的多晶硅薄膜电池，效率10； 南开大学结合“ 973” 项目PECVD 实验室小面积电池正在研制(6%)。,47,澳大利亚Pacific Solar 公司PECVD玻璃衬底迭层多晶硅薄膜电池，效率6。,(1)玻璃衬底，(2)多层薄膜，(3)第一次电极刻槽 (4)第二次电极刻槽，(5)金属化,48,硅球太阳电池。 这种电池是由在铝箔上形成连续排列的硅球所组成的

14、，硅球的平均直径为1.2mm，每个小球均有p-n结，小球在铝箔上形成并联结构。实验室效率达到10%。 硅球电池在技术上有一定的特色，但规模化生产仍存在许多技术障碍。,49,3.2化合物半导体薄膜电池 GaAs, CdTe, CuInGaSe等的禁带宽度在11.5eV,与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。 GaAs电池主要用于空间，CdTe 和CIS电池被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。,50,1) CdTe电池 CdTeII-VI族化合

15、物，Eg1.5eV, 理论 效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。 工艺和技术近空间升华(CSS),电沉积，溅 射、真空蒸发，丝网印刷等； 实验室电池效率16.4%； 商业化电池效率平均810； CdTe电池90年代初实现了规模化化生产， 2002年市场份额为0.3。,51,我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。 内蒙古大学蒸发技术 北太所电沉积技术，1983年效率5.8%。 90年代后期四川大学近空间升华， “ 十五 ”期间，列入国家“ 863”重点项目， 并要求建立0.5兆瓦/年的中试生产线。 电池效率达到 13.38。,52,2) CIGS电池 CIGS是-族三元化合物半导体， 带隙1.04eV。 70年代中后期波音公司真空蒸发， 电池效率达到9； 80年代开始，ARCO Solar 公司处领先地位； 90年代后期，NREL保持世界记录，19.5%； 90年代初起，许多公司致力实现商业化生产 该电池目前处在兆瓦级中试生产阶段， ARCO Solar Simens Shell