晶体硅电池技术发展现状与趋势精选课件

1、晶体硅电池技术发展现状与趋势精选晶体硅电池技术发展现状与趋势精选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 4提纲31、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。51、引言442 、 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

2、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662 、 太阳电池的基本原理及分类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7硅中掺磷形成 n 型半导体硅中掺硼形成 P 型半导体p-n66光生载流子的产生光生电压的产生88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9在阳光照射下太阳电池输出电能882） 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

3、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)10102） 太阳电池分类99电池光电化学电池其他新概念电池（第三代电池？）染料敏化电池（如有机电池等）多结电池（太阳光谱多级利用）光子的分离（下转换）和合并（上转换）中间带或杂质带电池1156323结概念证明阶段电池晶硅电池薄膜电池（第二代电池？）太阳级硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(带硅)多晶a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层单晶多晶

4、%24.716-2020.313-161713-1613158-101516.51019.510-123925-28产业化产业化部分产业化实验室产业化产业化聚光示范1111电池光电化学电池其他新概念电池（第三代电池？）染料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3） 晶硅电池发展简史1954年美国11 1958年晶硅电池首次在空间应用 (美国先锋I号

5、)； 1959年美国Hoffman Electronics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%，2019年达到 24.7 (25）; 2019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。13 1958年晶硅电池首次在空间应用 (美国先锋I号)；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； 197

6、3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。14（我国)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50 70，对降低光伏发电成本起到关键作用。 15晶硅电池的技术发展14各种太阳电池效率记录的发展其中蓝色为晶硅电池16各种太阳电池效率记录的发展15晶硅电池效率记录的发展17晶硅电池效率记录的发展1）提高电池效率的

7、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。1）提高电池效率的核心技术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

8、反射涂层技术； 最佳后表面反射涂层； 最小的栅线遮挡。19（1） 减少光学损失以提高电池效率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。 20 （2）减少电学损失以提高电池效率192）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% 。

9、 采用丝网印刷工艺代替光 刻的降低成本， 电池效率达到 20%. 212）在提高效率方面的努力和案例20电池结构商业化单晶硅电池组件背接触电池（Sunpower）22电池结构商业化单晶硅电池组件背接触电池（Sunpower21 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23 LFC - PERC 电池（激光打点接触发射区与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%24新南威尔士大学北京太阳能研究所23一种n型衬底高效电池结构25一种n型衬底高效电池结构2

10、4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%26激光刻槽埋栅电池 新新南威尔士大学北京太阳能研究所 25 Sanyo HIT solar cell(a-Si/nc-Si)(Heterojunction with Intrinsic Thin-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； 19.5n typec-Si(textured)p/i a-Sii/n a-Si00.20.40.60.801234Current (A)5Output (W)1.0012345AM-1.5, 100mW/cm2, 25Ce

11、ll size : 100.3cm2Measurement in AIST712 mV3.837 AEff. FF78.7 %Isc21.5 %Voc27 Sanyo HIT solar cell(a-Si26Time7911131517Relative OutputTemperature (oC)1.00.530507040608.8%UPCell Temp.HITP/N diffusionHIT(-0.33%/oC)P/N diffusion(-0.45%/oC)Normalized Efficiency0.80.70.60.91.030406080Temperature (oC)Smal

12、ler temperature coefficient28Time7911131517Relative Outpu27292828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. Meyer and J.W. Mueller, 19th European PVSEC, Paris, 3030德国 ISFH 的 OECO 电池 20%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

13、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。31（2）多晶硅高效电池 但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许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19.8 Fraunhofer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17.7.32乔治亚(Geogia)工大 采用磷吸杂和双层减31多晶硅高效电池Fraunhofer- 2

14、0.3%33多晶硅高效电池32Emitter resistance： 90 ohm/sqCell thickness： 260mCell size： 15 cm15.5 cm Kyocera商业化大面积多晶硅电池， 17.7%“d.Blue” cell1. RIE textured surface2. SiN process3. Shallow emitter4. Grid design 5. Contact metallization 关键技术34Emitter resistance： 90 ohm/s33（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

15、半导体，理论上100m可以吸收 大部分太阳光。 通过陷光措施，30 m可以吸收几乎全部太阳光。 10年内可实现单晶硅120 m，多晶硅150 m 。 未来可能更簿。 降低硅片厚度是降低成本的重要技术之一。 35（3） 向薄片化方向发展34 电池硅片厚度的发展： 70年代450500 m， 80年代400450m。 90年代320400 m。 目前 180 m。 2019年150180 m。 2020年80120 m。 36 电池硅片厚度的发展：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300400 m。 线锯切割，刀缝损失140160 m)。 过去几十年里开发过多种生

16、长 带硅 或片状硅技术37（2） 带硅技术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。38 EFG带硅技术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。39 EDG带硅技术。38利用剥离技术制薄硅片或者薄电池40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

17、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。41 在衬底上生长带硅40402.5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 50 m 100 mm（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pn电池42422.5几种新型晶硅电池组件 反射镜pn电池41410.1mm2mm100mmIllumination1,000 completed solar cells, Cuts43430.1mm2mm100mmIllumination4242PressureSchema

18、tic of fabrication of spherical Si CrucibleMolten SiSphericalSi滴漏法制造硅球2）球型硅太阳电池反射镜和n-电极硅球电 池 n层P型绝缘层p电极1mm反射镜和n-电极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%。4444PressureSchematic of fabri43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， ， 。45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444444工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术 464646工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术 4545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）4747晶硅电池组件成本下降路线图与关键技术464、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。 484、晶