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1、1提纲1.引言2.晶硅电池的技术发展3.薄膜太阳电池4.新概念电池5.太阳电池的发展趋势（结语）第1页/共79页21、引言引言11 太阳电池的基本原理及分类太阳电池的基本原理及分类 1）太阳电池基本原理）太阳电池基本原理 典型的太阳电池是一个半导体p-n结二极管。太阳电池在太阳光照射时产生光电压的现象 称为光伏效应。太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应（photovoltai effect）原理把太阳辐射能直接转变为电能的发电方式。p-n结的形成过程光生载流子电子空穴对的产生“光生电压”及“光生电流”的产生第2页/共79页3p-n结太阳电池硅中掺磷形成 n 型半导体硅中掺硼形成 P 型半导体
2、第3页/共79页4p p型半导体和n n型半导体形成冶金级接触时，n n型半导体中的电子和p p型半导体中的空穴分别项对方扩散，当达到平衡时，就形成p-np-n结。p-n结之间存在很高电压.p-n 结结二极管第4页/共79页5“光生载流子”的产生光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自由），并在价带内留下一个/空穴（自由）产生了自由电子空穴对“光生电压”的产生自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和科学的积累第5页/共79页6e-usable photo-voltage(qV)Energye-n-typep-type1 e-h+pair/photonShockl
3、y-Queisser limit max=32%heat loss(50%loss)heat losshConventional PV CellConventional PV CellSOLAR ELECTRICITY第6页/共79页7 Power out(W)x 100%Solar cell efficiency(%)=Area(m2)x 1000 W/m2在阳光照射下太阳电池输出电能第7页/共79页82 2 太阳电池的发展简史太阳电池的发展简史 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中；1876年英国W.G.Adams和R.E.Day 发
4、现晶体半导体硒在光照下能产生电流；1884年，美国人Charles Fritts 制造成功第一个1硒电池；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。纽约时报当时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”划时代的里程碑 现代太阳电池的先驱。第8页/共79页91954年美国贝尔实验室第9页/共79页10 然而，在贝尔实验室宣布第一个太阳电池诞生后的 最初几年里，超纯硅材料尚未实现商业化生产，电 池每瓦约300美元/瓦的高价格使它被搁置在市场之 外。发明人因缺材料而惊叹道：“能为我们的新生 婴儿做些
5、什么呢？”由于昂贵的材料，太阳电池开始只考虑空间应用。1958年硅太阳电池第一次在空间应用（美国先锋者 I号）；第10页/共79页11 60年代初，超纯硅材料西门子法开始实现产业 化，为太阳电池的大量应用奠定了材料基础；此时空间电池的设计趋于稳定、效率大幅度提 高，并在空间得到普遍应用；70年代初在地面得到应用，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。此后在地面和空间应用双重推动下，效率得到进一步大幅度提高，直到单晶硅电池效率达到25（24.7%）。与此同时多晶硅电池、化合物电池、各种薄膜电池等相继产生并得到发展。第11页/共79页121998年多晶硅电池市场份额开始超过单晶硅电
6、池，成为光伏市场的主导电池。目前光伏发电技术已经成熟，成为世界最优先发展的可再生能源技术之一。第12页/共79页13（我国)1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生（没有文献记载）；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；1980“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13页/共79页1413 太阳电池分类太阳电池分类1）技术成熟程度：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
7、,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）电池，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)第14页/共79页15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
8、a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层单晶多晶%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第15页/共79页16NREL QD Cell3%各种太阳电池效率记录的发展，其中蓝色为晶硅电池第16页/共79页172.晶硅电池的技术发展2.1晶硅电池的重要技术及发展2.2向高效化方向发展2.3向薄片化方向发展2.4晶硅聚光电池2.5几种新型晶硅电池第17页/共79页182.1晶硅电池的重要技术及发展自上世纪60年代以来，在晶硅电池的发展过程中解决
9、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。第18页/共79页19晶硅电池效率记录的发展第19页/共79页20（1）减少光学损失以提高电池效率）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及技术；最佳减反射（前表面）及背表反射技术。第20页/共79页21（2）减少电学损失以提高电池效率减少电学损失以提高电池效率理想p-n结技术（核心）钝化理论及技术：钝化使器件表面或者体内晶界的光生载流子复合中心失去
10、复合活性钝化技术SiO2，氢，SiNx，SiC，SiCN，a-Si等。第21页/共79页222.2 向高效化方向发展向高效化方向发展（1）单晶硅高效电池：）单晶硅高效电池：背接触电池：背接触电池：Sunpower（Stamford）传统SunPower电池采用光刻工艺，23%。SunPower用丝网印刷代替光刻的降低成本。电池效率达到超过20%.商业化单晶硅电池组件电池结构第22页/共79页23LFC-PERC 电池电池（激光打点接触（激光打点接触发射区与背面发射区与背面 钝化电池（钝化电池（UNSW）Fraunhofer 研究所研究所 23%21.6%光刻工艺激光打点工艺第23页/共79页2
11、4新新南威尔士新新南威尔士 大学大学PERL电池电池 24.7%（25）北京太阳能研究所高效电池19.8%第24页/共79页25激光刻槽埋栅电池激光刻槽埋栅电池 新新南威尔士大学北京太阳能研究所19.8%18.6%第25页/共79页26Sanyo 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；19.5最新报道 22%n typec-Si(textured)p/ia-Sii/na-Si00.20.40.60.801234Cu
12、rrent(A)5Output(W)1.0012345AM-1.5,100mW/cm2,25Cell size:100.3cm2Measurement in AIST712 mV3.837 AEff.FF78.7%Isc21.5%Voc第26页/共79页27Time7911131517Relative OutputTemperature(oC)1.00.530507040608.8%UPCell Temp.HITP/N diffusionHIT(-0.33%/oC)P/N diffusion(-0.45%/oC)Normalized Efficiency0.80.70.60.91.030406
13、080Temperature(oC)Smaller temperature coefficient第27页/共79页28第28页/共79页29（2）多晶硅高效电池）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,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。第29页/共79页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
14、.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30页/共79页31多晶硅高效电池Fraunhofer-20.3%第31页/共79页32Emitterresistance：90ohm/sqCellthickness：260mCellsize：15cm15.5cmKyocera商业化大面积多晶硅电池，17.7%“d.Blue”cell1.RIEtexturedsurface2.SiNprocess3.Shallowemitter4.Griddesign5.Contactmetallization
15、 关键技术第32页/共79页332.3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。第33页/共79页34电池硅片厚度的发展：70年代450500m，80年代400450m。90年代320400m。目前180220m。2010年150200m。2020年80120m。第34页/共79页352)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
16、损失120140m)。过去几十年里开发过多种生长带硅或片状硅技术第35页/共79页36EFG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36页/共79页37EDG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。第37页/共79页38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
17、现了中试生产。第38页/共79页392.4 晶硅聚光电池案例晶硅聚光电池案例 聚光电池具有降低光伏发电成本的潜力。一直是光伏界的研发活动之一;市场的认可程度决定于成本实际降低的程度;美国Amonix公司晶硅聚光电池案例：效率：27.6%100 x,26.3%260 x,25.3%400 x目前做高倍晶硅聚光电池的研发和示范工作的渐次减少。第39页/共79页403.薄膜太阳电池3.1硅基薄膜太阳电池3.2化合物薄膜电池3.3有机电池3.4染料敏化电池3.5有机电池第40页/共79页413.1硅基薄膜太阳电池优点：资源丰富，环境安全；a-Si和c-Si吸收系数高，活性层只需要1m厚，省材料；沉积温
18、度低，低成本衬底，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a-Si有光衰减(S-W效应)问题第41页/共79页42（1）非晶硅）非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池薄膜太阳电池a-Si是Si和H(约10)的一种合金。1976年RCA实验室D.Carlson和C.Wronski电池结构：1结，p-i-n 单纯a-Si2结，p-i-n/p-i-na-Si/a-Si;a-Si/a-Si;a-Si/a-Si:Ge;3结,p-i-n/p-i-n/p-i-na-Si/a-Si:Ge/a-Si/a-Si:Ge/Si:Ge;第42页/共79页43三结a-si太阳电池（UnitedS
19、olar）BlueGreenRed电池效率实验室商业化初始稳定稳定单结8106845双节10128957三结15213810非晶硅太阳电池效率第43页/共79页44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；80年代后期哈尔滨和深圳分别从美国Chrona 公司引进了1MW单结非晶硅生产线；2000年，以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。2003年天津津能公司引进2.5MW双结非晶硅电池线第44页/共79页45（2）a-si/c-Si迭层电池迭层电池 优点：工艺温度低，200，衬底容易获得：玻
20、璃，不锈钢等，电池效率较高：实验室记录15商业化电池89性能较稳定，目前是硅基薄膜中开发最热的一种电池。第45页/共79页46Glass SubstrateTextured TCOa-Si Top CellSun-Lightthin film poly-SiBottom CellBack Reflectorintermediate layerKaneka公司a-si/c-Si迭层电池 15，1cm2,=13.4%,91.045.5cm2；Area:1cmAM1.5,25deg.KanekaDual-lightsourcesimulatorJsc:8.93mA/cm2Voc:2.28VF.F.:
21、0.735eff.:15.0%Transparent Interlayer第46页/共79页47New Internal Light Trapping by the Intermediate layerEnlargementoflightabsorptionbynano-structureIntermediatelayer第47页/共79页48Hybrid module910 x 910 mm substrateKaneka公司a-si/c-Si/c-Si迭层电池组件A=910 x910mm11.6%第48页/共79页49南开大学南开大学VHF-PECVD 工艺工艺a-Si/c-Si 迭层电池
22、=11.8%,A=100 cm2=9.7%第49页/共79页503.2 化合物半导体薄膜电池化合物半导体薄膜电池CdTe,CuInGaSe（CIGS），GaAs,禁带宽度在11.5eV,与太阳光谱匹配较好。直接带隙材料，吸收系数大，是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。CdTe和CIGS电池被认为是未来实现成本目标的典型薄膜电池，一直是最热的两个研究课题。GaAs主要用于空间电池和地面聚光电池第50页/共79页51(1)CdTe(1)CdTe电池电池CdTeII-VI族化合物，Eg1.5eV,理论效率28%，性能稳定。工艺：近空间升华(CSS),溅射、真空蒸发等；实验室电池效率16.5%A=1.0
23、32cm2)；商业化电池效率910；First Solar:2009，1019MWpfrontcontact第51页/共79页52我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。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”“863”项目，电池效率达到13.38。建立0.5MWp/年的中试生产线。目前与尚德合作筹建2MWp生产线第52页/共79页53杭州经济开发区正在进行CdTe中试，效率超过10世界记录创造者吴选之先生领办。第53页/共79页54（2）CIGS电池电池 CIGS是-四元化合物，带隙1.04eV。NREL保持世界记录，=19.5%(0.41cm2
24、)；最近信息Wrth=20.3%;2010.7月，杭州普尼公司=21.1%，开始中试最高组件效率：=13.1%,（64.8WShellGMBH)=13.4%A=3459cm2ShowaShell2009年产量166MWp。电池基本结构南开大学蒸发硒化法电池效率14。31%。Glass substrate(3 mm)Molybdenum(0.5 m)Cu(In,Ga)Se2 (2 m)ZnO:Al (1 m)i-ZnO(50 nm)CdS(50 nm)pnLight(hn)第54页/共79页55（3）GaAs电池电池第55页/共79页56CIGS电池=19.9%(0.41cm2)；CdTe电池=
25、16.5%（1.032cm2)；a-Si/c-Si电池=15.2%（cm2级,3-J)几种薄膜电池的效率进展第56页/共79页573.4 染料敏化染料敏化TiO2太阳电池太阳电池染料敏化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11.1991年年Graetzel-染料敏化电池出现染料敏化电池出现 1980 1991 2000 2010 效率效率 0.1%7.1%10%15%(?)第57页/共79页58=11%N3 dye(N719)中科
26、院等离子物理所、化学所、物化所，长春应化所，实验室小面积电池效率10。组件电池效率5.7%，A=1497.6cm2;500W的实验电站中科院等离子物理所中科院物理所固态电解质电池效率5。第58页/共79页593.5 3.5 有机电池有机电池使用具有施主和受主性能的有机材料做成太阳电池，世界效率记录 5.4。我国华南工大也在开发此种电池，效率5%.最新消息，效率7.9,但未见资料。第59页/共79页604.新概念电池4.1物理概念的扩展4.2太阳电池成本结构与效率关系4.3实现超高效新概念电池的技术选项多结电池-太阳光谱多级利用上下转换器电池中间带或杂质带电池量子点电池第60页/共79页61.薄
27、膜.高效.多结(2).材料丰富.无毒.性能稳定,长寿命极限效率74%(单结电池极限效率31)4.1物理概念的扩展第61页/共79页624.2太阳电池成本结构与效率关系第62页/共79页634.3实现超高效新概念电池的技术选项 多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带，量子点）电池，上下转换器（低能光子升级成高能光子或反之），热载流子电池，热光伏，热离子，碰撞的离等 第63页/共79页64多结电池-太阳光谱多级利用Sun lightSun lightTop cellMiddle cellBottom cell第64页/共79页65理论计算多结电池-案例：1）2-J和3J-a-Si和a-Sic-Si太
28、阳电池（前述）2）3JGaAs电池（前述）第65页/共79页66上下转换器电池下转换上转换1个高能光子转换成与带隙2个低能光子转换成与带隙相匹配的2个光子相匹配的1个高能光子第66页/共79页67中间带或杂质带电池通过特殊技术在原来禁带中形成一杂质带或中间带，可以增加光谱利用宽度。第67页/共79页68 QD p-n Heterojunction(p-PbS/n-ZnO)Solar Cell(unpublishedconfidential)量子点电池量子点电池类似中间带可以增加光谱利用宽度第68页/共79页69第69页/共79页705.太阳电池的未来发展趋势（结语）5.1技术发展趋势思考1）硅
29、基电池2）化合物薄膜电池:3)新概念电池5.2商业化趋势第70页/共79页715.1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（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；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:高效低成本晶硅电池的产业化技术硅基薄膜电池，特别是a-Si/c-Si迭层电池第71页/共79页72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；薄膜电池需要克服许多材料和工艺上的难关，从而增加了薄膜电池技术难度和研制周期；薄膜电池的制造设备尚未定型和成熟；薄膜电池走向产业化进程比人们预期的长，但
30、仍然是未来大幅度降低成本比的基本技术路线。第72页/共79页73200220022009 2009 世界太阳电池产量的增加情况世界太阳电池产量的增加情况7373第73页/共79页74#20092009年数据，年数据，PV NewsPV News，20092009。Vol.29.no.5Vol.29.no.5。20012009年薄膜太阳能电池产量，单位：年薄膜太阳能电池产量，单位：MWp年份年份200120012002200220032003200420042005200520062006200720072008200820092009晶硅晶硅电池电池3383385075077047041136
31、11361686168623712371365036507005700586788678薄膜薄膜电池电池363630304343656510710719119135035089589519811981薄膜薄膜9.69.65.595.595.755.755.415.415.975.977.467.468.758.7511.311.318.5918.59总计总计374374537537747747120112011793179325622562400040007900790010659106597474第74页/共79页752009年各种太阳电池的产量年各种太阳电池的产量第75页/共79页7620022009年薄膜太阳电池的产量第76页/共79页77（solar Annual 2007）未来5年（20072011）太阳电池发展预测第77页/共79页78第78页/共79页79感谢您的观看！第79页/共79页