晶体硅电池技术发展现状与趋势

1,20100331，西安晶体硅电池技术发展现状与趋势赵玉文,2,提纲1、引言2、太阳电池的基本原理及分类3、晶硅电池的技术发展4、晶硅电池的发展趋势5、结语,3,1、引言自1954年有使用意义的6单晶硅电池诞生以来，晶体硅电池在技术、产业和市场发展中一直占据着主导地位，而且在今后相当长的时间内仍将继续发挥其主导地位。因此了解晶体硅电池技术的发展把握今后光伏产业发展趋势有重要意义。,4,4,2、太阳电池的基本原理及分类1）基本原理太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。p型半导体及-n型半导体p-n结的形成电子空穴对的产生光生载流子光伏效应光生电压,5,硅中掺磷形成n型半导体,硅中掺硼形成P型半导体,p-n结的形成,6,6,光生载流子的产生,光生电压的产生,7,在阳光照射下太阳电池输出电能,8,8,2）太阳电池分类晶硅电池：单晶硅，多晶硅，带硅，球形电池等；(第一代电池实验室)薄膜电池：a-Si，a-Si/c-Si,poly-Si,CIGS，CdTe，GaAs，等；（第二代电池实验室）其他：Grtzel（光电化学电池），有机电池。新型概念电池：多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带，量子点）电池，上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，下转换器（高能光子分解成低能光子）热载流子电池等。(第三代电池实验室),9,9,3）晶硅电池发展简史1954年贝尔实验室G.Pearson和D.Charpin研制成功6的第一个有实用价值的单晶硅太阳电池。这一突破性的成果为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的新时代的开始”，是划时代的里程碑，为现代太阳电池的先驱。,1954年美国贝尔实验室,11,1958年晶硅电池首次在空间应用(美国先锋I号)；1959年美国HoffmanElectronics的晶硅电池效率突破10；60年代初西门子法制备多晶硅金属实现产业化，为太阳电池的地面大量应用奠定了材料基础；70年代初在地面得到应用，70年代末地面太阳电池产量已远超过空间电池。1985年澳大利亚新南威尔士大学的硅太阳电池效率突破20%，1998年达到24.7(25）;2004年德国实施修正的上网电价法，拉动世界光伏产业高速发展。,12,（我国)1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生；1971年3月太阳电池首次应用于我国第二颗人造卫星实践1号上；1973年太阳电池首次应用于浮标灯上；1979年开始用半导体工业废次单晶、半导体器件工艺生产单晶硅电池；80“年代中后期引进国外关键设备或成套生产线我国太阳电池制造产业初步形成。,13,晶硅电池的技术发展自上世纪60年代以来，在晶硅电池的发展过程中解决了许多关键科学和技术问题，使晶硅电池效率不断提高，实验室最好效率达到理论效率的85，产业化电池效率达到理论效率的5070，对降低光伏发电成本起到关键作用。,14,各种太阳电池效率记录的发展其中蓝色为晶硅电池,15,晶硅电池效率记录的发展,1）提高电池效率的核心技术太阳电池效率的损失机理波段损失：硅的带隙Eg=1.12eV,对应波长1.1m，大于1.1m的光无用；过剩能量损失：1.1m以下的能量大于Eg，但一个光子只能产生一个电子，过剩能量浪费掉了。硅表面反射损失；裸硅表面反射率36%；二极管非线性损失，复合损失，电阻损失等。本质上分光学损失和电学损失：把光学损失和电学损失降低到最小是迄今为止提高电池效率的所有努力都集中在这两方面。,17,（1）减少光学损失以提高电池效率陷光理论及技术裸硅表面反射率36，减少光的反射损失是提高电池效率的最重要的措施之一。最佳减反射的表面织构化技术；最佳前表面减反射涂层技术；最佳后表面反射涂层；最小的栅线遮挡。,18,（2）减少电学损失以提高电池效率最完美的晶体结构（高纯度，零缺陷）；理想p-n结技术:最佳扩散-SE技术理想钝化技术：钝化理论：使器件表面或体内晶界的光生载流子复合中心失去复合活性钝化技术：SiO2，SiNX，SiC，a-Si，H等；最小接触电阻、最大并联电阻；最佳前场和背场。,19,2）在提高效率方面的努力和案例（1）高效单晶硅电池背接触电池：Sunpower（Stamford）传统SunPower电池采用光刻工艺，23%。采用丝网印刷工艺代替光刻的降低成本，电池效率达到20%.,20,电池结构,商业化单晶硅电池组件,背接触电池（Sunpower）,21,LFC-PERC电池（激光打点接触发射区与背面钝化电池（UNSW）Fraunhofer研究所23%21.6%,光刻工艺,激光打点工艺,22,新南威尔士大学PERL电池24.7%,北京太阳能研究所高效电池19.8%,23,一种n型衬底高效电池结构,24,激光刻槽埋栅电池,新新南威尔士大学,北京太阳能研究所,19.8%,18.6%,25,SanyoHITsolarcell(a-Si/nc-Si)(HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer),a-Si层卓越钝化性能n型衬底优越性实验室最好效率：21.5%商业化电池效率；19.5,26,Time,RelativeOutput,Temperature(oC),1.0,0.5,30,50,70,40,60,8.8%UP,CellTemp.,HIT,P/Ndiffusion,HIT(-0.33%/oC),P/Ndiffusion(-0.45%/oC),NormalizedEfficiency,0.8,0.7,0.6,0.9,1.0,30,40,60,80,Temperature(oC),Smallertemperaturecoefficient,27,28,28,德国ISFH的OECO电池20%OECO(倾斜蒸发金属接触)电池特点:机械织构化+侧面栅线,倾斜蒸发金属接触,R.Hezel,R.MeyerandJ.W.Mueller,19thEuropeanPVSEC,Paris,29,（2）多晶硅高效电池多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料，能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg,800kg制造过程简单、省电、节约硅材料，因此具有更大降低成本的潜力。,但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。,30,乔治亚(Geogia)工大采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达到18.6；新南威尔士大学采用类似PERL电池技术，使电池的效率19.8Fraunhofer研究所20.3%世界记录Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面织构化使1515cm2大面积多晶硅电池效率达17.7.,31,多晶硅高效电池Fraunhofer-20.3%,32,Emitterresistance：90ohm/sqCellthickness：260mCellsize：15cm15.5cm,Kyocera商业化大面积多晶硅电池，17.7%,“d.Blue”cell,1.RIEtexturedsurface2.SiNprocess3.Shallowemitter4.Griddesign5.Contactmetallization,关键技术,33,（3）向薄片化方向发展1）硅片减薄硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。硅是间接半导体，理论上100m可以吸收大部分太阳光。通过陷光措施，30m可以吸收几乎全部太阳光。10年内可实现单晶硅120m，多晶硅150m。未来可能更簿。降低硅片厚度是降低成本的重要技术之一。,34,电池硅片厚度的发展：70年代450500m，80年代400450m。90年代320400m。目前180m。2010年150180m。2020年80120m。,35,（2）带硅技术直接拉制硅片免去切片损失(内园切割，刀锋损失300400m。线锯切割，刀缝损失140160m)。过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术,36,EFG带硅技术采用石墨模具电池效率1315。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于RWE(ASE)公司所有。,37,EDG带硅技术。在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间长出一层如蹼状的薄片。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。EDG带硅是硅带中质量最好的一种,但其生长速度相对较慢。以Evergreen和EBARA为代表。,38,利用剥离技术制薄硅片或者薄电池,39,在衬底上生长带硅Astropower的多晶带硅制造技术。衬底为可以重复使用的廉价陶瓷。实验室太阳电池效率达到15.6，该技术曾经实现了中试生产。,40,40,2.5几种新型晶硅电池1）细裂片(SLIVER)单晶硅电池从12mm厚的硅片上利用激光等技术切成50m100mm（12）mm细硅裂片：两侧边制作p-n结;电池效率：19%，组件效率：13-18%,组件反射镜,p,n,电池,41,41,42,42,滴漏法制造硅球,2）球型硅太阳电池,这种电池是在铝箔上形成连续排列的硅球所组成的，硅球的平均直径为1.2mm，每个小球均有p-n结，小球在铝箔上形成并联结构。实验室效率达到10%。,43,典型的商业化晶硅太阳电池结构示意图,(4)常规商业化晶硅太阳电池技术减少光学损失：表面织构化，减反射涂层细删线，。减少电学损失：最佳扩散，钝化，SE,最佳接触，。,44,44,44,工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术,45,45,晶硅电池组件成本下降路线图与关键技术（组件效率从14.5%开始）,46,4、晶硅电池的发展趋势（1）晶硅电池的技术优势硅是地球上丰度第二大元素（25.8）；资源丰富(以石英砂形式存在)；环境友好；电池效率高，性能稳定；技术基础雄厚(光伏硅材料和硅器件技术基础，半导体硅材料及硅器件的技术背景,)，工艺相对成熟。,47,电池效率随结晶完美程度的降低而降低；材料缺陷所带来的效率损失要通过复杂工艺弥补。,20022009世界太阳电池产量的增加情况2009年为估计值,（2）晶硅电池目前的主导地位,49,49,#2009年薄膜电池总量为估计值,20012009