太阳电池前沿技术与产业化发展-XXXX

晶硅电池前沿技术与产业化发展沈文忠上海交通大学太阳能研究所Tel&Fax:[phone]E-mail:[e-mail]提纲太阳能光伏产业发展简况提高电池效率的核心技术晶硅太阳电池产业化发展趋势SE、MWT、HIT、双面、纳米制绒电池技术小结一、太阳能光伏产业发展简况太阳能光伏发电已经被全世界所认可太阳能光伏发电已经被全世界所认可GermanyGermanyUSAUSA5年内光伏发电成本与常规能源相当!1999-2010全球太阳电池产量发展趋势（资料来源：Photon国际）2000-2011全球光伏发电年新增装机容量发展趋势（资料来源：EPIA）2011年光伏电池价格变化趋势图1月1日2月1日3月1日4月1日5月1日6月1日7月1日8月1日9月1日$/W多晶硅硅片附加值电池片附加值组件附加值10月1日资料来源：全国工商联新能源商会、华泰联合证劵发布的光伏产业信息中国光伏一哄而上:美终裁对华光伏产品征34%-47%关税，多家光伏公司位列欧盟反倾销调查名单太阳电池效率及产业化现状太阳电池效率及产业化现状化合物叠层42晶体硅太阳电池十多年来一直是市场的主流(80%以上)，未来10年应该也是！二、提高电池效率的核心技术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分光学损失和电学损失，迄今为止提高电池效率的所有努力都集中在把光学损失和电学损失降低到最小。波段损失：硅的带隙Eg=1.12eV，对应波长大于1.1m的光透过；多余能量损失：波长小于1.1m的光子能量大于Eg，一个光子只产生一个电子，多余能量变热；反射损失：硅表面反射率35%；二极管非线性损失，复合损失，接触电阻损失。13（1）减少光学损失提高电池效率陷光理论及技术硅表面反射率～35%，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；最小的栅线遮挡面积(Sunpower,MWT)。14（2）减少电学损失以提高电池效率完美的晶体结构（高纯度、零缺陷）；理想p-n结技术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和H2等；最小接触电阻:SE技术(HIT)最大并联电阻；最佳前场和背场。15晶硅电池效率记录的发展提高效率方面的努力和案例提高效率方面的努力和案例（1）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，＝24.2%；Maxeon(March28,2012)采用丝网印刷工艺代替光刻降低成本，电池效率超过20%。2010:500MWp17背接触电池（Sunpower）N-typeSilicon–270umthickN-typeFZSilicon–240umthick•reducesbulkrecombinationP+P+P+N+N+N+TextureTexture+OxideTexture+SiO2+ARC背栅线,消除阴影厚、高金属减少电阻损失前扩散轻掺杂减少复合损失局部点接触减少接触复合损失钝化SiO2层减少顶部、底部复合损失18Sanyo’HITsolarcell(a-Si/nc-Si)(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)a-Si层卓越钝化性能n型衬底优越性商业化电池效率；＝21.6％ntypec-Si(textured)p/ia-Sii/na-Si实验室最好效率：200m(2010),98m(2011)=23.0%→23.7%Voc=729mV→745mVJsc=39.6mA→39.66mAFF=80.0%→80.9%19＝25.0%面积=4cm2Voc=705mVJsc=42.7mAF.F.=82.8%PERL电池(新南威尔士大学)钝化发射极,背面定域扩散20（2）高效多晶硅电池多晶硅硅片制造耗能低于单晶硅CZ硅片；能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，450kg,600kg或更大，具有大尺寸硅片的潜力；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；准单晶材料正在问世。多晶硅内有许多晶界存在，电池内部复合多，效率比单晶低；晶向不一致，表面织构困难。21Georgia理工大学－采用磷吸杂和双层减反射膜技术，电池的效率达到18.6％；UNSW－采用类似PERL电池技术，电池的效率达到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150150cm2多晶硅电池效率达17.7％。22多晶硅高效电池（Fraunhofer）=20.3%，1cm2，Voc=664mV，Jsc=38mA，FF=80.8%三、晶硅太阳电池产业化发展趋势晶硅太阳电池产业化发展趋势晶硅太阳电池产业化发展趋势（1）晶硅电池产业化新技术资源丰富，硅是地球上丰度第二大元素（25.8%），市场主导地位；环境友好；电池效率高，性能稳定；技术基础雄厚(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)，工艺相对成熟。选择性发射极(SE-selectiveemitter)晶体硅太阳电池，即在金属栅线（电极）与硅片接触部位及其附近进行高掺杂深扩散，在电极之间位置进行低掺杂浅扩散。SE技术单晶硅转换效率提高0.8%；多晶硅转换效率提高0.4%。传统结构电池SE结构电池传统结构电池SE结构电池SE技术SE技术氧化层掩膜扩散—印刷法激光涂源掺杂—电镀法印刷掺杂—电镀法激光PSG掺杂—印刷法返刻法印刷磷源单步扩散法一次扩散SE太阳电池制备主要方案磷墨SE电池仅需在硅片制绒和扩散之间增加磷墨的丝网印刷，线宽100-300um，根据电极套印精确度决定；转换效率绝对值提高0.4-0.7%，单片电池所耗磷墨成本不足0.05元人民币。在不同厂家电池中试举例相对于p-Si50-60方阻传统电池工艺：我们的技术可使平均转换效率提高0.4-0.7%abs，平均开路电压可超过640mV,最高可达646mV，平均转换效率可超过18.9%，最高可达到19.4%，光伏组件的平均峰值输出功率可提高约3%。已有一家客户实现了批量生产通过了10万片以上的生产批次转换效率绝对值提高0.4-0.7%部分批次统计片型总片数SE印刷速率平均效率整线碎片率SE工序碎片率电性能良率备注单晶1251020001220片/小时18.80%0.59%0.05%98.30%效率18.4%定义为不良片单晶156500001100片/小时18.92%0.98%0.09%99.20%MWT（metalwrap-through）技术MWT（metalwrap-through）技术荷兰能源研究中心（ECN）技术：MWT电池方法是将主栅转移到电池背面，电池正表面保留了金属栅线，并沉积SiNx膜。这样电池表面就有更大面积来采集阳光并将其转化为电能，提高效率(0.7%abs)。正表面细栅与背面主栅的连接是通过激光技术在细栅作出的导电孔，然后在孔内进行扩散及金属化。工艺成熟、稳定性好、转换效率16-18%、市场份额80-85%高效晶体硅电池是当前研发热点，很多企业提出了新计划在现有工艺生产线上转换效率很难获得突破性的提高工艺成熟、稳定性好、转换效率16-18%、市场份额80-85%高效晶体硅电池是当前研发热点，很多企业提出了新计划在现有工艺生产线上转换效率很难获得突破性的提高●晶体硅电池：●晶体硅电池：制造用料省，工艺温度低，弱光性能强，温度特性好等优点但是效率低6-9%，有光致衰减效应制造用料省，工艺温度低，弱光性能强，温度特性好等优点但是效率低6-9%，有光致衰减效应●非晶硅薄膜电池：●非晶硅薄膜电池：HIT技术Earlierstructure:FrontHIT----FHJNowdaysstructure:DoubleHIT----DHJHIT—newhighefficiencycellsThedevelopmentofstructure日本三洋的HIT异质结太阳电池：日本三洋的HIT异质结太阳电池：2010年5月，三洋披露，以厚度200um的硅片为基础研发的HIT电池，其最高光电转换效率达到23.0%2010年5月，三洋披露，以厚度200um的硅片为基础研发的HIT电池，其最高光电转换效率达到23.0%Progress22.3%in200823.0%in201023.7%in2011IlluminatedI–VcharacteristicsoftheHITsolarcellwithconfirmedconversionefficiencyof22.3%.100.4cm2/200m0.8003.934A0.729V23.0%100.7cm2/98m0.8093.966A0.745V23.7%日本松下（三洋）的HIT异质结太阳电池日本松下（三洋）的HIT异质结太阳电池2010年6月17日，三洋宣布扩大HIT太阳电池组件生产规模，其滋贺工厂的产能将由现在的100兆瓦提高至250兆瓦，表明高效太阳电池具有广阔的前景！2010年6月21日，日本三洋电机公司宣布，他们研发出世界上光电转换效率最高的太阳电池组件HIT-N230，采用HIT异质结电池制造，转换效率高达20.7%。2010年12月6日宣布量产目前光电转换效率达到21.6%的高效HIT太阳电池，基于该电池的HITN系列240W太阳电池模组转换效率可达19%。日本600MWp。2012年初宣布在马来西亚建设300MW项目，年底完成。2010年6月17日，三洋宣布扩大HIT太阳电池组件生产规模，其滋贺工厂的产能将由现在的100兆瓦提高至250兆瓦，表明高效太阳电池具有广阔的前景！2010年6月21日，日本三洋电机公司宣布，他们研发出世界上光电转换效率最高的太阳电池组件HIT-N230，采用HIT异质结电池制造，转换效率高达20.7%。2010年12月6日宣布量产目前光电转换效率达到21.6%的高效HIT太阳电池，基于该电池的HITN系列240W太阳电池模组转换效率可达19%。日本600MWp。2012年初宣布在马来西亚建设300MW项目，年底完成。High-efficiencyBifacialSiSolarCell技术layerlayerSunlightSunlightSunlightSunlightMorningReflectedlightReflectedlightAfternoonFrontsideRearsidePoweroutputEfficiencyNo说明项目单面PV电池片双面PV电池片200～230μm150～200μm银条、铝片少设备磨损快、污染大设备磨损小、环保工作温度高/性能低下相对温度低/性能高1硅片厚度说明：单面电池的背面是铝合金，因铝的热涨冷缩性很大而硅却很小，所以在使用超薄硅片(小于200μm)来生产时经过反复高温加热又冷却的工序过程就很容易让硅片破裂，这就会大大降低成品合格率。而双面电池的两面都是一样的硅材料、不会发生因热涨冷缩而破裂的现象，所以双面可以用比单面更薄的硅片，这样单位W的硅成本就降低了。说明：单面电池的背面电极是银条其他部分是铝合金。而双面电池的两面都是硅扩散层电极而不用其他辅助材料。所以双面电池的生产用辅助材料要比单面电池的少,当然也就费用少了(这几年银条的价格涨了2～3倍)。这也是为什么双面电池的单位W生产成本比单面低的又一主要原因。说明：单面电池在印制背面电极银条和铝合金背片时，其高温金属污染很大，对设备(镜面印制机)的磨损也很大。生产2～3年后其设备的生产性能就会产生很大下降。双面电池的两面都是镜面电极格，加工时简单清洁环保，设备几乎没磨损，可以长期稳定的保持设备的正常生产性能。所以双面电池在生产设备与环保方面都大大优于单面电池。4PV组件性能说明：单面PV