2012太阳能光伏发电现状与未来-讲座.ppt

2012太阳能光伏发电现状与未来,沈辉（shenhui1956广东省光伏技术重点实验室,光伏产业现状与发展,主要内容,中山大学光伏团队简介光伏发展若干问题2011光伏产业发展现状（Photon光伏数据）世界太阳电池前20家企业排名、全球太阳电池生产量在企业与国家所占份额各类太阳电池所占百分比、世界10大薄膜太阳电池企业2012光伏产业发展展望世界10大薄膜太阳电池企业产能、世界前20家太阳电池产能比较2008-2012太阳电池产量与产能、2004-2012太阳电池价格发展趋势,中山大学光伏团队简介,可再生能源：太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等太阳能技术：光热产业与光伏产业中山大学太阳能光伏团队：1.太阳能系统研究所，广州-大学城2005年成立，主要骨干来自中国科学院2.电力电子及控制技术研究所，珠海-唐家湾2003年成立，主要骨干来自教育部重点实验室顺德中山大学太阳能研究院，顺德-大良2010年成立，顺德区与中山大学共建广东省教育厅重点实验室，2006广东省光伏技术重点实验室，2011,我们编著的相关书籍：（目的：专业教材与技术参考）沈辉、曾祖勤主编:太阳能光伏发电技术，化学工业出版社，2005沈辉、曾祖勤主编：马振基校订：太阳能光电技术，五南图书出版社，2008（台湾版）刘正新、沈辉,译著：太阳电池，化学工业出版社，2010吴志坚、叶枝全、沈辉，主编:新能源和可再生能源的利用，机械工业出版社，2006沈辉、刘勇、徐学青，编著:纳米技术与太阳能利用，化学工业出版社，2012沈辉、褚玉芳、王丹萍、张原，译著：太阳能光伏建筑设计，科学出版社，2012？另有3-5本专业教材正在编写或翻译之中，预计2013-2015年陆续出版。正在修改与编写的有：多晶硅与硅片工艺、晶体硅太阳电池工艺、光伏电站设计与建造、漫谈太阳能发电技术、太阳能光伏发电技术（第二版）、光伏器件与系统检测技术等。正在翻译：硅薄膜太阳电池、纳米磁性颗粒在医学中应用,我们的的光荣与骄傲：学生遍布国内外光伏著名企业,部分毕业的学生的工作单位,德国Schmid：汪保卫博士生（技术总监）、赵汝强硕士挪威Norut：胡芸菲博士、张陆成博士；瑞典：宋文祥硕士美国NREL：张臻博士（在天合光能担任组件部研发总监）天合光能：杨阳博士、陈达明博士、陈奕峰博士生（德）海润光伏：陶隆忠博士（研发部副总监）、杨灼坚硕士、朱彦彬硕士赛维LDK：李军勇硕士；阿特斯：张为国硕士南玻光伏：许欣翔硕士、梁学勤硕士；江西晶科：金井升硕士（在职博士）；南通欧贝黎：夏建汉博士（技术总监）广东爱康：班群博士（研发总监）；广州南网综合能源：李达博士广州赛迪：朱薇桦；国家光伏检测中心（广东）：1博士、3硕士晶澳：1硕士、BYD：1博士中山大学：4博士、桂林理工2博士、佛山职院1博士后,2009年2035年煤炭%4033天然气%2122水电%1615核电%1313油%51太阳能、风力及其它可再生能源%211生物燃料和垃圾%14Source:InternationalEnergyAgency,光伏发展的若干问题未来世界电能供应结构,光伏发展的若干问题,有争议问题：光伏发电与风电、生物质能发电优劣之说?风电：地域性（资源分布、昼夜差异，风电并网存在问题）、安全性考虑（我国地质灾难频繁，近海风电要考虑海啸、地震）限制；生物质能：农村沼气、城市垃圾利用，像巴西等大规模生物柴油推广不适合我国国情（人口众多要首先解决粮食问题）；太阳能光伏：从天上到人间，与人类生活、生产节奏相同，安全、环保、移动性、建筑结合、可大可小、看法：都有发展必要，但风电、生物质能受限制较多，长远来看，太阳能发展前景更好。,光伏发展的若干问题,多晶硅高耗能、高污染之说？-只有高耗能、高污染企业，没有高耗能、高污染行业，像钢铁、玻璃、水泥与多晶硅等是现代文明离不开的；-此外，从晶体硅电池来看，每瓦电池的能耗在2年之内就可回收，不是高耗能，污染可以处理（半导体产业）晶体硅电池技术完全成熟，没有研究必要？晶体硅电池效率极限29%，实验室25%（小面积），我国生产16-19%，仍有提升空间；与半导体行业相比，晶体硅电池在标准化等还在初期阶段！此外，纳米技术、光谱转换、电学、光学等都有发展空间晶体硅电池与非晶硅电池之争？晶体硅至今是发展主导产品，薄膜电池有发展优势：柔性、建筑幕墙、移动性，但还看不出薄膜电池何时取代晶体硅电池。非晶硅独霸消费形产品、大规模是碲化镉一家独占，铜铟镓硒正在发展,2011国内外光伏发展现状,据EPIA统计，2011年全球光伏并网安装量达到27.7GW，比2010年增加了近70%。根据NPDSolarbuzz最新亚太主要太阳能市场季度研究报告，2011年中国装机量高达2.9GW，年度同比成长超过500%。截至2011年末，全球光伏累计安装总量已达67.4GW，光伏成为水电、风电之后的第三大可再生能源。具体数据要看2012年4期出版的Photon杂志（多种语言）德文版Photon、德文版Solar/Waerme/Wind国内缺少权威性可再生能源杂志！,企业情况简介,1。Suntech，无锡尚德，晶体硅电池与组件，美国上市2。FirstSolar，美国公司，CdTe薄膜电池3。JASolar，河北晶澳，晶体硅太阳电池与组件，美国上市4。YingliGreenEnergy，河北英利集团，晶体硅电池与组件，美国上市5。TrinaSolar，常州天合，晶体硅电池与组件，美国上市6。Motech，台湾茂迪，晶体硅电池7。CanadianSolar，苏州阿特斯，晶体硅电池与组件，美国上市8。HareonSolar，江阴海润，晶体硅电池与组件，国内上市9。Sunpower，美国公司，效率超过20%晶体硅电池10。Gintech，台湾大阳，晶体硅电池,企业情况简介,11。HamwhaSolarOne，韩国韩华公司，晶体硅电池与组件，美国上市12。NeoSolarPower，台湾企业13。Q-Cells,德国公司，晶体硅电池与组件，已经宣布破产14。JinkoSolar,晶科，晶体硅电池与组件15。REC,挪威公司，晶体硅电池，在新加坡设厂16。Sharp,日本公司，晶体硅电池、硅薄膜电池17。LDKSolar,江西赛维LDK18。Kyocera,日本企业，晶体硅电池19。Eging.晶体硅电池20。Solarworld,德国公司，晶体硅电池20。SolarFrontier,日本公司，CIGS薄膜电池,光伏产业最近形势,美国金融危机欧洲债券危机国内外大多数光伏企业处境艰难美国数个光伏企业破产、REC关闭电池厂、国内多个企业开工不足，订单急剧下降。最终结果：-一是一些企业倒闭，行业兼并、重组；二是光伏发电成本降低，大规模应用的时机到来。光伏将更快、更健康发展！与此同时，也有企业投人光伏产业：在广东如中电投、大族激光、太阳岛等，在陕西如比亚迪，在江苏如富士康等光伏电站建设正在成为新的热点，我国应该将建设光伏电站作为重大基础设施来发展，将光伏发展放在适当的战略高度，至少像发展半导体照明、新能源汽车一样。,光伏产业最近形势,我国在光伏产业上取得了举世瞩目的成功，已经形成了完整的光伏产业链，我国正在从光伏制造大国走向强国发展的起步阶段；随着世界经济的发展，光伏技术与产业将得到更快发展，大规模推广光伏发电时代即将到来。2040-2050年可再生能源将占有40-50%的份额，光伏至少在其中占到三分之一以上；晶体硅太阳电池仍然是主流产品，近期18-20%效率的晶体硅电池技术将会有很大的发展；薄膜太阳电池技术是光伏技术的重要研究方向，柔性电电池与BIPV薄膜组件具有很好的市场发展潜力；,光伏产业最近形势风景这边独好！,广东光伏产业发展比较平稳（应用产品为主、面向市场发展）珠海兴业：金太阳工程、光电建筑项目建设国内领先，东奥岛海岛电站广州儒兴：2011年，太阳电池铝浆产值超过10亿元（不足300员工），目前有推出银浆，发展势头很好（许红梅）广东爱康：2011年盈利超过1个亿，现在每月稳赚1000多万（班群）深圳珈伟照明上市，以太阳能半导体照明产品为主南玻光伏：产业发展坚挺，7月举行大型光伏新产品推介活动（许欣翔、梁学勤）东莞天利：订单多，继续招人扩产广东太阳岛西部50MW订单；顺德27MW、50MW工程策划。其它地区也有处境较好的公司：中利腾辉（江苏），1GW全线生产台州索日（浙江），全线生产（中大博士、硕士展示能力的舞台：冯存坤、林荣超：谁敢横刀立马？看我存坤荣超！）,太阳电池技术现状与发展,主要内容,太阳辐射能概述太阳电池发展历史太阳辐射与光子理论太阳电池物理基础半导体材料基础单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池化合物半导体太阳电池高效太阳电池简介新型太阳电池发展,太阳辐射能概述,太阳能辐射能资源:简称太阳能，取之不尽用之不竭，每天地球接收的太阳能是人类能源需求的上千倍。广义的太阳能包括太阳能、风能、水能、生物质能，也包括煤炭、石油、天然气等。狭义的太阳能是指太阳辐射能。太阳能转换技术：太阳能在地球上通过吸收多转换成热能，还通过光合作用转换为生物化学能；通过太阳电池可将太阳能直接转换成电能。化石能源：终将枯竭，同时带来环境污染，煤炭200年；石油54年，天然气60年，铀50年；岩层气？气体水合物？能量回收期与回收因子：对晶体硅太阳电池来说，能量回收期是指太阳电池运行多长时间才能将生产过程消耗的能量回收回来，目前2年；太阳电池工作寿命可以达到25-30年以上，回收因子是太阳电池工作寿命与能量回收期的比值，对晶体硅太阳电池来说，回收因子可以达到12-15。,AM1.5G太阳辐照下晶体硅太阳电池可利用的光谱范围,太阳电池发展历史,1839年，法国人亚历山大-埃德蒙贝克勒尔（AlexsandreEdmondBecquerel,1820-1891）研究光对电解液中的金属盐和电极的作用，并得出硒的导电性会通过光照而改变。后人将此现象就成为“光伏效应”，实质上就是光产生电流效应。1874年,FerdinandBraun发明真空二级管1900年，德国人马克斯普朗克(MaxPlanck)建立黑体辐射理论，解释了电池波辐射与吸收过程中能量子与波长之间的关系。1905年,在普朗克理论的基础上，阿尔伯特爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利事务所工作期间发表“关于光的产生与转化所涉及的一个启发性观点”文章，首次提出光子理论。1938年,肖特基（W.Schottky）第一次解释金属-半导体结的阻挡层（耗尽层），并建立二级管特性曲线。1948年,美国贝尔实验室R.S.Ohl申报了光敏硅器件专利，这种器件以硅片为基片，铂为电极,即肖特基二级管。,太阳电池发展历史,1949年，肖特基于贝尔实验室发明一种半导体-半导体二级管。以锗为基片，采用不同掺杂元素，使锗分别带有正（positive）、负（negative）载流子,肖特利（W.Shockley）将这种结构被成为p-n结，并做了完整地理论解释。1954年，贝尔实验室的D.M.Chapin,C.S.Fuller和P.L.Pearson共同发明了第一个实用性的晶体硅太阳电池。也是1954年，美国D.C.Reynolds,G.Leies,R.E.Marburger发明硫化镉太阳电池。1955德国西门子实验室R.Gremmelmeier发明砷化镓太阳电池。1960年，M.Wolff首先发表太阳电池理论极限效率文章。1961年，W.Shockley,H.J.Queisser发表太阳电池理论极限效率文章，提出单个p-n结的Shockley-Queisser效率极限为=44%。,太阳电池发展历史,1974年，W.E.Spear,P.G.Lecomber研究氢化非晶硅薄膜材料的掺杂特性。1974年，推出MIS太阳电池。1976年，D.E.Carlson,C.R.Wronsky(RCA)研制非晶硅薄膜太阳电池，效率达到8%。1977年，非晶硅电池衰减的Staebler-Wronsky效应被发现。1977年，B.Authier,(WackerBrughausen)提出多晶硅晶体生长方式，同年H.Fischer,Pschunder(Telefonken,Heilbronn)开始用多晶硅片制造多晶硅太阳电池，效率17%(150mmx150mm)。1991年，推出微球硅太阳电池。1991年，瑞士联邦理工洛桑分校Grtzel发明TiO2染料敏化太阳电池。2000年，推出EFG硅带太阳电池推出。2003年，澳大利亚新南威尔士大学MartinGreen第三代太阳电池的新概念,太阳辐射与光子理论,太阳辐射：太阳主要是由氢气、氦气等组成，太阳内部不断地进行着核聚变反应，温度极高，内部温度可达到1x107K以上，表面也达到5800K。气态的太阳表层可以视为吸收系数为A=1的黑体。太阳-地球关系：太阳半径为6.96x108m,而地球半径为6.38x106m,太阳-地球平均距离为1.496x1011m。地球表面的平均温度基本保持不变，这源于在太阳表层与地球轨道之间的距离上，太阳作为黑体辐射源与地球保持温度平衡。太阳常数：1982年，世界气象组织在日内瓦公布的590号文献中将太阳常数为（大气层平均值）：1367(7)W/m2,由于大气层对太阳辐射吸收、散射等造成衰减，地面接收到的太阳辐射强度一般在1000W/m2以下。地球全年接收到的太阳辐射能量为1.56x1018kWh,我国2010年为66000 x108kWh？,太阳辐射与光子理论,太阳辐射光谱分布：太阳辐射能量密度是电磁波频率的函数，在地面上的太阳辐射或太阳光的波长范围主要在紫外与近红外之间，一般为2502500nm。（实际太阳光是由光子组成，小的粒子，能量h,速度c）大气质量（AM：AirMass）：AM0:大气层外太阳光谱强度与分布，1367W/m2AM1：垂直与地面的太阳光谱强度与分布，AM1.5：41.8，地面测试太阳电池与太阳能热水器的AM标准值。不同地区的AM值与当地的纬度、季节和日照时间点有关。代表性地区的太阳辐射全年总量（kWh/m2a）伦敦945，汉堡980，亚利桑那、撒哈拉2350拉萨？，青海1600？，昆明？，乐山？，齐齐哈尔1400？，武汉？桂林？，顺德1100？，广州1100？，三亚？（也可以用光伏发电数据代表，kWh/kW）,太阳电池物理基础,晶体结构-晶体结构：原子排列具有周期性，远程有序；-非晶硅结构：近程有序、远程无序；能带理论：金属、半导体、绝缘体，导电性能与材料能带结构（导带、禁带、价带）密切有关太阳电池的光电转换极限（STC）：与太阳光谱、太阳电池所用的材料、结构与工艺等有关太阳电池的技术参数：,半导体材料基础,半导体材料：-Si,Ge,GaAs等，基本要求所用材料要丰富、无毒、工艺成熟、价格适中、能实现量产-纯度概念：太阳电池要求6N以上；晶体管、集成电路器件要求9N以上；-多晶硅材料：太阳能级、电子级；晶体生长工艺：单晶、多晶、非晶-单晶体：整块材料是一个晶体组成；提拉工艺；-多晶体：整块材料由多个晶体组成；浇铸工艺；-硅带、类单晶、微晶、纳米晶；特殊工艺；硅片厚度、尺寸：面积：156mmx156mm；厚度：180m硅片电学性能：导电类型、少子寿命,单晶硅太阳电池,单晶硅电池标准电学参数（n+/p型）n+发射区p型基片掺杂浓度(cm-3)1019-10201015-1016少子扩散长度(m)150-2000少子寿命(s)0.010.11-103,常规单晶硅太阳电池结构,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺流程,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,1.清洗制绒制作太阳电池的第一步是对硅片进行清洗制绒，其目的是去除硅片表面的机械损伤层及有机物残留，并形成金字塔陷光结构，获得低反射率的绒面。在低浓度的NaOH溶液中，硅片表面会发生以下反应：Si+2H2O+2OH-=SiO32-+2H2对晶向的硅片，这将是一个各向异性的腐蚀过程，因为（100）面的腐蚀速率远大于（111）面，从而形成由多个（111）面组成的金字塔结构。光线入射到这样的表面，至少会有两次机会与硅表面接触，有效减少光的反射，增加光的吸收。在400-1100nm波段，原片的平均反射率在30%以上，而绒面的平均反射率可降到12%以下。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,2.磷扩散常规晶体硅电池使用p型硅片作为衬底，通过在石英管内以POCl3液态源作为扩散源，加热到850-900进行磷扩散形成p-n结。这种方法制出的结均匀性较好，并且产量高，每炉可以扩散400片以上。扩散过程可表达为：4POCl3+3O22P2O5+6Cl2（1-6）硅片表面形成P2O5的磷硅玻璃；2P2O5+5Si4P+5SiO2（1-7）磷以替位杂质的形式扩散进入硅中，在P型硅表面形成了n型扩散层。并且磷在扩散过程中有吸杂作用，能提高材料的少子寿命。通常以方块电阻的大小来表征p-n结，常规结构太阳电池，方块电阻控制在50/附近。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,3.刻边和去磷硅玻璃扩散后会在边缘形成p-n结，前、后表面电学导通会造成电池短路，所以要对硅片边缘进行刻蚀隔离。常用的方法有等离子刻蚀、激光刻边和湿化学腐蚀法。其中等离子刻蚀法最为常用，设备成本低廉，一批可以刻蚀多达800片。但操作需要人工控制，并且稳定性不好，容易磨损p-n结而造成漏电。激光刻边因为激光设备价格高而使用较少，而湿化学腐蚀法已经为很多厂家所采用，该方法在隔离边缘的同时能去除背面p-n结，减小了背面的杂质浓度，对电性能有一定帮助，并且该湿化学腐蚀设备可以与磷硅玻璃清洗工序结合在一起，使用起来十分方便。扩散后表面存在的磷硅玻璃杂质浓度很高，是很强的复合中心，用HF水溶液可以将磷硅玻璃去除。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,4.氮化硅镀膜氮化硅膜在晶体硅太阳电池中能起到减反射和钝化两个作用。首先是减反射作用，膜厚约75nm、呈现湖蓝色泽、折射率为2.05的氮化硅膜能对600nm左右的光起到100%的增透效果，在400-1100nm波段可以把制绒硅片的平均反射率从12%降到3%以下。其次是钝化作用，常规氮化硅膜使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积后其含氢量较高，这些氢键可以饱和p-n结表面的悬挂键，对扩散层有良好的钝化作用，减少表面复合损失，并且这些氢在后续的高温烧结工序中扩散到硅片体内，起到良好的体钝化作用。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,5.丝网印刷丝网印刷技术是目前常规太阳电池电极制作的通用工艺。早在上世纪五十年代就开始应用于电子元件、印刷电路板和厚膜集成电路中。主要特点是工艺过程简单、可变参数较少、操作容易、设备及材料成本较低，所以丝网印刷技术在太阳电池电极的规模化生产中具有明显优势。丝网印刷网版主要由铜线交织成的网布和涂在网布上面的乳剂膜组成，乳剂膜根据印刷图形开孔，浆料在印刷时通过开孔位置涂抹到硅片表面，从而形成电极。丝网印刷过程包括三个步骤。首先是填充阶段，即浆料在刮刀挤压下填充至网版开孔内；其次是接触阶段，网版开孔内的浆料与硅片接触并粘连在硅片表面；最后是释放阶段，网版弹起并与浆料分离，浆料最终印刷至硅片上形成完整的电极图形。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,6.高温烧结高温烧结工序在链式烧结炉内进行，分为两个阶段。第一阶段为预烧(burnout)阶段，浆料内残留的有机溶剂在这个阶段被释放出；第二阶段为烧结阶段，银浆在这个阶段烧穿氮化硅薄膜，并与扩散层发射极形成欧姆接触，同时铝浆形成铝背场，与硅片形成欧姆接触，此外，氮化硅中的氢将在这个阶段释放扩散到体内，完成体钝化。烧结炉通常分9个温区，1-3温区为烘干区，温度一般在300以下；4-7温区为预烧区，温度控制在400-700之间；8、9温区为烧结区，是整个烧结的最重要区域，8区温度控制在800左右，9区控制在900-930。太阳电池在网带带动下，依次通过1-9温区，最后经冷却区冷却后获得电池成品。,单晶硅n+/p型太阳电池标准制备工艺步骤简述,7.测试分选最后一步就是测试分选，通过专门测试仪器，一般首先根据电学性能，以转换效率0.1-0.2间隔的不同将电池分类收集，已经实现自动化。光学检测：电学性能一致的情况下，还要观察色差，进行光学分类。外观检测：最后还要进行外观检测，如缺角、断裂等。,多晶硅太阳电池,多晶硅片类型1.铸造多晶硅-晶体硅太阳电池主流产品，晶界多（尺寸：面积156mmx156mm；厚度：180200m2.硅带工艺-直接拉制而成，不需要线切割，节省材料，但效率低14-15%，发展困难3.类单晶工艺-新工艺，晶界较少，效率18%以上，工艺有待改进发展电池工艺：碱制绒、表面钝化：双层钝化，氧化铝薄膜,非晶硅太阳电池,非晶硅a-Si禁带宽度为1.7eV,通过掺B或掺P可得到p型a-Si或n型a-Si;非晶硅掺C,可得到a-SiC,禁带宽度2.0eV（宽带隙），掺Ge,可得到a-SiGe禁带宽度1.7-1.4eV（窄带隙）;在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大将近一个数量级，其本征吸收系数高达105cm-1;非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值接近；由于非晶硅材料的本征吸收系数很大，1m厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1/100，可节省昂贵的半导体材料S-W效应：非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减少，经200度退火2小时可恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现。这是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效应，即光照是材料产生悬挂键等亚稳缺陷,PECVD法生产非晶硅薄膜太阳电池原理示意图,非晶硅薄膜太阳电池-工艺,非晶硅薄膜太阳电池-内部结构,非晶硅薄膜太阳电池串联连接结构示意图,非晶硅薄膜电池-生产工艺,(以玻璃为基片非晶硅电池组件)导电玻璃(TCO)激光划线PECVD背面铝电极,非晶硅薄膜电池叠层结构,国际非晶硅薄膜太阳电池设备商技术比较,化合物半导体太阳电池,砷化镓：主要应用航天器光伏系统，地面聚光光伏系统碲化镉：美国第一太阳能公司独家生产铜铟镓硒：日本、美国、德国等国家生产,化合物半导体太阳电池-碲化镉薄膜,结构特点：CdTe是II-VI族化合物，闪锌矿结构，晶格常数a=0.16477nm；CdS是II-VI族化合物，纤锌矿结构光学性能：直接带隙半导体材料，1.5eV,光谱响应与太阳光谱非常吻合，1m厚度的薄膜可吸收99%所对应的太阳光能量；CdS：直接带隙半导体材料，2.42eV电学性能：薄膜组分、结构沉积条件、热处理过程对薄膜的电阻和导电类型有很大影响CdS/CdTe薄膜太阳电池参数的理论值：开路电压电压Voc=1.05mV；短路电流Jsc30.8mA/cm2；填充因子FF=83.7%；转换效率约27%尽管和相差10%，但能形成电性能优良的异质结,FirstSolarCdTe太阳池组件组成的80kW光伏电站,化合物半导体太阳电池-铜铟镓硒,同质或和异质结电池n-CdS/p-CuInSe2（CIS或CIGS）pinCdS/CuInSe2(ZnCd)/CuInSe2制备工艺:热蒸发；磁控溅射多采用异质结实验室最高效率19.5%，美国可再生能源实验室(NREL),1MWCIS太阳电池厂，WuerthSolarinMarbach,德国,安装在北威尔士StAsaph的WelshDevelopmentAgency光学中心由CIS太阳电池组件组成的85kW光伏电站,高效太阳电池技术简介,评价太阳电池性能好坏一个重要参数是能量转换效率，即单位面积上输出电量与输入光能的比值。提高太阳电池转换效率主要从两个方面进行。一是光学方面，尽可能提高太阳电池对入射光的吸收，以产生更多的光生载流子；另外是电学方面，尽量减少光生载流子在电池体内及表面处的复合，同时减少各种上、下电极的电阻损耗，使更多的电能能够输出到外部负载。常见的高效太阳电池，包括PERL电池（PassivatedEmitter,RearLocally-diffused）、HIT电池（HeterojunctionwithIntrinsicThinlayer）、IBC电池（InterdigitatedBackContactSolarCell）、MWT电池（Metallization-Wrap-Through）、LFC（LaserFiredContact）电池等，对它们的结构与特点进行了描述。,高效太阳电池技术简介,PERL电池是由新南威尔士大学格林小组于1999年开发出来的，其转换效率高达25%，PERL电池的主要特点为：1正面采用光刻法制备成倒金字塔绒面，结合MgF2/ZnS双层减反射膜，极大地降低了电池前表面的反射率；2采用蒸镀法制备正面电极，电极宽度窄，遮光损失少，并且蒸镀法制备的电极电阻小，有利于电流的收集；3正面制备成选择性发射极结构，电极处重扩散，非电极区轻扩散，有效地降低了金属与半导体的接触电阻，增加了对短波光子的吸收；4前后表面采用热氧化SiO2钝化，可以有效地降低表面复合速率，同时SiO2与背面蒸镀的金属铝层构成背反射器，将到达背面的长波光反射回电池内部，增加长波光子吸收；5背面通过扩散形成局部的p+重掺杂区，其局部背场效应可以提高电池开路电压，同时也降低了电极与硅基体的接触电阻。由于PERL电池制备过程中采用了光刻、蒸镀、热氧化等成本较高、比较难以产业化的工艺，因此，虽然该结构的电池可以得到很高的转化效率，但在大规模生产中的应用受到限制，目前只是停留在实验室研究阶段。,PERL电池结构示意图,高效太阳电池技术简介,HIT太阳电池早在1992年，MakotoTanaka等人在三洋公司第一次制备出HIT电池，当时转换效率达18.1%。经过不断改进，在100.4cm2大小的硅片上，HIT电池的效率已经达到23%。HIT电池中间为经过制绒的n型衬底硅，光照侧为p型/i型（本征）非晶硅薄膜，背面为n型/i型非晶硅薄膜，前后表面溅射有TCO薄膜，电极制备在TCO薄膜上。HIT电池特点主要有以下几个方面：1p-n结的制备是一个低温沉积过程（250），避免了传统晶体硅太阳电池的高温扩散过程（850）对基体材料的热影响；2在p-n结之间沉积一层本征的非晶硅薄层，可以有效地降低结区复合速率，电池背面的n型非晶硅层同基体形成高低结，同时本征非晶硅层起到背面钝化作用，可以有效降低背面复合，提高电池开路电压；3稳定性良好，不会产生光照衰减；4p-n结通过薄膜沉积的方式实现，基体厚度可以降低到较低水平，有利于降低成本。HIT电池是高效太阳电池中比较成功的一种，2011年Sanyo公司的HIT电池产能达565MW。目前全球虽然有多个机构在研究HIT电池，但都很难重复或者达到Sanyo公司得到的结果，表明该技术有较高的难度。,HIT电池结构示意图,高效太阳电池技术简介,IBC太阳电池自1975年R.J.Schwartz等人首次提出背接触（Backcontact）太阳电池结构。通过技术改进，2003年美国Sunpower公司开发出新一代背接触太阳电池A-300，在149cm2的n型基体上，电池效率高达21.5%。IBC电池主要特点为：1电极全部位于电池背面，前表面没有栅线遮挡，增加了对入射光的吸收，可以有效提高电池短路电流；2前后表面采用热氧化SiO2做钝化，有效地降低了表面复合，背面的SiO2钝化膜和金属铝层构成背反射器，可将到达背面的长波光子反射回电池内部，增加长波光子吸收；3前表面通过扩散制备n+前表面场（FrontSurfaceField-FSF），可以有效降低前表面复合，提高开路电压；4全部电极位于电池背面，不用考虑遮光，在一定范围内，可以增加电极宽度，从而降低串联电阻；电极位于背面，便于组件封装，且前表面无栅线，制备成组件后颜色一致，外观好看；5因收集电流的电极位于电池背面，光生载流子需要穿过整个电池到达背面被收集，所以需要基体材料有很高的少子寿命，通常采用寿命很高的n型硅片。IBC电池是目前市场上量产转换效率最高的一款电池，因为使用的硅片为高质量的n型硅片，同时制备过程中多次用到热氧化工艺和扩散工艺，因此成本较高。,IBC电池结构示意图,背接触电池,背接触电池分为两种,一种是硼扩散的背发射极电池，一种是铝扩散的背发射极电池。其特点为在电池正面没有栅线，所有的栅线都在电池的背面，从而消除了栅线对太阳电池的遮挡。由于栅线全部放在背面，该类电池也带来了串焊方式的改变，只需要用焊接条连接电池的两端即可。该类电池做成的组件表面没有任何栅线存在，非常美观。Sunpower该类电池的效率已经达到了24.2%。但由于其技术复杂，目前除了Sunpower外并无其他公司有同类产品出现。,背接触太阳电池示意图,Sunpower24%Maxeon太阳电池实现量产太阳电池组件制造商SunPower公司（美国加利福尼亚圣何塞）宣布第三代转换效率可达24%以上的Maxeon太阳电池现已启动商业化生产。Maxeon属于后触点式太阳电池，可提供了低反向击穿电压，按照SunPower公司表示，该特点可帮助提高在阴凉，尘土飞扬环境下的性能。可将光伏组件的整板效率提高到20以上，并且该公司还表示2012年此款组件将限量上市销售。Sunpower同样还表示，新型电池还提高了在高温环境下的工作性能。,高效太阳电池技术简介,MWT太阳电池MWT电池也是高效背结触太阳电池的一种，荷兰ECN研究所已经开发出大规模生产效率达19.7%的MWT电池技术。通过技术合作，国内太阳电池企业如英利、晶澳、阿特斯等都已经开始大规模量产MWT电池，显示出MWT电池的广阔前景。MWT电池的主要结点为：1将正面收集电流的主栅通过贯穿硅片的孔洞转移到电池背面，减少了正面遮光损失；2前表面产生的光生载流子通过贯穿硅片的孔洞（印刷有金属银浆料）到达背面被收集，降低了对基体硅材料质量的要求；3电极位于电池背面，不用考虑遮光，在一定范围内可以增加电极宽度，从而减小串联电阻，并且有利于简化组件封装过程。当前市场上已经有多家太阳电池制造商可以量产MWT电池，显示出这种高效电池技术具有一定的成熟性。贯穿电池的金属化孔洞的制备是实现高效MWT电池的一个关键问题，如何在控制激光对硅基体损伤较小的条件下得到良好孔洞形貌，降低硅片碎片率，提高产能需要进一步研究。,MWT电池结构示意图,MWT电池产品,高效太阳电池技术简介,LFC太阳电池LFC技术首先由德国太阳能研究机构FraunhoferISE开发，其制备主要过程为，利用激光的热效应将背面金属铝在局部区域熔融，熔融的金属铝穿透背面的钝化膜而与硅基体形成合金，从而得到背面局域接触电极。利用该技术，德国Q-Cell公司在156156mm2的大面积Cz硅片上可以得到平均效率达20%的太阳电池。LFC电池结构主要特点为：1背面电极采用LFC技术制备成点接触结构电极，非电极区被介质薄膜钝化，可以有效降低背面复合速率，提升电池开路电压；2背面钝化膜和金属铝形成背面反射器，可以将到达背面的长波光子反射回电池内部，增加长波光吸收，提高电池短路电流。3通过激光烧结，在电极处形成局域铝背场，可以降低电极处复合，提高开路电压。LFC电池工艺过程简单，可与常规晶体硅电池工艺相结合，具有一定产业化前景。该技术存在的一个问题是对激光器要求较高，并且在大面积硅片上利用激光烧结电极，点电极个数通常在10000个以上，对激光扫描速度也提出不小要求。,LFC太阳电池结构示意图,Suntech:Pluto,TechnicalSource:UNSW,Productionsequence:,Textureandclean,Inlinediffusion,Wetedgeisolation,AntireflectionWenham.S.;Ji,J.34thPVSEC,2009.,YingliSolar:Panda,TechnicalSource:ECN,N-typesiliconwaferBi-facialRandompyramidstextureBoronemittersGoodpassivationofbothsides,Features:,Massproduction:300MWinMarch2010.Bestcell:19.0%Averageefficiencyof2,000cells:18.71%,A.R.Burgers,R.C.G.Naber,A.J.Carr,et.al,.19%efficientN-