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1、20100331，西安晶体硅电池技术发展现状与趋势1晶体硅电池技术发展现状与趋势课件提纲提纲1、引言2、太阳电池的基本原理及分类3、晶硅电池的技术发展4、晶硅电池的发展趋势5、结语2晶体硅电池技术发展现状与趋势课件1 1、引言、引言 自1954年有使用意义的6单晶硅电池诞生以来，晶体硅电池在技术、产业和市场发展中一直占据着主导地位，而且在今后相当长的时间内仍将继续发挥其主导地位。因此了解晶体硅电池技术的发展把握今后光伏产业发展趋势有重要意义。3晶体硅电池技术发展现状与趋势课件42 、 太阳电池的基本原理及分类太阳电池的基本原理及分类 1）基本原理）基本原理太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应
2、原理直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。p型半导体及-n型半导体p-n结的形成电子空穴对的产生光生载流子光伏效应光生电压4晶体硅电池技术发展现状与趋势课件硅中掺磷形成 n n 型半导体硅中掺硼形成 P P 型半导体p-n结的形成5晶体硅电池技术发展现状与趋势课件6光生载流子的产生光生电压的产生6晶体硅电池技术发展现状与趋势课件在阳光照射下太阳电池输出电能7晶体硅电池技术发展现状与趋势课件82） 太阳电池分类太阳电池分类晶硅电池：单晶硅，多晶硅，带硅，球形电池等；(第一代电池实验室)薄膜电池：a-Si，a-Si/c-Si,poly-Si,CIGS，Cd
3、Te，GaAs，等；（第二代电池实验室）其他：Grtzel（光电化学电池），有机电池。新型概念电池：多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带，量子点）电池，上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，下转换器（高能光子分解成低能光子）热载流子电池等。(第三代电池实验室)8晶体硅电池技术发展现状与趋势课件9电池光电化学电池其他新概念电池（第三代电池？）染料敏化电池（如有机电池等）多结电池（太阳光谱多级利用）光子的分离（下转换）和合并（上转换）中间带或杂质带电池1156323结概念证明阶段电池晶硅电池薄膜电池（第二代电池？）太阳级硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(带硅)多晶a-Si，c-SiPE
4、CVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层单晶多晶%24.716-2020.313-161713-1613158-101516.51019.510-123925-28产业化产业化部分产业化实验室产业化产业化聚光示范9晶体硅电池技术发展现状与趋势课件3 3） ） 晶硅晶硅电池池发展展简史史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单晶硅太阳电池。这一突破性的成果为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的新时代的开始”，是划时代的里程碑，为现代太阳电池的先驱。19541954年美国年美国贝尔实验室室晶体硅电池技术发展现状与趋势课件1958年晶硅电
5、池首次在空间应用(美国先锋I号)；1959年美国HoffmanElectronics的晶硅电池效率突破10；60年代初西门子法制备多晶硅金属实现产业化，为太阳电池的地面大量应用奠定了材料基础；70年代初在地面得到应用，70年代末地面太阳电池产量已远超过空间电池。1985年澳大利亚新南威尔士大学的硅太阳电池效率突破20%，1998年达到24.7(25）;2004年德国实施修正的上网电价法，拉动世界光伏产业高速发展。11晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（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年太阳电池首次应用于浮标灯上
6、；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。12晶体硅电池技术发展现状与趋势课件3.3.晶硅电池的技术发展晶硅电池的技术发展 自上世纪60 年代以来，在晶硅电池的发展过程 中解决了许多关键科学和技术问题，使晶硅电 池效率不断提高，实验室最好效率达到理论效率 的85，产业化电池效率达到理论效率的50 70，对降低光伏发电成本起到关键作用。 13晶体硅电池技术发展现状与趋势课件各种太阳电池效率记录的发展其中蓝色为晶硅电池14晶体硅电池技术发展现状与趋势课件晶硅电池效率记录的发展15晶体硅电池技术发展现
7、状与趋势课件1 1）提高电池效率的核心技术）提高电池效率的核心技术 太阳电池效率的损失机理太阳电池效率的损失机理 波段损失：硅的带隙Eg=1.12eV,对应波长1.1m， 大于1.1m的光无用； 过剩能量损失：1.1m以下的能量大于Eg，但一 个光子只能产生一个电子，过剩能量浪费掉了。 硅表面反射损失；裸硅表面反射率36%； 二极管非线性损失，复合损失，电阻损失等。 本质上分光学损失和电学损失：把光学损失和电 学损失降低到最小是迄今为止提高电池效率的所 有努力都集中在这两方面。晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（1） 减少光学损失以提高电池效率减少光学损失以提高电池效率陷光理论及技术裸硅表面反射
8、率36，减少光的反射损失是提高电池效率的最重要的措施之一。最佳减反射的表面织构化技术；最佳前表面减反射涂层技术；最佳后表面反射涂层；最小的栅线遮挡。17晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（2 2）减少电学损失以提高电池效率）减少电学损失以提高电池效率 最完美的晶体结构（高纯度，零缺陷）； 理想 p-n 结技术:最佳扩散-SE技术 理想钝化技术： 钝化理论：使器件表面或体内晶界的光 生载流子复合中心失去复合活性 钝化技术：SiO2，SiNX，SiC，a-Si，H等； 最小接触电阻、最大并联电阻； 最佳前场和背场。 18晶体硅电池技术发展现状与趋势课件2）在提高效率方面的努力和案例）在提高效率方面的
9、努力和案例（1）高效单晶硅电池）高效单晶硅电池背接触电池：Sunpower（Stamford）传统SunPower电池采用光刻工艺，23%。采用丝网印刷工艺代替光刻的降低成本，电池效率达到20%.19晶体硅电池技术发展现状与趋势课件电池结构商业化单晶硅电池组件背接触电池（Sunpower）20晶体硅电池技术发展现状与趋势课件LFC-PERC电池（激光打点接触发射区与背面钝化电池（UNSW）Fraunhofer研究所23%21.6%光刻工艺激光打点工艺21晶体硅电池技术发展现状与趋势课件新南威尔士大学PERL电池24.7%北京太阳能研究所高效电池19.8%22晶体硅电池技术发展现状与趋势课件一种
10、n型衬底高效电池结构23晶体硅电池技术发展现状与趋势课件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%24晶体硅电池技术发展现状与趋势课件Sanyo HIT solar cell(a-Si/nc-Si)(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)a-Si 层卓越钝化性能 n型衬底优 越性实验室最好效率：21.5% 商业化电池效率；19.5ntypentypec-Sic-Si(textured)(textured)p/ia-Sii/na-Si00.20.40.60.801234Current (A)5Output (W)1.00123
11、45AM-1.5, 100mW/cm2, 25Cell size : 100.3cm2Measurement in AIST712 mV3.837 AEff. FF 78.7 %Isc21.5 %Voc25晶体硅电池技术发展现状与趋势课件Time7911131517Relative OutputTemperature (oC)1.00.530507040608.8%UPCell Temp.HITP/N diffusionHIT(-0.33%/oC)P/N diffusion(-0.45%/oC)Normalized Efficiency0.80.70.60.91.030406080Temper
12、ature (oC)Smaller temperature coefficient26晶体硅电池技术发展现状与趋势课件27晶体硅电池技术发展现状与趋势课件28德国ISFH的OECO电池20%OECO(倾斜蒸发金属接触)电池特点:机械织构化+侧面栅线倾斜蒸发金属接触R.Hezel,R.MeyerandJ.W.Mueller,19thEuropeanPVSEC,Paris,28晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（2）多晶硅高效电池）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,800kg制造过程简单、省电、节约硅材料，因此具
13、有更大降低成本的潜力。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。29晶体硅电池技术发展现状与趋势课件乔治亚(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19.8Fraunhofer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17.7.30晶体硅电池技术发展现状与趋势课件多晶硅高效电池Fraunhofer- 20.3%31晶体硅电池技术发展现状与趋势课件Emitterresistance：90o
14、hm/sqCellthickness：260mCellsize：15cm15.5cmKyocera商业化大面积多晶硅电池， 17.7%“d.Blue”cell1.RIEtexturedsurface2.SiNprocess3.Shallowemitter4.Griddesign5.Contactmetallization 关键技术32晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（3） 向薄片化方向发展向薄片化方向发展1） 硅片减薄硅片减薄硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。硅是间接半导体，理论上100m可以吸收大部分太阳光。通过陷光措施，30m可以吸收几乎全部太阳光。10年内可实现单晶硅120m，多晶硅1
15、50m。未来可能更簿。降低硅片厚度是降低成本的重要技术之一。33晶体硅电池技术发展现状与趋势课件电池硅片厚度的发展：70年代450500m，80年代400450m。90年代320400m。目前180m。2010年150180m。2020年80120m。34晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（2） 带硅技术带硅技术直接拉制硅片免去切片损失(内园切割，刀锋损失300400m。线锯切割，刀缝损失140160m)。过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术35晶体硅电池技术发展现状与趋势课件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。
16、36晶体硅电池技术发展现状与趋势课件EDG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长出一层如蹼状的薄片。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。EDG带硅是硅带中质量最好的一种,但其生长速度相对较慢。以Evergreen和EBARA为代表。37晶体硅电池技术发展现状与趋势课件利用剥离技术制薄硅片或者薄电池38晶体硅电池技术发展现状与趋势课件在衬底上生长带硅Astropower的多晶带硅制造技术。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，该技术曾经实现了中试生产。39晶体硅电池技术发展现状与趋势课件402.5几种新型晶硅电池1）细裂片(SLIVER)单晶
17、硅电池从12mm厚的硅片上利用激光等技术切成50m100mm（12）mm细硅裂片：两侧边制作p-n结;电池效率： 19%，组件效率： 13-18%组件反射镜pn电池40晶体硅电池技术发展现状与趋势课件410.1mm2mm100mmIlluminationIllumination1,000 completed solar cells, Cuts41晶体硅电池技术发展现状与趋势课件42PressureSchematicoffabricationofsphericalSiCrucibleMoltenSiSphericalSi滴漏法制造硅球2）球型硅太阳电池反射镜和n-电极硅球电池n层P型绝缘层p电极
18、1mm反射镜和n-电极这种电池是在铝箔上形成连续排列的硅球所组成的，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%。42晶体硅电池技术发展现状与趋势课件43典型典型的商业化的商业化晶硅太阳电池结构示意图晶硅太阳电池结构示意图(4)(4)常规商业化常规商业化晶硅太阳电池晶硅太阳电池技术技术 减少光学损失：表面织构化，减反射涂层减少光学损失：表面织构化，减反射涂层减少光学损失：表面织构化，减反射涂层减少光学损失：表面织构化，减反射涂层 细删线，。细删线，。细删线，。细删线，。 减少电学损失：最佳扩散，钝化，减少电学损失：最佳扩散，钝化，减少电学损失
19、：最佳扩散，钝化，减少电学损失：最佳扩散，钝化，SE,SE,SE,SE,最佳接触，最佳接触，最佳接触，最佳接触， ， 。晶体硅电池技术发展现状与趋势课件4444工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术44晶体硅电池技术发展现状与趋势课件45晶硅电池组件成本下降路线图与关键技术（组件效率从14.5%开始）45晶体硅电池技术发展现状与趋势课件4 4、 、晶硅晶硅电池的池的发展展趋势（1）晶硅电池的技术优势）晶硅电池的技术优势硅是地球上丰度第二大元素（25.8）；资源丰富(以石英砂形式存在)；环境友好；电池效率高，性能稳定；技术基础雄厚(光伏硅材料和硅器件技术基础，半导体硅材料及硅器件的技术背景,)，工
20、艺相对成熟。46晶体硅电池技术发展现状与趋势课件电池效率随结晶完美程度的降低而降低；材料缺陷所带来的效率损失要通过复杂工艺弥补。47晶体硅电池技术发展现状与趋势课件2002200220092009世界太阳世界太阳电电池池产产量的增加情况量的增加情况20092009年年为为估估计值计值（ （2 2）晶硅）晶硅电池目前的主池目前的主导地位地位晶体硅电池技术发展现状与趋势课件49# #20092009年薄膜电池总量为估计值年薄膜电池总量为估计值20012009年薄膜太阳能电池产量，单位：年薄膜太阳能电池产量，单位：MWp年份年份20012001 200220022002003 32004200420
21、05200520062006200720072008200820092009晶硅晶硅电电池池338338507507704704113611361686168623712371365036507005700589008900薄膜薄膜电电池池363630304343656510710719119135035089589516001600薄膜薄膜9.69.65.595.595.755.755.415.415.975.977.467.468.758.7511.311.315.215.2总计总计3743745375377477471201120117931793256225624000400079007900105001050049晶体硅电池技术发展现状与趋势课件（ （3 3）未来前景）未来前景目前成本：2010年世界晶硅光伏组件平均成本约1.0$/Wp甚至更低;未来成本：预测和实践都将证明，晶硅电池组件可以下降到0.61$/Mp。这样的成本可以导致光伏发电成本与常规发电成本相等甚至以下。50晶体硅电池技术发展现状与趋势课件5 5、结语、结语 晶硅电池在相当长的时间内仍将占据光伏市场主导地位。 薄膜电池有良好发展前景。 未来光伏市场将是由晶硅电池、薄膜电池等被市场接受的多种电池共享的多元化光伏技术结构组成。51晶体硅电池技术发展现状与趋势课件52晶体硅电池技术发展现状与趋势课件
