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太阳电池发展趋势. 赵玉文. 提纲 1. 引言:原理,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 TiO 2 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. 引言: 基本原理. 简史(世界) ◆ 1839年-法国 Becquerel 报道在光照电极插入电
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太阳电池发展趋势 赵玉文
提纲 1. 引言:原理,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
引言: • 基本原理
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Charles Fritts 制造成第一个 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硅太阳电池;
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。
(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。
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, Grātzel,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)
2.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, CIGS,, GaAs ,InP.。。 有机电池, Grātzel 电池(光化学电池) 3. 波段范围:太阳光伏电池 热光伏电池
4.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
2. 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
2.1 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,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, PECVD-SiN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
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 -
2.2 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
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%
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125×125)
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, ◆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。
◆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%.
其中PECVD-SiN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13%-16%
2.3 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。
Ultrathin Multicrystalline Si High Efficiency Solar Cells – Fraunhofer- 20.3%-世界记录
硅片厚度的发展: 70年代-450~500 m, 80年代-400~450m。 90年代-350~400 m。 目前 - 260~300 m。 ~2010年 200~260 m。 ~2020年 100~200 m。
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300~400 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
① EFG带硅技术 • 采用石墨模具-电池效率13%-15%。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。
②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。
③Astropower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。
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
3.1 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
优点: ① 资源丰富,环境安全; ② 光的吸收系数高,活性层只需要1m 厚,省材料; ③ 沉积温度低,成本衬底上,如玻璃、 不锈钢和塑料膜上等。 ④ 电池/组件一次完成,生产程序简单。 缺点: ①效率低 ②不稳定-光衰减(S-W效应)。
实验室效率: 初始 稳定 单结: 12% 6-8% 双结: 13% ~10% 三结: 15.2% ~13% 商业化电池效率: 单结: 3%~4% 双结: ~6% 三结: 7% ~8%
◆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8%~10%;◆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8%~10%; ◆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3%-4%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8%~10%,稳定效率 ~8%?
2) 多晶硅薄膜电池 • ① 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。。。
Fraunhofer研究所-SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,RTCVD-ZMR,效率分别达到9.3%和11%。Fraunhofer研究所-SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,RTCVD-ZMR,效率分别达到9.3%和11%。 RTCVD-ZMR non-active Si substrate=15.12% (北太所) modelling ceramicsubstrate=10.21%(北太所) Particle ribbon Si =8.25% (广州能源所+北太所)
② 低温技术路线-以PECVD为代表 • 优点:工艺温度低,200~300℃, • 衬底容易获得:玻璃,不锈钢等; • 缺点:薄膜质量低,晶粒小,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%)。
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
③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障碍。
3.2化合物半导体薄膜电池 • GaAs, CdTe, CuInGaSe等的禁带宽度在1~1.5eV,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。
1) CdTe电池 • CdTe-II-VI族化合物,Eg=1.5eV, 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,丝网印刷等; • 实验室电池效率16.4%; • 商业化电池效率平均8~10%; • 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%。