太陽能電池發(fā)展趨勢(shì)

1、太陽電池發(fā)展趨勢(shì)趙玉文1提綱1. 引言：原理，簡史，分類2. 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展 2.1 晶硅電池的各種新技術(shù) 2.2 向高效化方向發(fā)展 2.3 向薄片化方向發(fā)展 3. 薄膜太陽電池 3.1 硅基薄膜太陽電池 3.2 化合物半導(dǎo)體薄膜電池 3.3 染料敏化TiO2太陽電池(光化學(xué)電池) 3.4 有機(jī)電池4. 太陽電池的未來發(fā)展趨勢(shì)2引言：基本原理3簡史(世界) 1839年-法國Becquerel報(bào)道在光照電極插入電 解質(zhì)的系統(tǒng)中產(chǎn)生光伏效應(yīng)光電化學(xué)系統(tǒng)； 1876年英國W. G. Adams發(fā)現(xiàn)晶體硒在光照下 能產(chǎn)生電流固體光伏現(xiàn)象； 1884年，美國人Charles Fritts 制造成第一

2、個(gè) 1硒電池； 1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室G. Pearson 和D. Charpin研 制成功6 的第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的硅太陽電池；4 紐約時(shí)報(bào)把這一突破性的成果稱為“ 最 終導(dǎo) 致使無限陽光為人類文明服務(wù)的一個(gè)新時(shí)代 的開始?！?現(xiàn)代太陽電池的先驅(qū)；1958年硅太陽電池第一次在空間應(yīng)用； 20世紀(jì)60年代初，空間電池的設(shè)計(jì)趨于穩(wěn)定，70年代在空間開始大量應(yīng)用，地面應(yīng)用開始， 70年代末地面用太陽電池的生產(chǎn)量已經(jīng)大大 超過空間電池。 5（我國) 1959年第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的太陽電池誕生 1971年3月太陽電池首次應(yīng)用于我國第二顆 人造衛(wèi)星實(shí)踐1號(hào)上； 1973年太陽電池首次應(yīng)用于浮標(biāo)燈上； 1979

3、年開始用半導(dǎo)體工業(yè)廢次單晶、半導(dǎo)體 器件工藝生產(chǎn)單晶硅電池； 80“年代中后期引進(jìn)國外關(guān)鍵設(shè)備或成套生產(chǎn) 線我國太陽電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。6分類1.技術(shù)成熟程度： 1) 晶硅電池： 單晶硅，多晶硅， 2) 薄膜電池： a-Si，CIGS，CdTe，球形電池， 多晶硅薄膜， Grtzel，有機(jī)電池，。 3) 新型概念電池：量子點(diǎn)、量子阱電池， 迭層(帶隙遞變)電池，中間帶電池， 雜質(zhì)帶電池，上、下轉(zhuǎn)換器電池， a-Si/C-Si異質(zhì)結(jié)(增加紅外吸收)， 偶極子天線電池，熱載流子電池， (也有人稱第三代電池)72.材料；硅基電池：單晶硅，多晶硅， 微晶(納晶)，非晶硅， 化合物半導(dǎo)體電池：CdTe

4、, CIGS, GaAs ，InP.。 有機(jī)電池， Grtzel 電池(光化學(xué)電池)3. 波段范圍：太陽光伏電池 熱光伏電池84.光子吸收帶隙理論： 單帶隙電池(常規(guī)電池) 中間帶隙(或亞帶隙，或雜質(zhì)帶)電池， 帶隙遞變迭層電池， 上、下轉(zhuǎn)換器電池 偶極子天線電池， a-Si/C-Si異質(zhì)結(jié)(增加紅外吸收)電池， 量子點(diǎn)、量子阱電池， 熱載流子電池，。第三代電池92. 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展 2.1 晶硅電池的各種技術(shù)發(fā)展 2.2 向高效化方向發(fā)展 2.3 向薄片化方向發(fā)展 102.1 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展 單晶硅電池在70年代初引入地面應(yīng)用。在石油危機(jī)推動(dòng)下，太陽電池開始了一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期，這個(gè)時(shí)

5、期不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術(shù) 1). 鈍化技術(shù)：熱氧化SiO2鈍化，氫鈍化， PECVDSiN工藝鈍化(多晶 硅)，a-Si鈍化等 2). 陷光技術(shù)： 表面織構(gòu)化技術(shù)，減反射技術(shù) 11 3) 背表面場(BSF)技術(shù) 4).表面織構(gòu)化(絨面)技術(shù), 5).異質(zhì)結(jié)太陽電池技術(shù): 如SnO2/Si, In203/Si, ITO/Si等 6). MIS電池 7). MINP電池 8). 聚光電池 122.2 向高效化方向發(fā)展1)單晶硅高效電池：斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池： 22特點(diǎn)：正負(fù)電極在同一面，沒有柵線陰影損失 13新新南威爾士大學(xué)的PERL電池 24.7%14Fraunhofe

6、r研究所LBSC電池： 23%15北京太陽能研究所高效電池 19.8%16單晶硅電池的效率進(jìn)展17激光刻槽埋柵電池 新新南威爾士大學(xué)北京太陽能研究所 19.8% 18.6%18商業(yè)化單晶硅電池組件19商業(yè)化單晶硅電池組件Sanyo aSi/c-Si電池（實(shí)驗(yàn)室最好效率： 20.7%，面積125125）202).多晶硅高效電池 多晶硅材料制造成本低于單晶硅CZ材料，能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方 型硅錠，240kg, 400kg, 制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料， 因此具有更大降低成本的潛力。 21但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構(gòu)化困難

7、。22喬治亞(Geogia)工大 采用磷吸雜和雙層減 反射膜技術(shù)，使電池的效率達(dá)到18.6； 新南威爾士大學(xué)采用類似PERL電池技術(shù)， 使電池的效率19.8 Fraunhofer研究所 20.3%世界記錄 Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面織構(gòu)化 使1515cm2大面積多晶硅電池效率達(dá)17.7.23商業(yè)化多晶硅電池組件Kyocera電池24其中PECVDSiN鈍化技術(shù)對(duì)商業(yè)化多晶硅 電池的效率提高起到了關(guān)鍵性的作用。目前商業(yè)化多晶硅電池的效率1316252.3 晶硅太陽電池向薄片化方向發(fā)展 1) 硅片減薄 硅片是晶硅電池成本構(gòu)成中的主要部分。 硅間接半導(dǎo)體，理論上100m可以吸收

8、全部太陽光。電池制造工藝硅片厚度下 限150 m。 降低硅片厚度是結(jié)構(gòu)電池降低成本的重要 技術(shù)方向之一。 26太陽電池向薄片化方向發(fā)展27Sharp單晶硅組件28Ultrathin Multicrystalline Si High Efficiency Solar Cells Fraunhofer- 20.3%世界記錄 29硅片厚度的發(fā)展： 70年代450500 m， 80年代400450m。 90年代350400 m。 目前 260300 m。 2010年 200260 m。 2020年 100200 m。302) 帶硅技術(shù) 直接拉制硅片免去切片損失 (內(nèi)園切割，刀鋒損失300400 m。

9、線鋸切割，刀鋒損失200 m)。 過去幾十年里開發(fā)過多種生長 帶硅 或片狀硅技術(shù)31 EFG帶硅技術(shù) 采用石墨模具電池效率1315。該技術(shù)于90年代初實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，目前屬于RWE (ASE)公司所有。3233蹼狀帶硅技術(shù)。在表面張力的作用下,插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會(huì)同時(shí)長出一層如蹼狀的薄片,所以稱為蹼狀晶。切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶制作太陽電池。蹼狀晶為各種硅帶中質(zhì)量最好,但其生長速度相對(duì)較慢。34Astropower的多晶帶硅制造技術(shù)。該技術(shù)基于液相外延工藝，襯底為可以重復(fù)使用的廉價(jià)陶瓷。實(shí)驗(yàn)室太陽電池效率達(dá)到 15.6，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。353. 薄膜太陽電池

10、3.1 硅基薄膜太陽電池 3.2 化合物半導(dǎo)體薄膜電池 3.3 染料敏化TiO2太陽電池(光化學(xué)電池) 3.4 有機(jī)電池363.1 硅基薄膜太陽電池 1)非晶硅(a-Si)太陽電池 a-Si 是Si-H(約10)的一種合金。 1976年RCA實(shí)驗(yàn)室D.Carlson和 C.Wronski 37 優(yōu)點(diǎn)： 資源豐富，環(huán)境安全； 光的吸收系數(shù)高，活性層只需要1m 厚，省材料； 沉積溫度低，成本襯底上，如玻璃、 不銹鋼和塑料膜上等。 電池/組件一次完成，生產(chǎn)程序簡單。 缺點(diǎn)： 效率低 不穩(wěn)定 光衰減(S-W效應(yīng))。 38394041 實(shí)驗(yàn)室效率： 初始 穩(wěn)定 單結(jié)： 12 68 雙結(jié)： 13 10 三

11、結(jié)： 15.2% 13 商業(yè)化電池效率： 單結(jié)： 34 雙結(jié)： 6 三結(jié)： 7 8 42 我國非晶硅電池研究在上世紀(jì)80年代中期形成了高潮，30多個(gè)研究組從事研究。實(shí)驗(yàn)室初始效率810； 80年代后期哈爾濱和深圳分別從美國Chrona公司引進(jìn)了1MW生產(chǎn)能力的單結(jié)非晶硅生產(chǎn)線，穩(wěn)定效率34之間。 自90年代后有較大收縮。 2000年，以雙結(jié)非晶硅電池為重點(diǎn)的硅基薄膜太陽電池研究被列入國家“973”項(xiàng)目，我國非晶硅電池的又進(jìn)入一個(gè)新的研究階段。目前雙結(jié)初始實(shí)驗(yàn)室效率810，穩(wěn)定效率8? 432) 多晶硅薄膜電池 高溫技術(shù)路線以RTCVD為代表優(yōu)點(diǎn)；薄膜結(jié)晶質(zhì)量好，晶粒尺寸大，容易 作出高效率電池

12、，缺點(diǎn)：工藝溫度高1000，襯底難解決。 襯底材料：陶瓷，石墨，硅片。44Fraunhofer研究所SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底，RTCVDZMR，效率分別達(dá)到9.3和11。RTCVDZMR non-active Si substrate =15.12% (北太所) modelling ceramic substrate =10.21% (北太所)Particle ribbon Si =8.25% (廣州能源所北太所) 45 低溫技術(shù)路線以PECVD為代表 優(yōu)點(diǎn)：工藝溫度低，200300， 襯底容易獲得：玻璃，不銹鋼等； 缺點(diǎn)：薄膜質(zhì)量低，晶粒小，納米極。日本Kaneka公司

13、PECVD玻璃襯底pin結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池，效率10；南開大學(xué)結(jié)合“ 973” 項(xiàng)目PECVD實(shí)驗(yàn)室小面積電池正在研制(6%)。46澳大利亞Pacific Solar 公司PECVD玻璃襯底迭層多晶硅薄膜電池，效率6。(1)玻璃襯底，(2)多層薄膜，(3)第一次電極刻槽(4)第二次電極刻槽，(5)金屬化47硅球太陽電池。 這種電池是由在鋁箔上形成連續(xù)排列的硅球所組成的，硅球的平均直徑為1.2mm，每個(gè)小球均有p-n結(jié)，小球在鋁箔上形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10%。 硅球電池在技術(shù)上有一定的特色，但規(guī)?；a(chǎn)仍存在許多技術(shù)障礙。483.2化合物半導(dǎo)體薄膜電池 GaAs, CdTe, CuIn

14、GaSe等的禁帶寬度在11.5eV,與太陽光譜匹配較好。同時(shí)這些半導(dǎo)體是直接帶隙材料，對(duì)陽光的吸收系數(shù)大，只要幾個(gè)微米厚就能吸收陽光的絕大部分，因此是制作薄膜太陽電池的優(yōu)選活性材料。 GaAs電池主要用于空間，CdTe 和CIS電池被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)低于1美元/峰瓦成本目標(biāo)的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個(gè)研究課題。 491) CdTe電池 CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV, 理論效率28%，性能穩(wěn)定，一直被光伏界看重。工藝和技術(shù)近空間升華(CSS),電沉積，濺射、真空蒸發(fā)，絲網(wǎng)印刷等；實(shí)驗(yàn)室電池效率16.4%；商業(yè)化電池效率平均810； CdTe電池90年代初實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，20

15、02年市場份額為0.3。50我國CdTe電池的研究工作開始于80年代初。內(nèi)蒙古大學(xué)蒸發(fā)技術(shù)北太所電沉積技術(shù)，1983年效率5.8%。 90年代后期四川大學(xué)近空間升華， “ 十五 ”期間，列入國家“ 863”重點(diǎn)項(xiàng)目， 并要求建立0.5兆瓦/年的中試生產(chǎn)線。 電池效率達(dá)到 13.38。512) CIGS電池 CIGS是-族三元化合物半導(dǎo)體， 帶隙1.04eV。 70年代中后期波音公司真空蒸發(fā)， 電池效率達(dá)到9；80年代開始，ARCO Solar 公司處領(lǐng)先地位； 90年代后期，NREL保持世界記錄，19.5%；90年代初起，許多公司致力實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn) 該電池目前處在兆瓦級(jí)中試生產(chǎn)階段， ARCO

16、 Solar Simens Shell公司。52我國南開大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)和云南師大等單位于80年代中期先后開展了CIS薄膜電池研究,南開大學(xué)蒸發(fā)硒化法電池效率9.13%。“ 十五 ”列入“ 863”重點(diǎn)項(xiàng)目，并要求建立0.3兆瓦/年的中試生產(chǎn)線。目前效率12.1%53幾種薄膜電池的效率進(jìn)展543.3染料敏化TiO2太陽電池染料敏化TiO2電池實(shí)際是一種光電化學(xué)電池。早期的TiO2光電化學(xué)電池穩(wěn)定性差、效率低。1991年瑞士Grtzel 將染料敏化引入該種電池，效率達(dá)到7.1%，成為太陽電池前沿?zé)狳c(diǎn)之一。目前這種電池的實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到 11.55我國“ 十五” 列入“ 973 ”重大課題中科院等離

17、子物理所、化學(xué)所、物化所，實(shí)驗(yàn)室小面積電池效率10。中科院物理所、化學(xué)所的固態(tài)電解質(zhì)電池列入“ 863 ”，效率5。563.4 有機(jī)電池 比利時(shí)IMEC公司開發(fā)一種塑料太陽電池 使用具有施主和受主性能的有機(jī)材料， 電池效率5 574. 熱光伏 (TPV)電池 紅外輻射 TPV 電能 應(yīng)用：工業(yè)廢熱回收等。 典型器件：GaSb (Eg 0.67eV), InP, Si, 系統(tǒng)：熱源輻射器電池 效率：1000K 23，目前。 12001700K，10， 未來 585. 太陽電池的未來發(fā)展趨勢(shì) 5.1 商業(yè)化趨勢(shì) 1998年以前，單晶硅電池占市場主導(dǎo)地位，其次是多晶硅電池。 從1998年起，多晶硅電

18、池開始超過單晶硅躍居第一。 非晶硅從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。 CdTe電池從80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一； CIS電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，In是稀有元素； Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速。592001、2002年各種電池的市場份額和開始商業(yè)化時(shí)間.電池技術(shù)市場份額 %商業(yè)化時(shí)間單晶硅35.1329.4670初(地面應(yīng)用)多晶硅47.3354.4470年代末非晶硅8.625.580年代初A-Si/c-Si(n)4.615.990年代末帶硅3.483.380年代中薄硅/陶

19、瓷0.260.390年代中CdTe0.390.380年代中CIS0.18/00年代初6061 2001 2002 mc-Si 184.85 47.33% 278.9 54.44% Sc-Si 137.18 35.13% 150.91 29.46% a-Si 33.68 8.62% 28.01 5.5% a-Si/Cz 18.0 4.61% 30.0 5.9% RibbonSi 13.6 3.48 % 16.9 3.3% CdTe 1.53 0.39% 1.6 0.3% CIS 0.7 0.18% - Si/LCS 1.0 0.26% 1.7 0.3% C-Si/Sc-Si 3.7 0.7% 2

20、001、2002年太陽電池的產(chǎn)量及份額625.2技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)思考1.硅基電池: 硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富 (以石英砂形式存在)； 環(huán)境友好； 電池效率高，性能穩(wěn)定； 工藝基礎(chǔ)成熟。 硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點(diǎn)、熱點(diǎn) 晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù) 硅基薄膜電池63結(jié)晶完美化程度電池效率增加趨勢(shì)電池狀況/技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 商業(yè)化單晶硅(體)商業(yè)化生產(chǎn),280-350m24.71517多晶硅(體) 商業(yè)化,280-350m19.81315帶硅,AES商業(yè)化,八面體,300,400m161214帶硅Evergrn中試,單面,300-400m16.21214帶硅中試,EBARA,單面,300-400m17.3薄層硅/襯底中試,Austropower,300-600m1510多晶硅薄膜(高溫過程9001200),RTCVD15多晶硅薄膜(中溫過程500900),CVD?多晶硅薄膜多晶 (低溫過程500