太陽電池發(fā)展趨勢

太陽電池發(fā)展趨勢1第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二提綱1.引言：原理，簡史，分類2.晶硅電池的技術發(fā)展2.1晶硅電池的各種新技術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化合物半導體薄膜電池3.3染料敏化TiO2太陽電池(光化學電池)3.4有機電池4.太陽電池的未來發(fā)展趨勢2第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二引言：基本原理3第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二簡史(世界)◆1839年-法國Becquerel報道在光照電極插入電解質(zhì)的系統(tǒng)中產(chǎn)生光伏效應－光電化學系統(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CharlesFritts制造成第一個1％硒電池；◆1954年貝爾實驗室G.Pearson和D.Charpin研制成功6％的第一個有實用價值的硅太陽電池；4第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二紐約時報把這一突破性的成果稱為“最終導致使無限陽光為人類文明服務的一個新時代的開始?！保F(xiàn)代太陽電池的先驅(qū)；◆1958年硅太陽電池第一次在空間應用；◆20世紀60年代初，空間電池的設計趨于穩(wěn)定，◆70年代在空間開始大量應用，地面應用開始，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第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二（我國)◆1959年第一個有實用價值的太陽電池誕生◆

1971年3月太陽電池首次應用于我國第二顆人造衛(wèi)星—實踐1號上；◆

1973年太陽電池首次應用于浮標燈上；◆

1979年開始用半導體工業(yè)廢次單晶、半導體器件工藝生產(chǎn)單晶硅電池；◆

80“年代中后期引進國外關鍵設備或成套生產(chǎn)線我國太陽電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。6第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二分類1.技術成熟程度：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，Grātzel，有機電池，。3)新型概念電池：量子點、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(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)7第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2.材料；硅基電池：單晶硅，多晶硅，微晶(納晶)，非晶硅，化合物半導體電池：CdTe,CIGS,,GaAs，InP.。。有機電池，Grātzel電池(光化學電池)3.波段范圍：太陽光伏電池

熱光伏電池8第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二4.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(增加紅外吸收)電池，

◆量子點、量子阱電池，

◆熱載流子電池，。。第三代電池9第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2.晶硅電池的技術發(fā)展

2.1晶硅電池的各種技術發(fā)展2.2向高效化方向發(fā)展2.3向薄片化方向發(fā)展10第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2.1晶硅電池的技術發(fā)展單晶硅電池在70年代初引入地面應用。在石油危機推動下，太陽電池開始了一個蓬勃發(fā)展時期，這個時期不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術－1).鈍化技術：熱氧化SiO2鈍化，氫鈍化，PECVD－SiN工藝鈍化(多晶硅)，a-Si鈍化等2).陷光技術：表面織構化技術，減反射技術

11第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3)背表面場(BSF)技術4).表面織構化(絨面)技術,5).異質(zhì)結太陽電池技術:如SnO2/Si,In203/Si,ITO/Si等6).MIS電池－7).MINP電池－8).聚光電池－12第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2.2向高效化方向發(fā)展1)單晶硅高效電池：◆斯坦福大學的背面點接觸電池：＝22％特點：正負電極在同一面，沒有柵線陰影損失

13第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二◆新新南威爾士大學的PERL電池＝24.7%14第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二Fraunhofer研究所LBSC電池：＝23%15第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二◆北京太陽能研究所高效電池＝19.8%16第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二單晶硅電池的效率進展17第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二激光刻槽埋柵電池新新南威爾士大學北京太陽能研究所＝19.8%＝18.6%18第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二商業(yè)化單晶硅電池組件19第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二商業(yè)化單晶硅電池組件－SanyoaSi/c-Si電池（實驗室最好效率：＝20.7%，面積125×125）20第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2).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,◆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第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二但是多晶硅材料質(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，表面織構化困難。22第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二◆喬治亞(Geogia)工大－采用磷吸雜和雙層減反射膜技術，使電池的效率達到18.6％；

◆新南威爾士大學－采用類似PERL電池技術，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+表面織構化使1515cm2大面積多晶硅電池效率達17.7％.23第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二商業(yè)化多晶硅電池組件－Kyocera電池24第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二其中PECVD－SiN鈍化技術對商業(yè)化多晶硅電池的效率提高起到了關鍵性的作用。目前商業(yè)化多晶硅電池的效率13％－16％25第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2.3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成中的主要部分。

硅－間接半導體，理論上100m可以吸收全部太陽光。電池制造工藝－硅片厚度下限150m。降低硅片厚度是結構電池降低成本的重要技術方向之一。26第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二太陽電池向薄片化方向發(fā)展27第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二Sharp單晶硅組件28第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二UltrathinMulticrystallineSiHighEfficiencySolarCells–Fraunhofer-20.3%－世界記錄29第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二硅片厚度的發(fā)展：70年代－450～500m，80年代－400～450m。

90年代－350～400m。

目前－260～300m。～2010年200～260m?！?020年100～200m。30第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2)帶硅技術

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，刀鋒損失～200m)。過去幾十年里開發(fā)過多種生長帶硅或片狀硅技術31第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二①EFG帶硅技術采用石墨模具－電池效率13％－15％。該技術于90年代初實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，目前屬于RWE(ASE)公司所有。32第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二33第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二②蹼狀帶硅技術。在表面張力的作用下,插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會同時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,但其生長速度相對較慢。34第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二③Astropower的多晶帶硅制造技術。該技術基于液相外延工藝，襯底為可以重復使用的廉價陶瓷。實驗室太陽電池效率達到15.6％，該技術實現(xiàn)了小規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。35第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3.薄膜太陽電池3.1硅基薄膜太陽電池3.2化合物半導體薄膜電池3.3染料敏化TiO2太陽電池(光化學電池)3.4有機電池36第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3.1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實驗室－D.Carlson和C.Wronski

37第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二優(yōu)點：①資源豐富，環(huán)境安全；②光的吸收系數(shù)高，活性層只需要1m厚，省材料；③沉積溫度低，成本襯底上，如玻璃、不銹鋼和塑料膜上等。④電池/組件一次完成，生產(chǎn)程序簡單。缺點：①效率低②不穩(wěn)定－

光衰減(S-W效應)。38第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二39第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二40第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二41第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二實驗室效率：初始穩(wěn)定單結：12％6－8％雙結：13％～10％三結：15.2%～13％

商業(yè)化電池效率：單結：3％～4％雙結：～6％三結：7％～8％

42第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二

◆我國非晶硅電池研究在上世紀80年代中期形成了高潮，30多個研究組從事研究。實驗室初始效率8％～10％；

◆80年代后期哈爾濱和深圳分別從美國Chrona公司引進了1MW生產(chǎn)能力的單結非晶硅生產(chǎn)線，穩(wěn)定效率3％－4％之間。

◆自90年代后有較大收縮。

◆2000年，以雙結非晶硅電池為重點的硅基薄膜太陽電池研究被列入國家“973”項目，我國非晶硅電池的又進入一個新的研究階段。目前雙結初始實驗室效率8％～10％，穩(wěn)定效率～8％?

43第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2)多晶硅薄膜電池①高溫技術路線－以RTCVD為代表－優(yōu)點；薄膜結晶質(zhì)量好，晶粒尺寸大，容易作出高效率電池，缺點：工藝溫度高～1000℃，襯底難解決。襯底材料：陶瓷，石墨，硅片。。。44第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二Fraunhofer研究所－SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底，RTCVD－ZMR，效率分別達到9.3％和11％。RTCVD－ZMRnon-activeSi

substrate=15.12%(北太所)modellingceramic

substrate

=10.21%

(北太所)Particleribbon

Si=8.25%(廣州能源所＋北太所)

45第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二②低溫技術路線－以PECVD為代表優(yōu)點：工藝溫度低，200～300℃，襯底容易獲得：玻璃，不銹鋼等；缺點：薄膜質(zhì)量低，晶粒小，納米極。日本Kaneka公司－PECVD－玻璃襯底pin結構的多晶硅薄膜電池，效率10％；南開大學結合“973”項目－PECVD－實驗室小面積電池正在研制(~6%)。46第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二澳大利亞PacificSolar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第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二③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，每個小球均有p-n結，小球在鋁箔上形成并聯(lián)結構。實驗室效率達到10%。硅球電池在技術上有一定的特色，但規(guī)?；a(chǎn)仍存在許多技術障礙。48第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3.2化合物半導體薄膜電池

GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁帶寬度在1～1.5eV,與太陽光譜匹配較好。同時這些半導體是直接帶隙材料，對陽光的吸收系數(shù)大，只要幾個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電池被認為是未來實現(xiàn)低于1美元/峰瓦成本目標的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個研究課題。49第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二1)CdTe電池CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV,理論效率28%，性能穩(wěn)定，一直被光伏界看重。工藝和技術－近空間升華(CSS),電沉積，濺射、真空蒸發(fā)，絲網(wǎng)印刷等；實驗室電池效率16.4%；商業(yè)化電池效率平均8～10％；CdTe電池90年代初實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，2002年市場份額為0.3％。50第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二我國CdTe電池的研究工作開始于80年代初。◆內(nèi)蒙古大學－蒸發(fā)技術◆北太所－電沉積技術，1983年效率5.8%?！?0年代后期四川大學－近空間升華，“十五”期間，列入國家“863”重點項目，并要求建立0.5兆瓦/年的中試生產(chǎn)線。電池效率達到13.38％。51第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2)CIGS電池CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半導體，帶隙1.04eV?！?0年代中后期波音公司－真空蒸發(fā)，電池效率達到9％；◆80年代開始，ARCOSolar公司處領先地位；◆90年代后期，NREL保持世界記錄，19.5%；◆90年代初起，許多公司致力實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)該電池目前處在兆瓦級中試生產(chǎn)階段，

ARCOSolar－Simens－Shell公司。52第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二我國南開大學、內(nèi)蒙古大學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－蒸發(fā)硒化法－電池效率9.13%。“十五”列入“863”重點項目，并要求建立0.3兆瓦/年的中試生產(chǎn)線。目前效率12.1%53第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二幾種薄膜電池的效率進展54第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3.3染料敏化TiO2太陽電池染料敏化TiO2電池實際是一種光電化學電池。早期的TiO2光電化學電池穩(wěn)定性差、效率低。1991年瑞士Gr?tzel將染料敏化引入該種電池，效率達到7.1%，成為太陽電池前沿熱點之一。目前這種電池的實驗室效率達到11％.55第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二我國“十五”列入“973”重大課題－中科院等離子物理所、化學所、物化所，實驗室小面積電池效率10％。中科院物理所、化學所的固態(tài)電解質(zhì)電池列入“863”，效率5％。56第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二3.4有機電池比利時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材料，電池效率5％57第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二4.熱光伏(TPV)電池紅外輻射TPV

電能應用：工業(yè)廢熱回收等。典型器件：GaSb(Eg～0.6~7eV),InP,Si,系統(tǒng)：熱源－輻射器－電池效率：～1000K2～3％，目前。1200－1700K，～10％，未來

58第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二5.太陽電池的未來發(fā)展趨勢5.1商業(yè)化趨勢◆1998年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶硅電池。◆從1998年起，多晶硅電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。59第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二2001、2002年各種電池的市場份額和開始商業(yè)化時間.電池技術市場份額%商業(yè)化時間單晶硅35.13－29.4670‘初(地面應用)多晶硅47.33－54.4470年代末非晶硅8.62－5.580年代初A-Si/c-Si(n)4.61－5.990年代末帶硅3.48－3.380年代中薄硅/陶瓷0.26－0.390年代中CdTe0.39－0.380年代中CIS0.18－/00年代初

60第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二61第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二

20012002

mc-Si184.8547.33%278.954.44%

Sc-Si137.1835.13%150.91

29.46%

a-Si33.688.62%28.015.5%

a-Si/Cz18.04.61%30.05.9%RibbonSi13.63.48%16.93.3%CdTe1.530.39%1.60.3%CIS0.70.18%-Si/LCS1.00.26%1.70.3%

C-Si/Sc-Si3.70.7%

2001、2002年太陽電池的產(chǎn)量及份額62第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二5.2技術發(fā)展趨勢思考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；◆工藝基礎成熟。◆硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點、熱點

晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化技術硅基薄膜電池63第六十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期二

結晶完美化程度

電池效率增加趨勢電池狀況/技術實驗室％商業(yè)化％單晶硅(體)商業(yè)化生產(chǎn),280-350m24.715~17多晶硅(體)商業(yè)化,280-350m19.813~15帶硅,AES商業(yè)化,八面體,300,400m~1612~14帶硅Evergrn中試,單面,300-400m16.212~14帶硅中試,EBARA,單面,300-400m17.3

薄層硅/襯底中試,Austropower,300-600m~1510多晶硅薄膜(高溫過程900～1200℃),RTCVD~15

多晶硅薄膜(中溫過程500～900℃),CVD?

多晶硅薄膜多晶(低溫過程<500℃),PECVD~10

微晶(低溫過程<300℃),PECVD~10

納晶(低溫