太阳能电池发展趋势(精)

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31.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CharlesFritts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，Grātzel，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)82.材料；硅基电池：单晶硅，多晶硅，微晶(纳晶)，非晶硅，化合物半导体电池：CdTe,CIGS,,GaAs，InP.。。有机电池，Grātzel电池(光化学电池)3.波段范围：太阳光伏电池热光伏电池94.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102.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112.1晶硅电池的技术发展单晶硅电池在70年代初引入地面应用。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，PECVD－SiN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123)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－132.2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，没有栅线阴影损失14◆新新南威尔士大学的PERL电池＝24.7%15Fraunhofer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－SanyoaSi/c-Si电池（实验室最好效率：＝20.7%，面积125×125）212).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1515cm2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PECVD－SiN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％－16％262.3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100m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28Sharp单晶硅组件29UltrathinMulticrystallineSiHighEfficiencySolarCells–Fraunhofer-20.3%－世界记录30硅片厚度的发展：70年代－450～500m，80年代－400～450m。90年代－350～400m。目前－260～300m。～2010年200～260m。～2020年100～200m。312)带硅技术直接拉制硅片－免去切片损失(内园切割，刀锋损失300～400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32①EFG带硅技术采用石墨模具－电池效率13％－15％。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。3334②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。35③Astropower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。363.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373.1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.Wronski38优点：①资源丰富，环境安全；②光的吸收系数高，活性层只需要1m厚，省材料；③沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等。④电池/组件一次完成，生产程序简单。缺点：①效率低②不稳定－光衰减(S-W效应)。39404142实验室效率：初始稳定单结：12％6－8％双结：13％～10％三结：15.2%～13％商业化电池效率：单结：3％～4％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8％～10％；◆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3％－4％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8％～10％，稳定效率～8％?442)多晶硅薄膜电池①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。。。45Fraunhofer研究所－SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，RTCVD－ZMR，效率分别达到9.3％和11％。RTCVD－ZMRnon-activeSisubstrate=15.12%(北太所)modellingceramicsubstrate=10.21%(北太所)ParticleribbonSi=8.25%(广州能源所＋北太所)46②低温技术路线－以PECVD为代表优点：工艺温度低，200～300℃，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PacificSolar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48③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，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。493.2化合物半导体薄膜电池GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁带宽度在1～1.5eV,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。501)CdTe电池CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV,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8～10％；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％。522)CIGS电池CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ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，ARCOSolar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，ARCOSolar－Simens－Shell公司。53我国南开大学、内蒙古大学和云南师大等单位于80年代中期先后开展了CIS薄膜电池研究,南开大学－蒸发硒化法－电池效率9.13%。“十五”列入“863”重点项目，并要求建立0.3兆瓦/年的中试生产线。目前效率12.1%54几种薄膜电池的效率进展553.3染料敏化TiO2太阳电池染料敏化TiO2电池实际是一种光电化学电池。早期的TiO2光电化学电池稳定性差、效率低。1991年瑞士Grätzel将染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到11％.56我国“十五”列入“973”重大课题－中科院等离子物理所、化学所、物化所，实验室小面积电池效率10％。中科院物理所、化学所的固态电解质电池列入“863”，效率5％。573.4有机电池比利时IMEC公司开发一种塑料太阳电池使用具有施主和受主性能的有机材料，电池效率5％584.热光伏(TPV)电池红外辐射TPV电能应用：工业废热回收等。典型器件：GaSb(Eg～0.6~7eV),InP,Si,系统：热源－辐射器－电池效率：～1000K2～3％，目前。1200－1700K，～10％，未来595.太阳电池的未来发展趋势5.1商业化趋势◆1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。◆从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃