1、1,太阳电池的发展趋势赵玉文,2,提纲 引言 晶硅电池的技术发展 3. 薄膜太阳电池 4 . 新概念电池 太阳电池的发展趋势（结语）,3,1、引言 （1）太阳电池基本原理 典型的太阳电池是一个半导体p-n结二极管,p-n结,太阳电池,4, 太阳电池在阳光照射时产生光电压现象称为光伏效应。 太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应 （photovoltai effect）原理把太阳辐射能直接转变为电能的发电方式。,5,硅中掺V-族元素磷形成n 型半导体,硅中掺III族元素硼形成P 型半导体, n 型半导体，P 型半导体，,6,p-n 结的形成 p型半导体和n型半导体形成冶金级接触时，n型半导体中的
2、电子和p型半导体中的空穴分别向对方扩散，当达到平衡时，就形成p-n结。 p-n结之间存在很高电压.,7,光子把电子从价带（束缚）激发到导带，并在价带内留下一个/空穴，从而产生了自由电子空穴对。,自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和科学的积累，从而产生了光电压。,“光生载流子” 和“光生电压”的产生,8,输出功率 (W) x 100% 太阳电池效率 (%) = 面积 (m2) x 1000 W/m2,太阳电池效率（）,9,硅太阳电池的电流电压特性 太阳电池品质参数 开路电压(VOC)，短路电流(ISC)， 填充因子(FF)和电池效率()。,10,（2）太阳电
3、池的发展简史 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中； 1876年英国W. G. Adams和R. E. Day 发现晶体半导体硒在光照下能产生电流； 1884年，美国人Charles Fritts 制造成功第一个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单晶硅太阳电池。纽约时报当时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” 划时代的里程碑。,11,1954年美国贝尔实验室, 当时超纯硅材料尚未实现商业化生产，高成本 （300 美元/瓦 ）
4、的使其被搁置在市场之外。 1958年硅太阳电池第一次在空间应用（美国先锋者 I号）；,12, 60年代初，超纯硅材料西门子法开始实现产业化， 为太阳电池的大量应用奠定了材料基础； 70年代初在地面得到应用，70年代末地面用太阳电池的生产量已经大大超过空间电池。 在地面和空间应用双重推动下，效率得到大幅度提高，直到单晶硅电池效率达到25。与此同时多晶硅电池、化合物电池、各种薄膜电池等相继产生并得到发展。1998年多晶硅电池市场份额开始超过单晶硅电池，成为光伏市场的主导电池。目前光伏发电技术已经成熟，成为世界最优先发展的可再生能源技术之一。,13,（我国) 1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生
5、（没有文 献记载）； 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； 1980“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。,14,（3）太阳电池分类按照技术成熟程度： 晶硅电池： 单晶硅，多晶硅，带硅等；(实验室的第一代) 薄膜电池： a-Si，a-Si/c-Si, poly-Si, CIGS，CdTe，GaAs，等；（实验室的第二代） 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）电池，
6、量子点电池，上转换器电池，下转换器电池， 热载流子电池等。(实验室第三代电池),15,各种太阳电池效率记录的发展，其中蓝色为晶硅电池,16,2。晶硅电池的技术发展 （1） 晶硅电池的关键技术自上世纪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6580，对降低光伏发电成本起到关键作用。 其关键技术分光学和电学两大类。,17,晶硅电池实验室效率记录的发展,18, 减少光学损失以提高电池效率陷光理论及技术：减反射，增透射，后反射等 裸硅表面反射率36，减少光的反射损失是提高电池效率的最重
7、要的措施之一；最佳减反射的表面织构化技术；最佳减反射涂层(前表面)及背表反射技术。,19,（2） 减少电学损失以提高电池效率1)理想p-n 结技术（核心）迄今为止，并没有做到理想的p-n结。2)钝化理论及技术：钝化使器件表面或者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，氢， SiNx ，SiC，SiCN ， a-Si等。,20,3) 接触理论及技术：欧姆接触解决界面能级及复合问题，实现最小接触电阻，最少复合中心 接触几何种类：面、线、点接触, 技术：重掺杂（扩散，离子注入等）；工艺：蒸发、丝印、化学镀，刻槽等；4)前后表面场(FSF、BSF):反射少子，减少复合,21,5) 吸
8、杂技术，退火技术吸杂是通过某种工艺使晶体内部极晶界处的杂质或复合中心吸引到表面并去除。如磷吸杂或表面粗化吸杂等；退火：改善结晶状态，减少结晶缺陷；6) 选择性发射区技术（SEselective emiter）具有参杂浓度不同的发射区称为选择性发射区，简称SE技术，或者SE电池。通常是指：在阳光照射区采取轻参杂，在金属接触区采取重参杂。,22,1)SE结构优点：提高电池效率 降低串联电阻，提高填充因子; 减少载流子Auger复合，提高表面钝化效果; 改善短波光谱响应，提高Isc和 Voc.,常规电池发射区是均匀参杂方阻4050/sqrSE电池发射区方阻80100/sqr，重参杂区方阻2030/s
9、qr。 ，,23,常规电池 SE电池,24,2.2 向高效化方向发展 （1）单晶硅高效电池：背接触电池： Sunpower（Stamford）传统 SunPower 电池采用光刻工艺， 23% 。SunPower 用丝网印刷代替光 刻的降低成本。电池效率达到超过20%.,25,Sunpower电池结构示意图,26,UNSW-PERL电池, 24.7%（25）,27,北京太阳能研究所，高效电池 19.8%,28,激光刻槽埋栅电池,新新南威尔士大学， 19.8%,29,北京太阳能研究所， 18.6%,30,Sanyo HIT solar cell(a-Si/nc-Si) (Heterojuncti
10、on 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； 19.5 最新报道 22%,31,Time,Relative Output,Temperature (oC),1.0,0.5,30,50,70,40,60,8.8%UP,Cell Temp.,HIT,P/N diffusion,HIT (-0.33%/oC),P/N diffusion(-0.45%/oC),Normalized Efficiency,0.8,0.7,0.6,0.9,1.0,30,40,60,80,Temperature (oC)
11、,Smaller temperature coefficient,32,33,（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。,34,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PECV
12、D/SiN+表面织构化使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7.,35,多晶硅高效电池 Fraunhofer- 20.3%,36,Emitter resistance： 90 ohm/sq Cell thickness： 260 m Cell size： 15 cm15.5 cm,Kyocera商业化大面积多晶硅电池， 17.7%,“d.Blue” cell,1. RIE textured surface 2. SiN process 3. Shallow emitter 4. Grid design 5. Contact metallization,关键技术,37,2.3 晶硅太阳电池
13、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，30 m可以吸收几乎全部太阳光。10年内可实现单晶硅120 m，多晶硅150 m 。未来可能更簿。降低硅片厚度是降低成本的重要技术之一。,38,电池硅片厚度的发展：70年代450500 m，80年代400450m。90年代320400 m。目前 180220 m。2010年150200 m。2020年80120 m。,39,2) 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，刀缝损失120140 m)。过去几十年里开发过多种生
14、长 带硅或片状硅技术,40, 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。,41,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。,42,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。,43,2.4 晶硅聚光电池案例 聚光电池具有降低光伏发电成本
15、的潜力。 一直是光伏界的研发活动之一; 市场的认可程度决定于成本实际降低的程度; 美国Amonix公司晶硅聚光电池案例： 效率：27.6% 100x, 26.3 % 260x, 25.3 % 400x 目前做高倍晶硅聚光电池的研发和示范工作的渐次减少。,44,3. 薄膜太阳电池3.1 硅基薄膜太阳电池3.2 化合物薄膜电池3.3 有机电池3.4 染料敏化电池3.5 有机电池,45,3.1 硅基薄膜太阳电池优点： 资源丰富，环境安全； a-Si和c-Si吸收系数高，活性层只需要 1m 厚，省材料； 沉积温度低，低成本衬底，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等。 电池/组件一次完成，生产程序简单。缺点： 效
16、率低 a-Si有光衰减(S-W效应)问题,46,（1）非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池 a-Si 是Si和 H(约10)的一种合金。 1976年RCA实验室D.Carlson和C.Wronski 电池结构：1结，p-i-n 单纯 a-Si2结，p-i-n/p-i-na-Si/a-Si; a-Si/a-Si:Ge; 3结, p-i-n/p-i-n/p-i-na-Si/a-Si:Ge/Si:Ge;,47,三结a-si太阳电池（United Solar）,Blue,Green,Red,非晶硅太阳电池效率,48,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； 80年代后期哈尔
17、滨和深圳分别从美国Chrona公司引进了1MW单结非晶硅生产线； 2000年，以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。 2003年天津津能公司引进2.5MW 双结非晶硅电池线,49,（2）a-si/ c-Si迭层电池 优点：工艺温度低， 200，衬底容易获得：玻璃，不锈钢等，电池效率较高：实验室记录15商业化电池89性能较稳定，目前是硅基薄膜中开发最热的一种电池。,50,Kaneka公司a-si/c-Si迭层电池, 15，1 cm2, =13.4%, 91.045.5 cm2 ；,Area: 1cm AM1.5, 25deg.
18、Kaneka Dual-light source simulator Jsc: 8.93mA/cm2 Voc: 2.28V F.F.: 0.735 eff.: 15.0%,Transparent Interlayer,51,New Internal Light Trapping by the Intermediate layer,Enlargement of light absorption by nano- structure,Intermediate layer,52,Kaneka公司a-si/c-Si/c-Si 迭层电池组件A=910 x 910 mm 11.6 %,53,南开大学 VH
19、F-PECVD 工艺 a-Si/c-Si 迭层电池 =11.8% , A= 100 cm2 = 9.7%,54,3.2 化合物半导体薄膜电池 CdTe, CuInGaSe（CIGS）， GaAs, 禁带宽度在11.5eV,与太阳光谱匹配较好。 直接带隙材料，吸收系数大，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。 CdTe 和CIGS电池被认为是未来实现成本目标的典型薄膜电池，一直是最热的两个研究课题。 GaAs主要用于空间电池和地面聚光电池,55,(1) CdTe电池 CdTeII-VI族化合物， Eg1.5eV, 理论效率28%， 性能稳定。 工艺：近空间升华(CSS), 溅射、真空蒸发等； 实验室
20、电池效率16.5%A= 1.032cm2)； 商业化电池效率910； First Solar:2009，1019MWp,front contact,56,我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。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 863” 项目，电池效率达到 13.38。 建立0.5MWp/年的中试生产线。 目前与尚德合作筹建5MWp生产线 杭州经济开发区正在进行CdTe中试，效率超过10世界记录创造者吴选之 先生领办。,57,（2） CIGS电池 CIGS是-四元化合物，带隙1.04eV。 NREL保持世界记录，= 19.5%(0.41cm
21、2)；最近信息Wrth = 20.3%;20107月，杭州普尼公司= 21.1%，开始中试 最高组件效率：= 13.1%, （64.8W Shell GMBH)= 13.4% A=3459 cm2 Showa Shell 2009年产量166MWp。 电池基本结构 南开大学蒸发硒化法电池效率14。31% 。,Glass substrate (3 mm),Molybdenum (0.5 m),Cu(In,Ga)Se2 (2 mm),ZnO:Al (1 mm),i-ZnO (50 nm),CdS (50 nm),p,n,58,（3） GaAs电池,效率随聚光比的变化,理论效率与已实现效率比较,成本
22、随聚光比的变化,39.2 % at 200-suns 38.9% at 489-suns by in-house measurement,59,1sun : 30.2%400 sun: 37.4%,Ideal efficiency for 3J cells is 47% Ideal efficiency for 4J cells is 52%.,Sharp,60,美国 JX Crystals Inc Multijunction InGaP/GaAs-GaSb) Terrestrial Concentrator Cells 近期目标: Multijunction Cells：效率 40% Con
23、centrator Panel：效率 33%,61,High Efficiency ( 26 %) HCPV,(1) K. Araki et al., Proc. 31st IEEE PVSC, (2004) (2) D. Aiken, SCC2005, (2005) (3) Exhibition at 20th EU-PVSEC, (2005), ,* Module efficiency is outdoor peak efficiency without temperature corrections.,62,CIGS电池 = 19.9% (0.41cm2)；CdTe电池 = 16.5%
24、（ 1.032cm2)；a-Si/ c-Si电池= 15.2% （ cm2级,3-J),几种薄膜电池的效率进展,63,3.4 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Grtzel 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.,1991年Graetzel-染料敏化电池出现1980 1991 2000 2010效率 0.1 % 7.1 % 10 % 15 %(?),64,= 11%,N3 dye (N719), 中科院等离子物理所、化学所、物化所，长春
25、应化所，实验室小面积电池效率10。组件电池效率5.7% ，A= 1497.6 cm2 ; 500W 的实验电站中科院等离子物理所 中科院物理所固态电解质电池效率5。,65,3.5 有机电池 使用具有施主和受主性能的有机材料做成太阳电池，世界效率记录 5.4。我国华南工大也在开发此种电池，效率5%. 最新消息，效率 7.9,但未见资料。,66,67,4 . 新概念电池4.1 物理概念的扩展4.2 太阳电池成本结构与效率关系4.3 实现超高效新概念电池的技术选项多结电池-太阳光谱多级利用 上下转换器电池 中间带或杂质带电池量子点电池,68,. 薄膜 . 高效 . 多结 ( 2) . 材料丰富 .
26、无毒 . 性能稳定,长寿命,极限效率 74%(单结电池极限效率31 ),4 . 1 物理概念的扩展,69,4.2 太阳电池成本结构与效率关系,70,4.3实现超高效新概念电池的技术选项 多结(带隙递变)电池， 中间带（杂质带，量子点）电池， 上下转换器（低能光子升级成高能光子或反之）， 热载流子电池，热光伏，热离子，碰撞的离等,71,多结电池-太阳光谱多级利用,72,理论计算,多结电池-案例： 1）2-J和3J-a-Si和a-Sic-Si太阳电池（前述）2）3J GaAs电池（前述）,73, 上下转换器电池下转换 上转换 1个高能光子转换成与带隙 2个低能光子转换成与带隙 相匹配的2个光子 相
27、匹配的1个高能光子,74, 中间带或杂质带电池,通过特殊技术在原来禁带中形成一杂质带或中间带，可以增加光谱利用宽度。,75,QD p-n Heterojunction(p-PbS/n-ZnO) Solar Cell(unpublished confidential), 量子点电池,类似中间带可以增加光谱利用宽度,76,77,5. 太阳电池的未来发展趋势（结语）5.1 技术发展趋势思考1）硅基电池2）化合物薄膜电池:3) 新概念电池5.2 商业化趋势,78,5.1技术发展趋势思考1）硅基电池: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；工艺基础成熟。硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点: 高效低成本晶硅电池的产业化技术 硅基薄膜电池，特别是a-Si/c-Si迭层电池,79,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； 薄膜电池需要克服许多材料和工艺上的难关，从而增加了薄膜电池技术难度和研制周期；薄膜电池的制造设备尚未定型和成熟；薄膜电池走向产业化进程比人们预期的长，但仍然是未来大幅度降低成本比的基本技术路线。,80,
