半导体太阳能电池研发现状与发展趋势课件

1、半导体太阳能光伏电池研发现状与趋势王占国（中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室）摘要1、序言：世界能源发展的走势2、半导体光伏电池的研究现状和发展趋势3、半导体太阳能光伏电池产业发展现状与前景预测4、我国太阳能光伏电池产业发展存在的问题与建议5、太阳能光伏发电应用例举6、致谢 9/3/20221半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 人口、资源和环境已成为制约人类社会可持续发展的瓶颈。对于人口众多、资源相对贫乏和生态环境严重恶化的我国，所遇到的挑战则更加严峻。 针对我国化石能源紧缺、和生态环境脆弱的国情，要实现2020年国民经济GDP翻两番和在2050年达到中等发达国家生活水平的战略目

2、标，必须在提倡节能和提高能源利用效率、降低能耗与控制污染的同时，大力发展清洁、可再生能源及其应用技术。 一、序言：世界能源发展走势9/3/20222半导体太阳能电池研发现状与发展趋势(PVNET-European Roadmap for PV R&D, JRC-EUR21087 EN,2004)未来世界能源发展的总趋势预测 9/3/20223半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 风能：我国风能仅次于美、前苏联，世界第三，已探明风能储量为：32.26亿KW, 其中陆地可利用的风能 2.53亿KW；近海可用风能 7.5亿KW，同比约为水能的2.5倍。 生物质能：如沼气、甲醇和乙醇等液体燃料等。 太阳

3、能：光伏电池、热伏电池和热能发电等。太阳辐射到地球的太阳能为：1KW/m2,是目前人类能源消耗的数万倍。可再生能源：风能、生物质和太阳能等9/3/20225半导体太阳能电池研发现状与发展趋势GaAs与硅在空气质量为0和空气质量为1.5的太阳光普辐照度与截止波长的关系 太阳内部的热核反应，每秒产生的能量多达41020 焦耳；恒定输出寿命将大于100亿年！ 太阳辐射到地球的太阳能，超出目前人类能源消耗的数万倍。9/3/20226半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 我国于2004年2月28日，已通过再生能源法，并将于2006年元月1日实施。 在可再生能源技术中，光伏发电是一种干净、可持续发展的能源技

4、术。平均每kW光伏系统每年减排16kg氮氧化物、9 kg 氧化硫、0.6 kg固体粉尘以及0.6-2.3吨二氧化碳。 利用半导体光生伏特效应实现太阳能的转换是一种重要途经。 实现高效转换的途经是人们长期追求的目标，近年来已取得长足进步。9/3/20227半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 美国：1997年 百万屋顶计划（2010年完成）。 印度：1997年150万套屋顶计划，2002年完成。 德国：1998年的10万屋顶计划，世界最大光伏系 统安装在慕尼黑展览中心。 澳大利亚：2000年悉尼运动会，665套1KW屋顶光 伏系统。 日本：2000年“新阳光计划”；目前，太阳能电池 生产世界第一。

5、 意大利：2000年 全国太阳能屋顶计划。 蒙古：1万套屋顶计划，2010年安装10MW。 韩国和马来西亚等国也有相应的发展计划。各国政府大力扶持9/3/20228半导体太阳能电池研发现状与发展趋势半导体太阳能光伏电池的转换效率9/3/202210半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 砷化镓具有直接能带隙（Eg1.42eV），具有很高的光发射和光吸收系数 ，转换效率高达近30。 1986年苏联和平号轨道空间站，装备了10KW AlGaAs/GaAs 异质结电池，单位面积比功率达到180W/m2。 美国在上世纪80年代初发展了MOCVD技术，80年代中期开始批量生产GaAs/GaAs太阳能电池（1

6、8）。 我国在上世纪与国际同期也开展了GaAs基电池研究，1999年,22cm2电池的转换效率达22。（2）砷化镓基太阳能电池理论最大转换效率与半导体能隙关系。9/3/202212半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 上世纪60年代末，英国标准通讯实验室研制成功氢钝化非晶硅薄膜，75年丹迪大学制备出非晶硅pn结。 1976年RCA做出非晶硅太阳能光伏电池，掀起了研究非晶态半导体的热潮。82年,氢钝化非晶硅电池的转换效率突破了10%。 2001年 日本Kaneka公司生产的 非晶/微晶硅叠层电池效率10.5%，10年之内保证效率不低于9.8%。并预计2010年,非晶/微晶硅叠层组件效率达16%，系

7、统价格 60万日元/3kWp。a-Si/n-Si二结9/3/202214半导体太阳能电池研发现状与发展趋势United Solar Ovonic 的不锈钢衬底三结非晶硅太阳能电池生产线9/3/202215半导体太阳能电池研发现状与发展趋势United Solar OvonicCAPACITY EXPANSION AT UNITED SOLAR OVONIC1986 0.6 MW1991 2 MWSame gap Tandem1996 5 MWTriple-gap,Triple-junction2002 25 MW2006 25 MW9/3/202216半导体太阳能电池研发现状与发展趋势碲化镉（

8、CdTe）薄膜太阳能电池 碲化镉是直接能带隙半导体材料（Eg 约 1.5eV），具有光照稳定性好、成本低、容易实现大面积组件集成等优点。2001年美国NREL通过改进透明导电薄膜和窗口层材料，使CdS/CdTe电池效率提高到16.5% 。 2005年CdTe电池组件的产量已达到50MW，预计2006年将达到75MW。Cd的毒性问题已得到妥善解决9/3/202217半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 Cu(InGa)Se2太阳电池是另一种多晶薄膜电池，具有稳定性好、抗辐照性能好、成本低、效率高等优点。 目前，Cu(InGa)Se2/CdS电池实验室小面积效率已达到19.5。 CIGS电池为多元化

9、合物，产业化生产难度大，但近年来，大面积电池组件的效率已达到1013，进展很大。2005年CIGS电池组件的产量已达到8MW，2006年将激增为44MW。 Cu(InGa)Se2 电池需要大量使用In（约占CIGS总重量的1/4 ），In是地球上比较稀有的一种元素，当CIGS电池的产量达到G瓦量级后，In的供应可能会成为瓶颈。 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池9/3/202218半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 单PN结太阳电池理论转换效率（在标准光照情况下）与半导体材料的禁带宽度的关系9/3/202220半导体太阳能电池研发现状与发展趋势2.3 第三代高效薄膜太阳能电池 对于单带隙太阳电池材料

10、，限制电池效率的因素主要是： 能量低于带隙的光子不能被有效吸收； 能量远高于带隙的光子一般也只能激发出一个电子空穴对。 提高电池效率就是要把不能被有效吸收的低能光子和能量远高于带隙的高能光子的能量充分利用起来。目前已有和潜在的半导体光伏技术有： 叠层电池技术， 多光谱太阳电池技术 双光子吸收太阳电池技术 多能级、多带和热光伏太阳电池等。9/3/202221半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 族氮化物光学窗口从远紫外至近红外波长范围（1.8m200nm）。组分连续变化的InxGa1-xN合金（3.4-0.7eV），与太阳光谱分布（4.0-0.4ev）较好相匹配，为探索全太阳光谱的新一代、高转换效

11、率太阳电池开辟新途径。 理论预测，InxGa1-xN 组分缓变多结太阳能电池的极限转换效率可高达72%！而且InxGa1-xN还具有抗辐照能力，可提高太阳能电池的可靠性。 开发族氮化物太阳能电池在国际上受到高度重视, 期望能打破现有太阳能电池转换效率的极限,开创太阳能利用新局面。9/3/202223半导体太阳能电池研发现状与发展趋势（2）多光谱太阳能电池将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱，而不用多结，降低成本（左上图）。利用热激发LED产生窄带光谱；通过热光和光电转换，理论效率可达50（左下图）。右下是太阳光的下转换示意图，吸收一个光子可以产生两个电子空穴对，从而提高转换效率。9

12、/3/202224半导体太阳能电池研发现状与发展趋势（4）多能级太阳电池 下图左可是不同的耦合多量子阱或量子点（形成子带），可充分利用太阳光谱，提高转换效率；右下图是具有激发态的量子阱结构，也可用来充分利用太阳光谱的红外部分。9/3/202226半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 在带隙中引入N个带会扩大吸收长波光子的能量范围(2,3)。可在宽带隙半导体中引入的稀土杂质带，或某些多量子阱结构。N个带电池的极限效率为86.8%。值得指出，N带的引入不应带来额外的复合损失。 热光伏是利用一个热源作为光源，又称为热光子技术。这种技术特别适用于燃料电池和废热利用。在转换太阳光时，与一个吸热体相结合，其

13、极限效率可达85.4%。（5）多能带和热光伏太阳电池9/3/202227半导体太阳能电池研发现状与发展趋势太阳能热电、光电及热电/光电复合发电系统(a) 热电发电(b) 光电发电(c) 热电光电复合发电(a)(b)(c)9/3/202228半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 （6）高效、低成本有机/无机复合纳米半导体柔性太阳能电池：目前国际前沿研发热点之一 可折叠、卷曲、易安装、移动性好;2.非真空生长,成本低；3.无衬底、重量轻、抗辐照，有利于空间使用;4.轻质、比功率高，理论预期能量转换效率 66%。9/3/202230半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 无机半导体纳米颗粒是优异的受主中心

14、，有机聚合物则是好的施主，二者复合可以提高电荷传输效率，从而提高太阳电池的能量转换效率。有机/无机复合纳米太阳能电池9/3/202231半导体太阳能电池研发现状与发展趋势三、半导体光伏电池产业发展现状和前景预测 世界太阳能光伏产业发展迅速。最近5年太阳电池/组件生产的年平均增长率达到43，2005年世界光伏电池/组件产量达到1.8GW，比2004年增长了50。 2005年世界光伏系统的总装机容量超过5GW，其中并网发电在光伏市场中的份额逐年增加。 据预测，到2010年世界光伏系统累计装机容量将达到1415GW，电池组件的价格约2美元/Wp。9/3/202232半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

15、 欧洲光伏协会对未来光伏产业和市场预测，2020年世界光伏系统总装机容量将达195GW，发电量达到274TWh, 相当于2020年全球发电量的1。光伏组件成本低于1美元/Wp，光伏发电成本将降低到6美分/kWh以下。 预计到2040年，光伏发电量将达到7368 TWh，等于当时全球发电量的21。 近年来，我国光伏产业年生产能力增加很快，2005年生产能力达300MW（实际产量150MW）。据欧盟的报告预测，2007年中国的光伏工业将成为继日、欧盟和美国之后的世界第四生产国，生产能力达 1GW，约占世界市场的20。9/3/202233半导体太阳能电池研发现状与发展趋势20002040年世界电力发

16、展预测1%21%9/3/202234半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 并网发电在光伏市场中份额逐年增加并占主导地位9/3/202235半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 单晶硅（左）和其它几种（右）太阳能电池转换效率不断提高。半导体太阳能电池（组件）制造技术发展迅速单晶硅9/3/202236半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 世界电池组件价格不断下降，2004年下降到2.5美圆Wp以下9/3/202237半导体太阳能电池研发现状与发展趋势世界年能耗和对应的太阳能光伏发电所需的面积9/3/202238半导体太阳能电池研发现状与发展趋势四、我国半导体太阳能光伏电池产业发展存在的问题和建议 上世纪

17、70年代末到80年代中，为我国光伏工业的萌发时期，国内一些半导体器件厂开始单晶硅太阳电池的研发；80年代中后期，我国光伏电池/组件总生产能力达到4.5MW，我国光伏产业初步形成。 90年代初中期，我国光伏产业处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。90年代末我国光伏产业发展较快。 进入21世纪以来，在送电到乡工程及国际市场推动下，我国光伏产业进入全面快速发展时期。截止2004年底，我国光伏产业总的年生产能力：组件150MW，电池生产67MW，硅锭/硅片生产54MW。9/3/202239半导体太阳能电池研发现状与发展趋势我国研制的地面太阳电池效率达到的水平电 池技 术效率.(%) 面积 (cm2)

18、单晶硅电池(IPSE)(MGBC)(LGBC)倒金字塔织构化及选择性发射区技术，机械刻槽埋栅技术激光刻槽埋栅技术19.79 2218.47 2218.6 55多晶硅电池常规吸杂14.5 11聚光(硅)电池密 栅17.0 22多晶硅薄膜电池RTCVD(非活性硅衬底)14.8 11非晶硅电池非晶硅电池PECVD(单结)PECVD(双结)11.2 毫米级11.4 毫米级 8.6 1010铜铟硒电池共蒸发12.1 11碲化镉电池近空间升华13.38 0.5燃料敏化TiO2电池丝网印刷10 19/3/202240半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 我国光伏发电与发达国家相比尚存较大差距，主要表现在技术水

19、平、产业和市场发展方面。几种典型太阳电池的实验室最好效率()电池种类中国世界单晶硅198247多晶硅165198非晶硅13 （三结）8 （两结）碲化镉（CdTe）13.3816.4硒铟铜（CIS）12.119.29/3/202241半导体太阳能电池研发现状与发展趋势几种商业化电池的效率对比()电池种类中国世界单晶硅14161518多晶硅14151416非晶硅(稳定)-56(两结)34(单结)8(三结)7(两结)6(单结)碲化镉(CdTe)810硒铟铜(CIS)109/3/202242半导体太阳能电池研发现状与发展趋势 科技投入少，特别是多晶硅制备技术进 步缓慢； 太阳能资源数据不清、不全，没有针对 开发太阳能进行过太阳能资源普查、精 查； 产业链发展不平衡，上游小、下游大， 其中最上游的太阳能光伏电池级多晶硅 材料严重短缺，我国光伏产业发展基础