高效晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

高效晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

0太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率太陽能資源豐富，分布廣泛。這是最具潛力的可支配能源。隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出,太陽能光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利和高效等特點(diǎn),已成為世界各國普遍關(guān)注的重點(diǎn)研究領(lǐng)域和大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中,將低成本規(guī)模化開發(fā)利用可再生能源納入能源領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的主題,要求重點(diǎn)開發(fā)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)?？萍疾堪l(fā)布的《太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出,到2015年光伏發(fā)電成本下降到0.8元/千瓦時(shí);到2020年光伏發(fā)電成本下降到0.6元/千瓦時(shí)。降低光伏發(fā)電成本的最核心和關(guān)鍵的技術(shù)是提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)理論計(jì)算,光伏太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率每提高一個(gè)百分點(diǎn),光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本將降低7%左右。盡管制備太陽電池的半導(dǎo)體材料很多,由于硅是地殼上最豐富的元素半導(dǎo)體,能隙寬度為1.12eV,從能量轉(zhuǎn)換效率來看是一種較理想的太陽電池材料。自1954年第一個(gè)光電轉(zhuǎn)換效率為6%的單晶硅太陽電池問世以來,晶體硅電池的實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室效率世界紀(jì)錄已經(jīng)從20世紀(jì)50年代末的10%提高到目前的25%,多晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室效率世界紀(jì)錄也達(dá)到了20.4%。在產(chǎn)業(yè)化方面,2012年全球的太陽電池產(chǎn)量達(dá)到了34.7GW,其中晶體硅太陽電池占90%的份額。中國大陸晶體硅太陽電池產(chǎn)量均以100%以上的年增長率快速發(fā)展。2012年中國大陸太陽電池的產(chǎn)能為37GW,產(chǎn)量達(dá)到了21GW,其中98%都是晶體硅電池,占到全球產(chǎn)量的56%,連續(xù)6年產(chǎn)量位居全球第一。商業(yè)化單晶太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19%左右,多晶硅電池效率達(dá)到17.5%左右。光伏組件成本價(jià)格從20世紀(jì)70年代的70美元/Wp,下降到2012年底的約0.7美元/Wp。本文首先分析了太陽電池效率損失機(jī)制,給出了提升太陽電池效率的措施,然后綜述了高效率晶體硅太陽電池研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。1單p-n結(jié)太陽電池效率提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是光伏領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。由于光伏材料本身能帶特性的限制,利用這些材料制備的太陽電池效率有一個(gè)極限值。理論模型計(jì)算在一個(gè)太陽輻照下,單p-n結(jié)太陽電池最高效率是31%,硅單結(jié)太陽電池最高效率是29%。這被稱為量子轉(zhuǎn)換的肖克利-奎伊瑟(S-Q)極限。除能帶特性限制之外,太陽電池轉(zhuǎn)換效率還受到電池表面的光學(xué)特性、電池內(nèi)部載流子輸運(yùn)和收集特性以及電極的歐姆接觸特性的影響,實(shí)際制備的太陽電池效率要低于理論最大值。圖1給出了單p-n結(jié)太陽電池效率損失機(jī)制。從圖1可以看出,單p-n結(jié)太陽電池效率損失機(jī)制主要有五類:(1)長波長的入射光子能量小于材料的禁帶寬度不能被吸收,導(dǎo)致入射光直接穿過電池而損失掉;(2)短波長入射光子能量遠(yuǎn)高于材料的禁帶寬度,產(chǎn)生的高能量電子-空穴對通過與晶格碰撞的熱弛豫而損失掉部分能量;(3)光生電子和空穴穿躍p-n結(jié)的復(fù)合損失;(4)光生電子和空穴在電極接觸界面的復(fù)合損失;(5)光生電子和空穴在襯底內(nèi)復(fù)合損失。分析這些原因,效率損失機(jī)制中的(1)和(2)是來自長波長和短波長光子的損失,導(dǎo)致了單p-n電池僅能吸收太陽光譜的一部分,而位于可見光之外的大部分紅外光譜都浪費(fèi)掉了,解決這一問題的辦法是通過疊層電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制寬光譜吸收太陽電池。效率損失機(jī)制(3),(4),(5)是來自電池表面和p-n結(jié)內(nèi)的各種載流子復(fù)合,解決方案是采用不同的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鈍化技術(shù)來抑制光生載流子復(fù)合損失的發(fā)生。2晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)普通晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖看出影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要原因包括電池前表面光反射損失、電極柵線遮擋引起的光學(xué)損失、表面及襯底內(nèi)的光生載流子復(fù)合損失和金屬柵線接觸的電阻損失等。針對這些問題,研究人員設(shè)計(jì)了不同的太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)來推進(jìn)硅太陽電池效率的提升,使單晶硅太陽電池的效率從1954年的6%提高到2010年的25%,接近晶體硅太陽電池的理論效率。在眾多的太陽電池結(jié)構(gòu)中,有三種太陽電池的實(shí)驗(yàn)室電池效率超過了24%,它們代表了晶體硅太陽電池實(shí)驗(yàn)室的最好水平,這三種太陽電池結(jié)構(gòu)分別是:鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散(passivatedemitterandrearlocally-diffused,PERL)電池、具有本征非晶Si界面層的異質(zhì)結(jié)(heterojunctionwithintrinsicthin-layer,HIT)電池和交指式背接觸(interdigitatedbackcontact,IBC)電池。表1給出了這三種電池實(shí)驗(yàn)室的效率參數(shù)。表中S是電池面積,Voc是開路電壓,Jsc是短路電流密度,FF是填充因子,η是效率。2.1電池技術(shù)測試PERL電池結(jié)構(gòu)是澳大利亞新南威爾士大學(xué)研制的PERL電池,電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25%,接近理論值。這種電池獲得了迄今為止最高的非聚光晶體硅太陽電池效率。圖3給出了這種電池的結(jié)構(gòu)圖。為提高電池效率,該電池采用了如下電池技術(shù):(1)通過光刻開窗口和堿溶液各向異性腐蝕技術(shù),制備出了排列整齊的倒金字塔絨面,然后表面淀積了雙層減反射膜,使電池表面光反射損失降至最低;(2)電池前表面采用了密細(xì)柵線技術(shù)。通過光刻的方法形成2!m寬的金屬接觸窗口以及柵線籽層,再用電鍍方法形成寬度小于20!m的柵線電極,使電池表面柵線遮光率降低;(3)采用了選擇性發(fā)射極技術(shù),通過熱生長的20nm厚的SiO2薄膜鈍化電池的表面和背面,并利用點(diǎn)接觸背面金屬結(jié)構(gòu)和金屬接觸孔的重?fù)诫s擴(kuò)散(n+或p+)鈍化技術(shù),進(jìn)一步降低了電池的表面復(fù)合速率。這些技術(shù)促進(jìn)了電池效率特性的持續(xù)提升。圖4給出了PERL電池的效率進(jìn)展。2.2微膠囊的心理氣調(diào)濕三基亞甲基材料以及熱壓工藝等金HIT電池是由晶體硅和非晶硅組成的異質(zhì)結(jié)太陽電池。為提高電池效率該電池采用了如下電池結(jié)構(gòu):(1)采用異質(zhì)結(jié)構(gòu),使電池具有750mV的高開路電壓,比硅同質(zhì)結(jié)電池的最高開路電壓721mV高出了2%;(2)在異質(zhì)結(jié)界面插入一層本征非晶硅薄層來鈍化電池的正、背表面,從而大幅度降低了表面載流子復(fù)合;(3)采用寬帶隙的非晶SiC薄膜作為發(fā)射極以及透明導(dǎo)電氧化物(transparentconductingoxide,TCO)材料作為窗口層來提高發(fā)射極的光透過率和導(dǎo)電性;(4)電池全部制作工藝都是在200℃左右的低溫下完成的,有效地保護(hù)了硅片載流子壽命。圖5給出HIT電池的結(jié)構(gòu)圖。日本三洋電機(jī)公司一直保持HIT電池效率的領(lǐng)先地位,圖6給出了三洋公司HIT電池的效率提升進(jìn)展。效率提高的幾個(gè)最重要里程碑是:2004年使用100.3cm2的單晶硅片研發(fā)出了21.5%(Voc=712mV,短路電流Isc=3.837A,FF=78.7%)的HIT電池,隨后通過發(fā)展高質(zhì)量的a-SiC和TCO薄膜作為電池的發(fā)射極和窗口層,HIT電池的效率在2009年提高到23.0%。在2012年初,HIT電池達(dá)到了全球第二高的晶體硅電池效率紀(jì)錄24.7%。2.3采用p+和n+交錯(cuò)間隔的交叉法作IBC電池結(jié)構(gòu)是一種電極具有交指形狀的背結(jié)和背接觸太陽電池,電池結(jié)構(gòu)如圖7所示。為提高電池效率,該電池具有如下特點(diǎn):第一,與PERL和HIT電池比較,電池前表面沒有柵線,正負(fù)電極采用交叉排列的方式被制備在電池背面,避免了常規(guī)電池正面柵線約6%的遮光損失;第二,背面利用擴(kuò)散法做成p+和n+交錯(cuò)間隔的交叉式電極接觸高摻雜區(qū)(如圖7所示),通過氧化硅鈍化膜上開孔,實(shí)現(xiàn)金屬電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的點(diǎn)接觸連接,降低了光生載流子的背表面復(fù)合速率;第三,由于背接觸結(jié)構(gòu),IBC電池的串聯(lián)電阻低于傳統(tǒng)電池,具有高的填充因子。由于上述特點(diǎn),國際上知名的光伏研究機(jī)構(gòu)都投入巨資研究IBC電池,如美國Sunpower公司、德國的弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所和比利時(shí)IMEC研究所等。美國Sunpower公司一直保持IBC電池效率的領(lǐng)先地位,圖8給出了IBC電池的效率進(jìn)展。幾個(gè)重要的效率進(jìn)展是:2004年報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功具有21.5%效率的大面積(S=149cm2)IBC結(jié)構(gòu)太陽電池,2010年使用CZn型Si襯底,在面積為155.1cm2硅片上實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的IBC電池效率達(dá)到了24.2%,成為全球第三高的晶體硅太陽電池效率。3有效硅太陽電池3.1高效率和低成本技術(shù)路線在各種高效電池結(jié)構(gòu)研發(fā)和制備技術(shù)的推動下,實(shí)驗(yàn)室晶體硅太陽電池效率正在趨近其29%的極限值。在這些研究中,科學(xué)家們?yōu)樘魬?zhàn)太陽電池效率的極限,在實(shí)驗(yàn)室使用了極其復(fù)雜的制備工藝及昂貴的制備技術(shù),使晶體硅實(shí)驗(yàn)室太陽電池的效率達(dá)到了25%,并進(jìn)一步努力來突破這個(gè)效率值。然而目前工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的大多數(shù)單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約19%左右,采用高效率高成本技術(shù)路線的HIT和IBC電池的產(chǎn)業(yè)化電池效率分別在21%和22%左右。對于太陽電池的產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),如果使用復(fù)雜和昂貴的制造技術(shù)將導(dǎo)致太陽電池的制備成本提高,無法轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)。因此發(fā)展高效率低成本的技術(shù)路線成為光伏科學(xué)家們的追求目標(biāo),特別是效率超過20%的高效率低成本晶體硅電池已成為規(guī)?；a(chǎn)太陽電池的發(fā)展趨勢?？萍疾堪l(fā)布的《太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》把效率20%以上低成本晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化課題作為優(yōu)先發(fā)展的目標(biāo)。3.2高效率低成本晶體硅太陽電池的發(fā)展方向在高效率低成本晶體硅電池研發(fā)方面中國走在了世界前列。從2009年開始,在全球排名前十的中國光伏制造企業(yè)都投入巨資開發(fā)高效率低成本的晶體硅太陽電池,取得了豐碩成果,有的已經(jīng)開始大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。例如英利集團(tuán)研發(fā)的“PANDA(熊貓)”太陽電池技術(shù)、尚德電力的“PLUTO(冥王星)”電池技術(shù)、天合光能的“HONEYULTRA”電池技術(shù)、晶澳太陽能的“PERCIUM(博賽)”電池技術(shù)、阿特斯電力的“ELPS”電池技術(shù)、海潤光伏的ANDES技術(shù)、中電光伏公司的WARATAH和QSAR技術(shù)等高效率低成本的電池效率都已超過或接近20%,這些技術(shù)代表了高效率低成本晶體硅太陽電池的發(fā)展方向。表2給出了中國光伏企業(yè)高效率低成本晶體硅太陽電池的總結(jié)。從表2看出雙面電池結(jié)構(gòu)、鈍化發(fā)射極背場點(diǎn)接觸(passivatedemitterandrearcontact,PERC)電池結(jié)構(gòu)、PERL電池結(jié)構(gòu)和金屬穿孔卷繞(metallizationwrap-through,MWT)電池結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為中國光伏產(chǎn)業(yè)主要使用的高效率太陽電池結(jié)構(gòu)。為在低成本下實(shí)現(xiàn)高效率,在制備工藝上對實(shí)驗(yàn)室電池復(fù)雜及昂貴的電池制備工藝進(jìn)行了簡化,使用了諸如選擇性發(fā)射極激光摻雜、激光燒蝕背面鈍化層形成點(diǎn)接觸孔、Al2O3或SiOx膜背鈍化等新型制備技術(shù),同時(shí)盡可能與現(xiàn)有的電池制備工藝兼容。3.3“教”—PANDA電池在上述太陽電池中,PANDA電池是高效率低成本太陽電池的典型代表,它是唯一的一種基于n型硅的高效率低成本太陽電池。相對于p型硅電池,n型硅電池效率的光致誘導(dǎo)衰減(LID)極低,此外n型Si對某些金屬雜質(zhì)的敏感性低,在相同的雜質(zhì)濃度下,n型Si比p型Si有更高的少數(shù)載流子壽命。這些特性導(dǎo)致了n型Si電池比p型Si電池具有長壽命和高效率的特點(diǎn),使全球頂尖的光伏研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都投入巨資進(jìn)行n型Si電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,導(dǎo)致n型硅電池的市場份額逐年增加,圖9給出了n型硅太陽電池市場份額的發(fā)展趨勢。從圖9可以看出,目前n型單晶硅電池約占整個(gè)晶體硅市場份額的15%,到2020年將增加到50%。而n型多晶硅太陽電池由于摻雜均勻性極為困難,目前還沒有規(guī)?；漠a(chǎn)品,預(yù)計(jì)大的技術(shù)突破仍需要2~3年的時(shí)間。圖10給出了“熊貓”電池的結(jié)構(gòu)。熊貓電池具有以下特點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)簡單,電池發(fā)射極位于前表面,與圖2所示普通的晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)相同,電池制備工藝與現(xiàn)有的電池制備工藝兼容,導(dǎo)致了工藝步驟少制備成本低;(2)前面和背面電極柵線結(jié)構(gòu)相同,使電池前后表面都能吸收入射光,因此熊貓電池是一種雙面電池,從而提高了電池的單位面積發(fā)電量;(3)電池是n型硅太陽電池,由于n型硅電池能夠克服常規(guī)p型Si太陽電池在光照下出現(xiàn)效率初始衰減,使n型Si電池比p型Si電池在壽命周期中能產(chǎn)生更多的電力,導(dǎo)致了發(fā)電成本的降低;(4)“熊貓”電池采用了淺結(jié)高方阻的前表面發(fā)射極的結(jié)構(gòu),而且能有效降低常規(guī)晶體硅電池發(fā)射極“死層”的影響,提高太陽電池對藍(lán)光的光譜響應(yīng)。圖11給出了PANDAn型Si太陽電池組件輸出功率的初始光誘導(dǎo)衰減特性與常規(guī)p型硅電池組件比較。從圖中可以看出,常規(guī)p型硅組件的LID約在1.4%,而PANDAn型硅組件的LID約在0.1%,可以忽略不計(jì)。這是由于Si襯底中硼氧對的濃度極低,在光照下不會引起少數(shù)載流子壽命降低,電池效率的LID衰減幾乎為零。PANDA太陽電池在156mm×156mm大面積普通CZn型Si片上的效率已經(jīng)超過了20%。最新的第三方認(rèn)證測量電池的Voc=649.3mV,Jsc=38.7mA/cm2,FF=80.1%