晶體硅電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件

12010．03．31，西安

晶體硅電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2提綱1、引言2、太陽電池的基本原理及分類3、晶硅電池的技術(shù)發(fā)展4、晶硅電池的發(fā)展趨勢5、結(jié)語

31、引言自1954年有使用意義的6％單晶硅電池誕生以來，晶體硅電池在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，而且在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將繼續(xù)發(fā)揮其主導(dǎo)地位。因此了解晶體硅電池技術(shù)的發(fā)展把握今后光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢有重要意義。5硅中摻磷形成n

型半導(dǎo)體硅中摻硼形成P

型半導(dǎo)體p-n結(jié)的形成66光生載流子的產(chǎn)生光生電壓的產(chǎn)生7在陽光照射下太陽電池輸出電能99

電池光電化學(xué)電池其他新概念電池（第三代電池？）染料敏化電池（如有機(jī)電池等）多結(jié)電池（太陽光譜多級利用）光子的分離（下轉(zhuǎn)換）和合并（上轉(zhuǎn)換）中間帶或雜質(zhì)帶電池％115～632～3結(jié)概念證明階段電池晶硅電池薄膜電池（第二代電池？）太陽級硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(帶硅)多晶a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭層

單晶多晶％%24.716-2020.313-161713-1613－158-10>1516.5～1019.510-12～3925-28產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化部分產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化聚光示范3）晶硅電池發(fā)展簡史◆1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室G.Pearson和D.Charpin研制成功6％的第一個有實(shí)用價(jià)值的單晶硅太陽電池。這一突破性的成果為

“最終導(dǎo)致使無限陽光為人類文明服務(wù)的新時(shí)代的開始”，是劃時(shí)代的里程碑，為現(xiàn)代太陽電池的先驅(qū)。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室11◆

1958年晶硅電池首次在空間應(yīng)用(美國先鋒I號)；◆

1959年美國HoffmanElectronics的晶硅電池效率突破10％；◆60年代初西門子法制備多晶硅金屬實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為太陽電池的地面大量應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)；◆

70年代初在地面得到應(yīng)用，70年代末地面太陽電池產(chǎn)量已遠(yuǎn)超過空間電池?！?/p>

1985年澳大利亞新南威爾士大學(xué)的硅太陽電池效率突破20%，1998年達(dá)到24.7％(25％）;◆2004年德國實(shí)施修正的《上網(wǎng)電價(jià)法》，拉動世界光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。13晶硅電池的技術(shù)發(fā)展自上世紀(jì)60年代以來，在晶硅電池的發(fā)展過程中解決了許多關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，使晶硅電池效率不斷提高，實(shí)驗(yàn)室最好效率達(dá)到理論效率的85％，產(chǎn)業(yè)化電池效率達(dá)到理論效率的50％～70％，對降低光伏發(fā)電成本起到關(guān)鍵作用。

14各種太陽電池效率記錄的發(fā)展其中藍(lán)色為晶硅電池15晶硅電池效率記錄的發(fā)展17（1）減少光學(xué)損失以提高電池效率

陷光理論及技術(shù)

裸硅表面反射率~36％，減少光的反射損失是提高電池效率的最重要的措施之一。

最佳減反射的表面織構(gòu)化技術(shù)；

最佳前表面減反射涂層技術(shù)；

最佳后表面反射涂層；

最小的柵線遮擋。18

（2）減少電學(xué)損失以提高電池效率

最完美的晶體結(jié)構(gòu)（高純度，零缺陷）；理想p-n結(jié)技術(shù):最佳擴(kuò)散-SE技術(shù)

理想鈍化技術(shù)：鈍化理論：使器件表面或體內(nèi)晶界的光生載流子復(fù)合中心失去復(fù)合活性鈍化技術(shù)：SiO2，SiNX，SiC，a-Si，H等；

最小接觸電阻、最大并聯(lián)電阻；

最佳前場和背場。

192）在提高效率方面的努力和案例

（1）高效單晶硅電池

◆背接觸電池：Sunpower（Stamford）

傳統(tǒng)SunPower電池采用光刻工藝，

＝23%。

采用絲網(wǎng)印刷工藝代替光刻的降低成本，電池效率達(dá)到20%.

21

◆

LFC-PERC電池（激光打點(diǎn)接觸－發(fā)射區(qū)與背面鈍化電池（UNSW）－Fraunhofer研究所

＝23%＝21.6%

光刻工藝激光打點(diǎn)工藝22◆新南威爾士大學(xué)

PERL電池

＝24.7%◆北京太陽能研究所高效電池＝19.8%23◆一種n－型襯底高效電池結(jié)構(gòu)25◆Sanyo’HITsolarcell(a-Si/nc-Si)(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer)a-Si層卓越鈍化性能＋n型襯底優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)室最好效率：＝21.5%

商業(yè)化電池效率；＝19.5％ntypec-Si(textured)p/ia-Sii/na-Si00.20.40.60.801234Current(A)5Output(W)1.0012345AM-1.5,100mW/cm2,25℃Cellsize:100.3cm2MeasurementinAIST712mV3.837AEff.

FF78.7%Isc21.5%Voc26Time7911131517RelativeOutputTemperature(oC)1.00.530507040608.8%UPCellTemp.HITP/NdiffusionHIT(-0.33%/oC)P/Ndiffusion(-0.45%/oC)NormalizedEfficiency0.80.70.60.91.030406080Temperature(oC)Smallertemperaturecoefficient29（2）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,800kg◆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。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。30◆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％.31多晶硅高效電池Fraunhofer-＝

20.3%32Emitterresistance：90ohm/sqCellthickness：260μmCell

size：15

cm×15.5

cm

Kyocera商業(yè)化大面積多晶硅電池，

＝17.7%“d.Blue”cell1.RIEtexturedsurface2.SiNprocess3.Shallowemitter4.Griddesign5.Contactmetallization

關(guān)鍵技術(shù)33（3）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。硅是間接半導(dǎo)體，理論上100m可以吸收大部分太陽光。通過陷光措施，30

m可以吸收幾乎全部太陽光。10年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)單晶硅120m，多晶硅150m

。未來可能更簿。

降低硅片厚度是降低成本的重要技術(shù)之一。

34

電池硅片厚度的發(fā)展：70年代－450～500m，80年代－400～450m。

90年代－320～400m。

目前－180m。2010年－150～180m。2020年－80～120m。

35（2）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300～400m。

線鋸切割，刀縫損失140～160m)。過去幾十年里開發(fā)過多種生長帶硅或片狀硅技術(shù)36

EFG帶硅技術(shù)

采用石墨模具－電池效率13％－15％。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。37EDG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長出一層如蹼狀的薄片。切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶制作太陽電池。EDG帶硅是硅帶中質(zhì)量最好的一種,但其生長速度相對較慢。以Evergreen和EBARA為代表。38利用剝離技術(shù)制薄硅片或者薄電池39在襯底上生長帶硅Astropower的多晶帶硅制造技術(shù)。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)曾經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中試生產(chǎn)。40402.5幾種新型晶硅電池1）細(xì)裂片(SLIVER)單晶硅電池

從1～2mm厚的硅片上利用激光等技術(shù)切成～50m×100mm×（1～2）mm細(xì)硅裂片：兩側(cè)邊制作p-n結(jié);電池效率：>19%，組件效率：＝13-18%組件反射鏡pn電池41410.1mm2mm100mmIllumination~1,000completedsolarcells,Cuts4242PressureSchematicoffabricationofsphericalSiCrucibleMoltenSiSphericalSi滴漏法制造硅球2）球型硅太陽電池反射鏡和n-電極硅球電池

n層P型絕緣層p電極1mm反射鏡和n-電極這種電池是在鋁箔上形成連續(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%。43典型的商業(yè)化晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖(4)常規(guī)商業(yè)化晶硅太陽電池技術(shù)

◆減少光學(xué)損失：表面織構(gòu)化，減反射涂層

細(xì)刪線，。。

◆減少電學(xué)損失：最佳擴(kuò)散，鈍化，SE,最佳接觸，

，

。。。444444◆工業(yè)化單晶硅電池效率路線圖與關(guān)鍵技術(shù)4545晶硅電池組件成本下降路線圖與關(guān)鍵技術(shù)（組件效率從14.5%開始）464、晶硅電池的發(fā)展趨勢（1）晶硅電池的技術(shù)優(yōu)勢◆硅是地球上豐度第二大元素（25.8％）；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；◆技術(shù)基礎(chǔ)雄厚(光伏硅材料和硅器件技術(shù)基礎(chǔ)，半導(dǎo)體硅材料及硅器件的技術(shù)背景,)，工藝相對成熟。

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◆電池效率隨結(jié)晶完美程度的降低而降低；◆材料缺陷所帶來的效率損失要通過復(fù)雜工藝彌補(bǔ)。2002－2009世界太陽電池產(chǎn)量的增加情況2009年為估計(jì)值（2）晶硅