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1、太阳能电池发展趋势第1页，本讲稿共68页2提纲1.引言：简史，分类2.晶硅电池的技术发展 2.1 晶硅电池的各种新技术 2.2 向高效化方向发展 2.3 向薄片化方向发展 3.薄膜太阳电池 3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池)3.4 有机电池4.太阳电池的未来发展趋势第2页，本讲稿共68页3简史(世界)1839年-法国Becquerel报道在光照电极插入电解质的系统中产生光伏效应光电化学系统；1876年英国W.G.Adams发现晶体硒在光照下能产生电流固体光伏现象；1884年，美国人CharlesFritts制造成第一个1硒电池
2、；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硅太阳电池；第3页，本讲稿共68页4纽约时报把这一突破性的成果称为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始。”现代太阳电池的先驱；1958年硅太阳电池第一次在空间应用；20世纪60年代初，空间电池的设计趋于稳定，70年代在空间开始大量应用，地面应用开始，70年代末地面用太阳电池的生产量已经大大超过空间电池。第4页，本讲稿共68页5（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
3、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。第5页，本讲稿共68页6分类1.技术成熟程度：1)晶硅电池：单晶硅，多晶硅，2)薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe，球形电池，多晶硅薄膜，Grtzel，有机电池，。3)新型概念电池：量子点、量子阱电池，迭层(带隙递变)电池，中间带电池，杂质带电池，上、下转换器电池，a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)，偶极子天线电池，热载流子电池，(也有人称第三代电池)第6页，本讲稿共68页72.材料；硅基电池：单晶硅，多晶硅，微晶(纳晶)，非晶硅，化合物半导体电池：CdTe,CIG
4、S,GaAs，InP有机电池：Grtzel电池(光化学电池)3.波段范围：太阳光伏电池热光伏电池第7页，本讲稿共68页84.光子吸收带隙理论：单带隙电池(常规电池)中间带隙(或亚带隙，或杂质带)电池带隙递变迭层电池上、下转换器电池偶极子天线电池a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)电池量子点、量子阱电池热载流子电池第三代电池第8页，本讲稿共68页92.晶硅电池的技术发展 2.1 晶硅电池的各种技术发展 2.2 向高效化方向发展 2.3 向薄片化方向发展 第9页，本讲稿共68页102.1 晶硅电池的技术发展 单晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，
5、这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术 1).钝化技术：热氧化SiO2钝化，氢钝化，PECVDSiN工艺钝化(多晶 硅)，a-Si钝化等 2).陷光技术：表面织构化技术，减反射技术 第10页，本讲稿共68页11 3)背表面场(BSF)技术 4).表面织构化(绒面)技术,5).异质结太阳电池技术:如SnO2/Si,In203/Si,ITO/Si等 6).MIS电池 7).MINP电池 8).聚光电池 第11页，本讲稿共68页122.2向高效化方向发展1)单晶硅高效电池：斯坦福大学的背面点接触电池：22特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失第12页，本讲稿共68页13新南威尔士大学的
6、PERL电池24.7%第13页，本讲稿共68页14Fraunhofer研究所LBSC电池：23%第14页，本讲稿共68页15北京太阳能研究所高效电池19.8%第15页，本讲稿共68页16单晶硅电池的效率进展第16页，本讲稿共68页17激光刻槽埋栅电池 新南威尔士大学北京太阳能研究所 19.8%18.6%第17页，本讲稿共68页18商业化单晶硅电池组件第18页，本讲稿共68页19商业化单晶硅电池组件Sanyo aSi/c-Si电池（实验室最好效率：20.7%，面积125125）第19页，本讲稿共68页202).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
7、寸方型硅锭，240kg,400kg,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。第20页，本讲稿共68页21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。第21页，本讲稿共68页22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.第22页，本讲稿共68页23商业化多晶硅电池组件Kyocera电池第
8、23页，本讲稿共68页24其中PECVDSiN钝化技术对商业化多晶硅 电池的效率提高起到了关键性的作用。目前商业化多晶硅电池的效率1316第24页，本讲稿共68页252.3 晶硅太阳电池向薄片化方向发展 1)硅片减薄 硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。硅间接半导体，理论上100m可以吸收 全部太阳光。电池制造工艺硅片厚度下 限150 m。降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要 技术方向之一。第25页，本讲稿共68页26太阳电池向薄片化方向发展第26页，本讲稿共68页27Sharp单晶硅组件第27页，本讲稿共68页28UltrathinMulticrystallineSiHighEfficien
9、cySolarCellsFraunhofer-20.3%世界记录第28页，本讲稿共68页29硅片厚度的发展：70年代450500 m，80年代400450m。90年代350400 m。目前 260300 m。2010年 200260 m。2020年 100200 m。第29页，本讲稿共68页302)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，刀锋损失200 m)。过去几十年里开发过多种生长 带硅 或片状硅技术第30页，本讲稿共68页31EFG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。第31
10、页，本讲稿共68页32第32页，本讲稿共68页33蹼状带硅技术。在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好,但其生长速度相对较慢。第33页，本讲稿共68页34Astropower的多晶带硅制造技术。该技术基于液相外延工艺，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，该技术实现了小规模的商业化生产。第34页，本讲稿共68页353.薄膜太阳电池 3.1 硅基薄膜太阳电池 3.2 化合物半导体薄膜电池 3.3 染料敏化TiO2太阳电池(光化学电池)3.4 有机电池
11、第35页，本讲稿共68页363.1 硅基薄膜太阳电池 1)非晶硅(a-Si)太阳电池 a-Si 是Si-H(约10)的一种合金。1976年RCA实验室D.Carlson和 C.Wronski 第36页，本讲稿共68页37优点：资源丰富，环境安全；光的吸收系数高，活性层只需要1m厚，省材料；沉积温度低，成本衬底上，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等。电池/组件一次完成，生产程序简单。缺点：效率低不稳定光衰减(S-W效应)。第37页，本讲稿共68页38第38页，本讲稿共68页39第39页，本讲稿共68页40第40页，本讲稿共68页41 实验室效率：初始 稳定 单结：12 68 双结：13 10 三结：15
12、.2%13 商业化电池效率：单结：34 双结：6 三结：7 8 第41页，本讲稿共68页42我国非晶硅电池研究在上世纪80年代中期形成了高潮，30多个研究组从事研究。实验室初始效率810；80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国Chrona公司引进了1MW生产能力的单结非晶硅生产线，稳定效率34之间。自90年代后有较大收缩。2000年，以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池研究被列入国家“973”项目，我国非晶硅电池的又进入一个新的研究阶段。目前双结初始实验室效率810，稳定效率8?第42页，本讲稿共68页432)多晶硅薄膜电池高温技术路线以RTCVD为代表优点；薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易作
13、出高效率电池，缺点：工艺温度高1000，衬底难解决。衬底材料：陶瓷，石墨，硅片。第43页，本讲稿共68页44Fraunhofer研究所SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，RTCVDZMR，效率分别达到9.3和11。RTCVDZMRnon-activeSi substrate =15.12%(北太所)modellingceramic substrate =10.21%(北太所)Particleribbon Si=8.25%(广州能源所北太所)第44页，本讲稿共68页45低温技术路线以PECVD为代表优点：工艺温度低，200300，衬底容易获得：玻璃，不锈钢等；缺点：薄膜质量低，晶粒小
14、，纳米极。日本Kaneka公司PECVD玻璃衬底pin结构的多晶硅薄膜电池，效率10；南开大学结合“973”项目PECVD实验室小面积电池正在研制(6%)。第45页，本讲稿共68页46澳大利亚Pacific Solar 公司PECVD玻璃衬底迭层多晶硅薄膜电池，效率6。(1)玻璃衬底，(2)多层薄膜，(3)第一次电极刻槽(4)第二次电极刻槽，(5)金属化第46页，本讲稿共68页47硅球太阳电池。这种电池是由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%。硅球电池在技术上有一定的特色，但规模化生产仍存在许多技术
15、障碍。第47页，本讲稿共68页483.2化合物半导体薄膜电池 GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁带宽度在11.5eV,与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚就能吸收阳光的绝大部分，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。GaAs电池主要用于空间，CdTe 和CIS电池被认为是未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。第48页，本讲稿共68页491)CdTe电池 CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV,理论效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。工艺和技术近空间升华(CSS),电沉积，溅射、真空蒸发，丝网印
16、刷等；实验室电池效率16.4%；商业化电池效率平均810；CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场份额为0.3。第49页，本讲稿共68页50我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。内蒙古大学蒸发技术北太所电沉积技术，1983年效率5.8%。90年代后期四川大学近空间升华，“十五”期间，列入国家“863”重点项目，并要求建立0.5兆瓦/年的中试生产线。电池效率达到13.38。第50页，本讲稿共68页512)CIGS电池CIGS是-族三元化合物半导体，带隙1.04eV。70年代中后期波音公司真空蒸发，电池效率达到9；80年代开始，ARCOSolar公司处领先地位；90年代后期，
17、NREL保持世界记录，19.5%；90年代初起，许多公司致力实现商业化生产该电池目前处在兆瓦级中试生产阶段，ARCOSolarSimensShell公司。第51页，本讲稿共68页52我国南开大学、内蒙古大学和云南师大等单位于80年代中期先后开展了CIS薄膜电池研究,南开大学蒸发硒化法电池效率9.13%。“十五”列入“863”重点项目，并要求建立0.3兆瓦/年的中试生产线。目前效率12.1%第52页，本讲稿共68页53几种薄膜电池的效率进展第53页，本讲稿共68页543.3染料敏化TiO2太阳电池染料敏化TiO2电池实际是一种光电化学电池。早期的TiO2光电化学电池稳定性差、效率低。1991年瑞
18、士Grtzel将染料敏化引入该种电池，效率达到7.1%，成为太阳电池前沿热点之一。目前这种电池的实验室效率达到11.第54页，本讲稿共68页55我国“十五”列入“973”重大课题中科院等离子物理所、化学所、物化所，实验室小面积电池效率10。中科院物理所、化学所的固态电解质电池列入“863”，效率5。第55页，本讲稿共68页563.4有机电池 比利时IMEC公司开发一种塑料太阳电池 使用具有施主和受主性能的有机材料，电池效率5 第56页，本讲稿共68页574.热光伏(TPV)电池 红外辐射 TPV电能 应用：工业废热回收等。典型器件：GaSb(Eg 0.67eV),InP,Si,系统：热源辐射器
19、电池 效率：1000K 23，目前。12001700K，10，未来 第57页，本讲稿共68页585.太阳电池的未来发展趋势5.1商业化趋势1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一；CIS电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素；Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速。第58页，本讲稿共68页592001、2002年各种电池的市场份额和开
20、始商业化时间.电池技术市场份额%商业化时间单晶硅35.1329.4670初(地面应用)多晶硅47.3354.4470年代末非晶硅8.625.580年代初A-Si/c-Si(n)4.615.990年代末带硅3.483.380年代中薄硅/陶瓷0.260.390年代中CdTe0.390.380年代中CIS0.18/00年代初第59页，本讲稿共68页60第60页，本讲稿共68页61 2001 2002 mc-Si184.8547.33%278.954.44%Sc-Si137.1835.13%150.9129.46%a-Si33.688.62%28.015.5%a-Si/Cz18.04.61%30.05
21、.9%RibbonSi13.63.48%16.93.3%CdTe1.530.39%1.60.3%CIS0.70.18%-Si/LCS1.00.26%1.70.3%C-Si/Sc-Si3.70.7%2001、2002年太阳电池的产量及份额第61页，本讲稿共68页625.2技术发展趋势思考1.硅基电池:硅是地球上丰度第二大元素，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；工艺基础成熟。硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅电池的产业化技术硅基薄膜电池第62页，本讲稿共68页63结晶完美化程度电池效率增加趋势电池状况/技术实验室 商业化单晶硅(体)商业化生产,280-350m
22、24.71517多晶硅(体)商业化,280-350m19.81315带硅,AES商业化,八面体,300,400m161214带硅Evergrn中试,单面,300-400m16.21214带硅中试,EBARA,单面,300-400m17.3薄层硅/衬底中试,Austropower,300-600m1510多晶硅薄膜(高温过程9001200),RTCVD15多晶硅薄膜(中温过程500900),CVD?多晶硅薄膜多晶(低温过程500),PECVD 10微晶(低温过程300),PECVD10纳晶(低温过程300),PECVD10非晶硅/纳晶(低温过程300),PECVD10非晶硅电池三结(低温过程30
23、0),PECVD 152 68两结(低温过程300),PECVD1257单结(低温过程300),PECVD1057第63页，本讲稿共68页64 结晶缺陷所带来的效率损失要通过复杂的工艺弥补，比如说，多晶硅是通过PECVDSNx来实现，获得了很大成功。但是其他薄膜电池，如非晶硅和其他薄膜电池至今尚未获得满意结果。这就是为什么薄膜电池发展比人们预想的要慢，而多晶硅电池在1998年，产量就超过了单晶硅电池。第64页，本讲稿共68页65研究开发方向：晶硅电池:提高电池/组件效率高效钝化技术：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区(前)，背表
24、面场(BSF)，细栅或者单面技术，高效封装技术最佳封装材料的折射率等。第65页，本讲稿共68页66简化、改进工艺自动化、环保、低成本；如硅片薄化及其工艺，材料的国产化和提高性能；硅基薄膜电池低温过程(PECVD)900,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底；第66页，本讲稿共68页672.化合物电池CIGS电池：提高效率，大面积重复性，S代SeCdTe电池：提高效率，大面积重复性Gratzel电池高效染料，固体或准固态电解质，提高效率，大面积重复性有机电池高效电子受体和给体以及材料，提高效率3.新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段。第67页，本讲稿共68页68第68页，本讲稿共68页