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晶体硅电池主导太阳能电池市场发展 优势20年内无人撼动

时间:2013-05-15 17:23:21

太阳能发电时代正在到来

随着石油可开采量逐渐见底和生态环境日益恶化,人们越来越企盼太阳能发电时代的到来。

太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳光能直接转换为电能的电子器件。所谓光伏效应(photovoltaic effect)是指当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。1839年法国物理学家贝克勒尔 (Becquerel)首次在液体中发现了这种效应,他观察到浸入电解液中的两电极间电压随光照强度发生变化的现象。1883年,科学家们又在半导体硒和金属接触界面发现了固体光伏效应。在此后相当长的一段时间内,由于这些光伏器件的光电转换效率太低,实际上不可能用来发电,因此对光伏效应的研究仅仅停留在纯科学研究的兴趣上。

第一个实用的半导体单晶硅太阳能电池出现在1954年。美国贝尔实验室的Chapin等人使用晶体硅P-N扩散结制成了世界上第一个光电转换效率为 6%单晶硅太阳能电池。两年后的1956年,单晶硅太阳能电池的光电转换效率提高到约10%。由于晶体硅太阳能电池具有效率高、寿命长、性能可靠的优点,使利用太阳能电池发电有了现实的基础和可能性。1958年美国海军发射了第一个以太阳能电池供电的人造地球卫星,这标志着太阳能电池应用开始走向实用化。从那以后,太阳能电池成为外层空间产生电力的标准方法,被广泛地应用到人造卫星、宇宙飞船和星际空间站上。

进入21世纪以来,在石油可开采量逐渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的严重冲击下,人们越来越企盼太阳能发电时代的到来。各国政府日益重视太阳能行业的发展,在新能源政策的大力扶持下,从2004年开始光伏太阳能电池产业迎来了快速发展期。目前全球光伏市场增长最快的分别为德国、中国和美国。中国太阳能电池产量均以100%以上的年增长率快速发展,2012年光伏组件的产能为37GW,产量为21.1GW,占全球的54%,其中99%都是晶体硅电池。中国从2007年连续7年成为全球最大的太阳能电池制造国。

晶体硅太阳能电池相对成熟

单晶硅电池具有转换效率高、稳定性好等特性,但是成本较高。

晶体硅太阳能电池通常是指利用200微米左右厚的硅片制成的太阳能电池。硅是地壳上最丰富的元素半导体,它的能隙宽度为1.12 eV。从能量转换效率来看,能隙为1.1eV~2.0 eV的半导体材料较适于制作太阳能电池。因此硅是一种较理想的太阳能电池材料。晶体硅太阳能电池主要优点是:一是高的电池转换效率,二是优秀的工作稳定性,三是高于25年的工作寿命,四是来自微电子工业技术的支持,五是电池制备技术发展成熟。由于这些优异特性,2012年晶体硅电池已占全球光伏市场约 90%的份额。

晶体硅又分为单晶硅和多晶硅。单晶硅电池转换效率高,稳定性好,但是成本较高。目前单晶硅电池效率的实验室世界记录是25%,这是由澳大利亚新南威尔士大学在1998年创造的。多晶硅电池成本低,转换效率也略低于单晶硅太阳能电池,目前多晶硅电池实验室效率世界记录是20.4%。多晶硅中的各种结晶缺陷和金属杂质是造成电池光电转换率降低的原因。目前,大规模工业化生产的单晶硅电池的光电转换效率约在18.5%~19.5%之间,而多晶体硅电池的光电转换效率约在17%~18%之间。

提高光电转换率是降本关键

目前研发的高效率晶体硅太阳能电池的种类较多,具有代表性的是IBC、HIT、PANDA。

降低光伏发电成本的核心技术是提高太阳能电池的光电转换效率。根据测算,太阳能电池的光电转换效率每提高一个百分点,将使太阳能电池组件的成本降低 7%左右。晶体硅太阳能电池效率与电池的结构密切相关,同时太阳能电池的结构也决定着电池的制造成本。目前研发的高效率晶体硅Si太阳能电池的种类较多,有代表性的三种高效率太阳能电池结构是:交指式背接触(IBC)太阳能电池,非晶Si/N-Si异质结(HIT)太阳能电池,普通电池结构“PANDA” 太阳能电池。

1.交指式背接触的太阳能电池

美国Sunpower公司研发了交指式背接触的太阳能电池的结构(Interdigitated Back Contact,称为IBC结构)。IBC太阳能电池显著的特点是前表面没有银栅线电极,PN结及电极均位于电池背面,极大降低了栅线对太阳光遮挡损失。目前IBC电池的实验室最高效率达到了24.2%,产业化电池效率在22%左右。由于电池发电的P-N结位于电池背面,IBC电池需要Si材料的少数载流子扩散长度远大于Si片厚度。高质量Si衬底要求及复杂制备工艺,使产业化的IBC电池的制备成本很高。

2.非晶硅Si/N-Si异质结太阳能电池

日本三洋公司研发了非晶Si/N-Si异质结结构电池。由于在异质结界面插入一层本征非晶Si薄层,所以这类太阳能电池的结构也称为“具有本征Si层的异质结”电池,简称HIT电池。通过插入薄本征非晶硅层,降低了太阳能电池的界面态密度,从而减少了复合电流,提高电池转换效率。HIT太阳能电池具有低的制备温度,高的转换效率以及前面和背面都可以吸收太阳光的双面电池设计。2013年初HIT电池实验室最高效率达到了24.7%,规模化生产效率在 21%左右。由于HIT电池制备工艺及设备与普通的P-型Si太阳能电池的生产不相兼容,处理工艺过程复杂,与IBC电池一样具有高的制备成本。

3.高效率PANDA(熊猫)电池

中国英利集团研发的高效率PANDA(熊猫)电池兼顾了低成本和高效率的优点。与规模化生产的IBC、HIT电池结构和技术相比,这种电池与普通的P 型硅电池结构相同,具有结构简单、制备成本低、工艺流程短、与现有生产线相兼容和容易实现大规模产业化的优点。PANDA电池主要技术特点包括:1.太阳能电池采用双面发电设计,能够接收从正面和背面进入电池的光线从而实现双面发电,比同类电池能产生更多的电能;2.采用细密栅线设计,减小栅线的遮挡光面积,提高电池的短路电流;3.前表面和背面栅线的分别优化烧结工艺,高的电池填充因子。目前在6英寸(156mm×156mm)的大面积Si片上,实验室电池的效率已达到20.1%,大规模产业化平均电池效率达到了19.5%,是全球单片面积最大的高效晶体硅太阳能电池,使英利成为全球三个能够大规模生产高效率N-Si太阳能电池的公司之一。

7大途径提升光电转换率

晶体硅电池占据了太阳能电池市场的主导地位,其制备技术代表着整个光伏电池工业的制备技术水平。

今后,晶体硅电池的研发重点是实现低成本下的高效率。提高硅电池的光电转换效率的主要途径包括:1.减少电池表面栅线遮光率,以增加电池的有效受光面积;2.制备良好的绒面和减反射膜以降低电池表面光反射损失;3.在电池背面形成良好的背电场,以降低背表面的复合速率;4.采用高的发射极方块电阻,以提高电池的短波长光谱响应;5.采用选择性发射极结构(既在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区,而在其它区域形成低掺杂浅扩散区),降低内部和表面复合损失和接触电阻;6.采用背面金属点接触结构,以进一步降低背表面的复合损失,提高电池的长波长光谱响应;7.使用N型硅衬底代替P型硅衬底,由于N型硅有高的少数载流子寿命和对某些金属杂质的不敏感性,使N型硅电池有高的稳定性和效率。

总之,晶体硅电池已占据了太阳能电池发展和市场的主导地位,其制备技术代表着整个光伏电池工业的制备技术水平,至少在未来15~20年内将持续这种优势地位。

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