太陽電池發(fā)展趨勢(shì)

太陽電池發(fā)展趨勢(shì)1第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日提綱引言：原理，簡(jiǎn)史，分類晶硅電池的技術(shù)發(fā)展晶硅電池的各種新技術(shù)向高效化方向發(fā)展向薄片化方向發(fā)展薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池化合物半導(dǎo)體薄膜電池染料敏化TiO2太陽電池(光化學(xué)電池)有機(jī)電池太陽電池的未來發(fā)展趨勢(shì)2第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.引言：基本原理3第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日簡(jiǎn)史(世界)1839年-法國(guó)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(guó)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(guó)人Charles

Fritts

制造成第一個(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第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日紐約時(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?！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(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第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（我國(guó))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(guó)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(guó)外關(guān)鍵設(shè)備或成套生產(chǎn)線我國(guó)太陽電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。6第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日分類技術(shù)成熟程度：晶硅電池：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，薄膜電池：a-Si，CIGS，CdTe，球形電池，多晶硅薄膜，Grātzel，有機(jī)電池，。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)7第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.材料；硅基電池：?jiǎn)尉Ч瑁嗑Ч?，微?納晶)，非晶硅，化合物半導(dǎo)體電池：CdTe,CIGS,,GaAs，InP.。。有機(jī)電池，Grātzel

電池(光化學(xué)電池)3.波段范圍：太陽光伏電池?zé)峁夥姵?第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日4.光子吸收帶隙理論：?jiǎn)螏峨姵?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9第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.晶硅電池的技術(shù)發(fā)展晶硅電池的各種技術(shù)發(fā)展向高效化方向發(fā)展向薄片化方向發(fā)展10第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.1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)期不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術(shù)－鈍化技術(shù)：熱氧化SiO2鈍化，氫鈍化，

PECVD－SiN工藝鈍化(多晶硅)，a-Si鈍化等陷光技術(shù)：表面織構(gòu)化技術(shù)，減反射技術(shù)11第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日3)背表面場(chǎng)(BSF)技術(shù)4).表面織構(gòu)化(絨面)技術(shù),ITO/Si等異質(zhì)結(jié)太陽電池技術(shù):如SnO2/Si,

In203/Si,MIS電池－MINP電池－聚光電池－12第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.2向高效化方向發(fā)展單晶硅高效電池：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第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日新新南威爾士大學(xué)的PERL電池＝24.7%14第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日Fraunhofer研究所LBSC電池：＝23%15第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日北京太陽能研究所高效電池＝19.8%16第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日單晶硅電池的效率進(jìn)展17第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日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第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業(yè)化單晶硅電池組件19第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業(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125×125）20第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(jiǎn)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，2022年，8月28日但是多晶硅材料質(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。22第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日喬治亞(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15

15cm2大面積多晶硅電池效率達(dá)17.7％.23第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業(yè)化多晶硅電池組件－Kyocera電池24第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日其中PECVD－SiN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13％－16％25第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(gòu)成中的主要部分。硅－間接半導(dǎo)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第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日太陽電池向薄片化方向發(fā)展27第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日Sharp單晶硅組件28第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日Ultrathin

Multicrystalline

Si

High

EfficiencySolar

Cells

–Fraunhofer-20.3%－世界記錄29第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日硅片厚度的發(fā)展：70年代－450～500

m，目前 －

260～300～2010年～2020年200～260100～20080年代－400～450

m。90年代－350～400m。m。m。m。30第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日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300～400

m。線鋸切割，刀鋒損失～200

m)。過去幾十年里開發(fā)過多種生長(zhǎng)帶硅或片狀硅技術(shù)31第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日①EFG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。32第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日33第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日②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(zhǎng)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(zhǎng)速度相對(duì)較慢。34第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日③Astropower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)。35第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池化合物半導(dǎo)體薄膜電池染料敏化TiO2太陽電池(光化學(xué)電池)有機(jī)電池36第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(shí)驗(yàn)室－D.Carlson和C.Wronski37第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：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1

m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(jiǎn)單。缺點(diǎn)：①效率低②不穩(wěn)定－光衰減(S-W效應(yīng))。38第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日39第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日40第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)室效率：初始單結(jié)：12％雙結(jié)：13％三結(jié)：15.2%穩(wěn)定6－8％～10％～13％商業(yè)化電池效率：?jiǎn)谓Y(jié)：雙結(jié)：三結(jié)：3％～4％～6％7％

～8％42第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國(guó)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8％～10％；80年代后期哈爾濱和深圳分別從美國(guó)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3％－4％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(guó)家“973”項(xiàng)目，我國(guó)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8％～10％，穩(wěn)定效率～8％?43第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日2)多晶硅薄膜電池①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，缺點(diǎn)：工藝溫度高～1000℃，襯底難解決。襯底材料：陶瓷，石墨，硅片。。。第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(dá)到9.3％和11％。RTCVD－ZMRnon-active

Si

substratemodelling

ceramic

substrate=15.12%(北太所)=10.21%(北太所)Particle

ribbonSi

=8.25%(廣州能源所＋北太所)45第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日②低溫技術(shù)路線－以PECVD為代表優(yōu)點(diǎn)：工藝溫度低，200～300℃，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－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第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日澳大利亞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第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(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)模化生產(chǎn)仍存在許多技術(shù)障礙。48第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.2化合物半導(dǎo)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(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。49第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日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(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8～10％；CdTe電池90年代初實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，2002年市場(chǎng)份額為0.3％。50第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國(guó)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(guó)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％。51第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日2)CIGS電池CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ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

Solar

－Simens

－Shell公司。52第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國(guó)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%?！?/p>

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第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日幾種薄膜電池的效率進(jìn)展54第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.3染料敏化TiO太陽電池2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Gr?tzel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第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國(guó)“

十五”

列入“

973

”重大課題－中科院等離子物理所、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％。56第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.4

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％57第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日4.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

～0.6~7eV),InP,Si,系統(tǒng)：熱源－輻射器－電池效率：～1000K

2～3％，目前。1200－1700K，～10％，

未來58第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日5.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(chǎng)主導(dǎo)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(chǎng)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(chǎng)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。59第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2001、2002年各種電池的市場(chǎng)份額和開始商業(yè)化時(shí)間.電池技術(shù)市場(chǎng)份額%商業(yè)化時(shí)間單晶硅35.13－29.4670‘初(地面應(yīng)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，2022年，8月28日61第六十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日20012002mc-Si184.8547.33%278.954.44%Sc-Si137.1835.13%150.9129.46%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-Si3.7

0.7%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，2022年，8月28日5.2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第六十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日電結(jié)

池晶

效完

率美

增化

加程

趨度

勢(shì)電池狀況/技術(shù)實(shí)驗(yàn)室％商業(yè)化％單晶硅(體)24.715~17商業(yè)化生產(chǎn),280-350

m商業(yè)化,280-350

m多晶硅(體)帶硅,AES

帶硅Evergrn商業(yè)化,八面體,300,400

m中試,單面,300-400

m19.8~1616.213~1512~1412~14帶硅薄層硅/襯底中試,EBARA,單面,300-400

m中試,Austropower,300-600

m17.3~1510(高溫過程900～1200℃),RTCVD多晶硅薄膜多晶硅薄膜(中溫過程500～900℃),CVD多晶

多晶

(低溫過程<500℃),PECVD硅薄膜

微晶

(低溫過程<300℃),PECVD~15?~